|
4.2. Фрикционные передачи
Во фрикционных передачах (рис. 4.3) ведущее и ведомое звенья — цилиндрические или конические катки жестко посажены на вращающиеся в подшипниках валы и прижаты друг к другу. При вращении ведущего катка, приводимого двигателем или предшествующей передачей, ведомому катку сообщается вращение за счет возникающих на контактной поверхности сил трения. Линейная скорость ведомого катка vj в зоне контакта из-за упругого проскальзывания отстает от линейной скорости ведущего катка v{:
vi = (4.5)
где £ — коэффициент, учитывающий указанное выше отставание, называемое упругим проскальзыванием-, для передач, работающих без смазки, С, = 0,990...0,995.
Как и ранее, подстрочными индексами здесь и далее обозначены величины относящиеся соответственно к ведущему (входному) и ведомому (выходному) звеньям передачи.
Рис. 4.3. Фрикционные передачи с цилиндрическими (а) и коническими
(б) катками
Между окружной v и угловой ю скоростями, а также диаметром катка d существует зависимость: v= dtо/2. Выражая эти символы подстрочными индексами соответственно их принадлежности к звеньям передачи, из соотношения (4.5) получим
d2iо2 = L,dxa>u
откуда
/=e»,/®2=rf2/(rfI0. (4-6)
Окружное усилие на ведущем катке
F = 2T^x/db
где Тх — крутящий момент на валу катка, Нм; ri t — КПД подшипников ведущего вала; dx — диаметр ведущего катка, в случае конических катков измеренный по срединной окружности конуса, м. Этим усилием создается крутящий момент на ведомом валу
Т2 =Fd2T\2/2,
где d2 — диаметр ведомого катка; -п2 — КПД подшипников ведомого вала.
Исключая из двух последних выражений параметр Fu учитывая отношение (4.6), найдем зависимость между моментами Г, и Т2:
Т2 ^/тьПгС-
Сравнивая эту зависимость с зависимостью (4.4), получим
Т1 = Л1Л2С, (4.7)
что согласуется с общим определением КПД, учитывающим внутренние потери энергии при передаче движения, включая упругое проскальзывание по контактным поверхностям. В среднем ri = = 0,90...0,95.
Функционирование фрикционной передачи определяется условием F< Fnpea. Предельное значение силы трения на контактирующих поверхностях, выражаемое в ньютонах:
F^ = fQ, (4.8)
где / — коэффициент трения, зависящий от материала трущихся пар, их смазки и других факторов, ориентировочно для трения стали по стали или чугуну со смазкой и без нее соответственно/= = 0,04 — 0,05 и / = 0,10...0,15; стали или чугуна по текстолиту всухую/= 0,2... 0,3; Q — нормальное усилие на контактной поверхности, Н.
Невыполнение указанного выше условия приводит к проскальзыванию (буксованию) ведущего катка относительно ведомого без вращения последнего.
Передаточное отношение конической фрикционной передачи выражается формулой
/ = sina2/(£sin a,),
которая получается из формулы (4.6) и геометрических соотношений (рис. 4.3, б).
В случае перпендикулярных осей вращения ведущего и ведомого катков:
/ = cos а, / (С sin a,).
В двух последних формулах через ai и Ог обозначены половины углов при вершинах конусов соответственно ведущего и ведомого катков.
Рассмотренные фрикционные передачи просты по форме рабочих поверхностей катков, но, из-за необходимости создания больших контактных усилий, нуждаются в специальных прижимных устройствах. Поэтому их валы и подшипники испытывают повышенные нагрузки, а тела качения подвержены износу, особенно при буксовании. Этих недостатков лишены передачи с клинчатыми катками, рабочие поверхности одного из которых своими клиновыми выступами входят в канавки такой же формы другого (рис. 4.4). Нормальная сила давления на одной стороне каждой канавки, вызванная силой прижатия Q одного катка к другому, составит
Q' = Q/ (2z sin (а/2)), а суммарная сила давления по всем z канавкам Ql= Q'-2z= <3/sin (a/2),
где z — число канавок; a — угол развала канавок.
Для получения большего значения Q' и, следовательно, Q\ угол а должен быть по возможности малым. Во избежание заклинивания сопрягаемых катков его ограничивают значением a = 15°. Заменяя в формуле (4.8) Q на Q\ и обозначая коэффициент пропорциональности
/пр=// sin (а/2), (4.9)
для предельной силы трения на рабочих поверхностях клинчатой фрикционной передачи получим
Рис. 4.4. Схема разложения силы прижатия клинчатых катков по рабочим поверхностям |
^пред. кл ~fnpQ>
т. е. формулу прежней структуры (4.8). Коэффициент пропорциональности /пр в этой формуле называют приведенным коэффициентом трения. Он всегда больше фактического коэффициента трения f. Так, например, при а = 15° отношение^ //= 7,66. Во столько же раз увеличивается суммарное нормальное давление Q'z по сравнению с силой прижатия катков Q и уменьшается нагрузка на валы и подшипники.
Фрикционные передачи применяют в приводах небольшой мощности, в частности в конструкциях вариаторов — устройствах для бесступенчатого изменения скорости вращения ведомого катка, одна из конструктивных схем которого представлена на рис. 4.5. Вариатор представляет собой двухступенчатую фрикционную передачу, в которой промежуточный каток является одновременно ведомым для первой ступени и ведущим — для второй. В соответствии с формулой (4.6) передаточное отношение вариатора определится как
■ = 4, d2 d2 d&dn С dtf'
где du d2H dn — средние диаметры ведущего, ведомого и промежуточного фрикционных катков по поверхностям их взаимных контактов.
Диаметры dx и d2 могут изменяться бесступенчато в зависимости от изменения угла наклона а оси вращения промежуточного катка. При этом с увеличением первого диаметра уменьшается второй и наоборот. Изменением угла а достигается требуемое передаточное отношение.
4.3. Ременные передачи
Ременная передача (рис. 4.6, а) состоит из двух закрепленных на валах шкивов и охватывающего их ремня, надетого на шкивы с натяжением. Движение передается за счет сил трения в парах ведущий шкив — ремень и ремень — ведомый шкив.
риатора |
В состоянии покоя обе ветви ремня натянуты с одинаковыми усилиями S0. В состоянии передачи движения эти усилия перераспределяются: большим будет усилие S\ в набегающей на ведущий шкив ветви, меньшим S2 — в сбегающей с него ветви при
сохранении равенства: + S2 = 2 S0. Эти усилия связаны между собой формулой Эйлера
где / — коэффициент трения между шкивом и ремнем; <р — угол обхвата меньшего шкива ремнем.
б |
в |
г |
Данная формула получена в предположении упругого скольжения ремня на всей длине дуги обхвата, обусловленного тем, что при перемещении ремня вместе с ободом в пределах указанной дуги каждый элемент ремня переходит из зоны большего в зону меньшего натяжения, вследствие чего элементы ремня укорачиваются, и ремень несколько отстает от шкива. На ведомом шкиве, наоборот, шкив отстает от ремня. Упругим скольжением обусловлены потери энер-
гии, учитываемые в расчетах силовых параметров КПД, который вместе с потерями в подшипниках, поддерживающих шкивы валов, составляет г| = 0,94...0,96. Кроме того, из-за упругого скольжения происходит дополнительное снижение скорости вращения ведомого шкива, учитываемое коэффициентом £ = 0,97...0,99.
Передаточное отношение ременной передачи
/ = о),/со2 = njn2 = D2/{DXQ, (4.10)
где D1 и D2 — диаметры ведущего и ведомого шкивов.
Упругое скольжение, при котором шкивы и ремень взаимно проскальзывают на всей длине дуги обхвата, за исключением граничных точек (в начале менее нагруженной ветви на обоих шкивах), не следует смешивать с возникающим при перегрузках передачи буксованием — скольжением ремня по всей дуге обхвата в том числе и в указанных точках.
Полезное окружное усилие определяется разностью усилий: F= = Si~ S2. Это усилие связано с вращающими моментами на ведущем (Г,)'и ведомом (Т2) валах соотношениями:
/?=271л/А = 27'2//)2Л2,
из которых и с учетом передаточного отношения (4.10) вытекает прежняя зависимость (4.4) между вращающими моментами Г, и Т2, а также выражение (4.7) для полного КПД передачи.
В ременных передачах применяют следующие типы ремней (см. рис. 4.6): плоские, клиновые, круглого сечения, зубчатые и поликлиновые. Наибольшее распространение в приводах строительных машин получили передачи с плоскими и клиновыми ремнями. Плоские ремни применяют в передачах с передаточным отношением не более / = 4, а клиновые ремни до / = 6...8 и скоростях ремня до 30 м/с. Узкие клиновые ремни допускают работу при скоростях до 40... 50 м/с. В одном комплекте может быть установлено до восьми клиновых ремней. Недостатком многоременных передач является неодинаковая вытяжка ремней в процессе эксплуатации, из-за чего они загружаются неравномерно. Этот фактор учитывают при расчете числа ремней в комплекте с введением специального коэффициента снижения несущей способности ремней от 5... 10 % соответственно при двух—шести и более ремнях. Этого недостатка лишены поликлиновые ремни с высокопрочным полиэфирным кордом, которыми заменяют несколько клиновых ремней, комплектно устанавливаемых на шкивах. Поликлиновые ремни имеют от 2 до 20 ребер. Передаточное отношение передач с поликлиновыми ремнями достигает 15 при скорости 40...50 м/с.
Оптимальным межосевым расстоянием плоскоременной передачи считают:
аопт = 2(0, + D2).
Для клиноременных передач оно изменяется в следующем диапазоне:
от amin = 0,5 (А + Dj) + h до amax = Z>, + D2>
где h — высота ремня.
Круглоременные передачи применяют в слабо нагруженных приводах, в частности, в механизмах приборов. Зубчатые ремни отличаются от других наличием на их внут-; ренней поверхности зубьев, обеспечивающих постоянство передаточного отношения без проскальзывания, бесшумность работы, возможность работы в масле. В отличие от передач со всеми другими типами ремней, передающими движение за счет сил трения между ремнем и шкивами, зубчато-ремен- рис.4.7.натажениерем- ные передачи реализуют принцип передачи т роликом
движения зацеплением. По этому признаку
они более близки к цепным передачам. Зубчатые ремни применяют в передачах большой мощности (до 400 кВт) при скорости до 80 м/с.
Обязательным условием функционирования ременной передачи является ее натяжение путем перемещения одного из шкивов натяжным роликом (рис. 4.7) или пружиной, автоматическим устройством, регулирующим натяжение в зависимости от внешней нагрузки и т. п. По сравнению с плоскоременными клиноремен- ные передачи требуют меньшего натяжения ремней благодаря тому, что за счет расклинивающего эффекта они имеют более высокий приведенный коэффициент трения fnp (4.9). При стандартном угле клина поперечного сечения ремня а = 40° отношение fnp/f - 2,92. Для обеспечения передачи движения с одинаковыми значениями полезного окружного усилия ^при прочих равных параметрах кли- ноременные передачи требуют натяжения в 1,6—2,2 раза меньше чем плоскоременные передачи.
Достоинствами ременных передач являются: простота конструкции, возможность передачи движения на большие расстояния, способность предохранять механизмы от перегрузок за счет проскальзывания ремня по шкивам. К их недостаткам относятся большие габаритные размеры, недостаточная долговечность ремней, частичная или полная неспособность работать при попадании на ремень и шкивы смазки.
4.4. Зубчатые передачи
Зубчатая передача состоит из двух посаженных на валы зубчатых колес, меньшее из которых называют шестерней, а большее — колесом. Для передачи вращательного движения между двумя валами
F F,
Рис. 4.8. Виды зубчатых передач: а, б, в — цилиндрические колеса с прямыми, косыми и шевронными зубъями соответственно; г, д — конические колеса с прямыми и круговыми зубъями; е — винтовые колеса; ж — передача внутреннего зацепления; з — зубчато-реечная передача |
с параллельными осями применяют цилиндрические колеса с прямыми (рис. 4.8, а и ж), косыми (рис. 4.8, б) и шевронными (рис. 4.8, в) зубьями; между валами с пересекающимися осями — конические колеса с прямыми (рис. 4.8, г) или круговыми (рис. 4.8, д) зубьями; между валами с неперекрещивающимися осями — винтовыми колесами (рис. 4.8, е). Для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот служит зубчато-реечная передача (рис. 4.8, з). Передача, в которой зубья колеса находятся на его внутренней поверхности (рис. 4.8, ж), называется передачей внутреннего зацепления.
Зубчатые передачи получили наибольшее распространение в приводах строительных машин благодаря малым габаритным размерам по сравнению с другими механическими передачами, высокому КПД Сп = 0,97...0,99), большой долговечности и надежности, постоянству передаточного отношения, обусловленному отсутствием проскальзывания между сопрягаемыми кинематическими парами, возможности применения в широком диапазоне моментов, скоростей и передаточных отношений. К их недостаткам относится шум при работе на значительных скоростях и в случае недостаточно качественного исполнения. Наиболее часто этот недостаток проявляется в передачах с прямозубыми колесами. Передачи с косозубыми колесами (см. рис. 4.8, б) работают более плавно и менее шумно благодаря большему числу одновременно зацепляющихся пар зубьев. Обычно их применяют при окружных скоростях более 2 м/с. Недостатком этих передач является передача осевых нагрузок на валы, требующая установки их на подшипники, способные воспринимать эти нагрузки. Этого недостатка лишены передачи с шевронными колесами (см. рис. 4.8, в), представляющими собой два зеркально ориентированных косозубых колеса в одной детали. Осевые нагрузки каждой половины такого колеса взаимно уравновешиваются без их передачи на валы. Недостатком шевронных колес является более сложная технология их изготовления.
Зубчатые передачи преобразуют скорости и моменты подобно фрикционным передачам, но без упругого скольжения. Условные окружности зубчатой передачи с цилиндрическими колесами, которые бы имели рабочие поверхности цилиндрических катков эквивалентной в указанном выше смысле фрикционной передачи с такими же передаточным отношением и межосевым расстоянием, называют начальными окружностями. Подобным образом, условные конические поверхности зубчатой конической передачи, по которым обкатываются два конических зубчатых колеса без скольжения, называют начальными конусами. При диаметрах начальных окружностей шестерни и колеса d0] и d$2 межосевое расстояние цилиндрической зубчатой передачи определится как аы = (dQi + d^)/2.
Для конической передачи таким обобщенным параметром служит внешнее конусное расстояние, которое в случае взаимно перпендикулярных ведущего и ведомого валов (рис. 4.9) определяют как
Re = l/2yjdel2 + de2,
Рис. 4.9. Схема к определению внешнего конусного расстояния для конической зубчатой передачи с перпендику- |
где del и de2 — диаметры оснований начальных конусов соответственно шестерни и колеса. лярными валами
Рис. 4.10. Схема эвольвентного зацепления цилиндрических зубчатых колес
В настоящее время наиболее широкое распространение получили зубчатые передачи эвольвентного зацепления, у которых рабочие поверхности зубьев описываются эвольвентой окружности. Эти поверхности имеют цилиндрическую форму у прямозубых цилиндрических колес и коническую у прямозубых конических. Для всех других колес они имеют более сложную геометрическую форму.
Схема эвольвентного цилиндрического зубчатого зацепления представлена на рис. 4.10. Окружность, по которой размечают расстановку зубьев, называют делительной. Часть дуги делительной окружности р между одноименными точками одноименных (правых или левых) рабочих поверхностей зубьев называют окружным шагом зубьев. Эта величина связана с диаметрами делительных окружностей шестерни d\ и колеса d2 и числами зубьев соответственно Z| и z2 соотношениями:
т = р/п = di/z] = d2/z2.
Величину т — часть диаметра делительной окружности зубчатого колеса, приходящуюся на один зуб, называют модулем зубчатого зацепления. Его значения стандартизованы. Шаг и модуль зубьев одинаковы для обоих колес. Модуль и число зубьев являются важнейшими параметрами зубчатого зацепления, по которым, согласно формулам (4.11), определяют диаметры делительных окружностей:
d\ = mzx; d2 = mz2. (4.12)
Число зубьев меньшего колеса (шестерни) ограничено нижним пределом = 17. При меньших значениях z} толщина зуба у его основания оказывается меньше чем на других уровнях, в связи с чем снижается его изгибная прочность.
Окружность, описанную по головкам зубьев колеса, называют окружностью выступов, а описанную по впадинам зубьев — окружностью впадин. Окружность, по которой обкатывались бы катки цилиндрической фрикционной передачи, эквивалентной зубчатой передаче, называют начальной окружностью. Обычно начальные и делительные окружности совпадают (кроме колес, изготовленных с так называемым смещением исходного контура). В этом случае межосевое расстояние (расстояние между осями зацепляющихся колес) определяют
аш = (di + dJ/2 = m{zi + z2)/2.
Общую точку Р касания начальных окружностей зацепляющихся колес называют полюсом зацепления, а нормаль к боковым поверхностям зубьев в полюсе Р — линией зацепления. Последняя является касательной к основным окружностям. Зацепление колес происходит на линии зацепления на отрезке KL между точками ее касания к основным окружностям. Общая касательная к делительным окружностям 7Т и линия зацепления KL образуют угол зацепления а, значение которого для стандартных эвольвентных колес равно 20°.
У косозубых колес зубья наклонены по отношению к оси колеса под углом р (рис. 4.11), составляющем 8... 15°. Чем больше этот угол, тем более плавно работает передача, однако при этом увеличивается также осевая составляющая D„„,,, ___
г. _ _ Рис. 4.11. Схема размеров
(4.11) |
Fa передаваемого зубьями усилия Fn. косозубого колеса
Для шевронных колес, у которых осевые составляющие компенсируются без передачи на валы, обычно принимают р = 25...35°, реже — до 45°. У косозубых (и шевронных) колес различают окружной р, и нормальный шаг р„. Первый измеряют по дуге делительной окружности в сечении, перпендикулярном оси колеса, а второй — по дуге делительного цилиндра в направлении, перпендикулярном рабочим поверхностям зубьев. Различают также соответствующие этим шагам окружной т, и нормальный т„ модули. Окружные и нормальные шаг и модуль связаны между собой соотношениями:
Pi = Рп/COS Р; «I = /"„/COS р.
Обычно стандартным является нормальный модуль. Диаметр делительной окружности косозубого колеса связан с указанными выше категориями модулей зубьев зависимостями: d= m,z = /h„z/cosp.
а = т. |
Рис. 4.12. Схема размеров конического зубчатого колеса |
Межосевое расстояние косозубой передачи
Z| + z2 _ т„ Z[ + z2 2 cos p 2
У конических зубчатых колес (рис. 4.12) диаметр делительного конуса, а вместе с ними шаг и модуль изменяются по ширине венца. Поэтому у этих колес различают два модуля: средний окружной т на среднем делительном диаметре d и внешний окружной те на внешнем диаметре de. Обычно стандартизован внешний
модуль, с помощью которого определяют все размеры зубчатого колеса, в частности — внешний диаметр делительного конуса de = те z.
Передаточное число и зубчатой передачи с любым видом зубчатых колес (это понятие в зубчатых передачах отождествляют с передаточным отношением) определяют отношением чисел зубьев колеса z2 и шестерни z,: m=z2/z1. Для конической зубчатой передачи при взаимно перпендикулярных осях вращения колес передаточное число, кроме того, может быть определено через половины углов при вершинах делительных конусов б, и82 (см. рис. 4.9): и = ctg б] =tg 52.
Рис. 4.13. Схема планетарной зубчатой передачи (а) и план скоростей (б) |
В последнее время все большее применение в приводах строительных машин находят соосные многопоточные планетарные зубчатые передачи (рис. 4.13, а). Передача состоит из двух центральных колес 1 и 2 и нескольких (обычно трех) сателлитов 3, свободно посаженных на оси водила 4. Ведущими или ведомыми звеньями в этой передаче могут служить водило и любое из центральных колес. Чаще в качестве ведущего используется центральное колесо 1, называемое солнечным, а ведомого — либо водило, либо внешнее центральное колесо 2.
Передаточное отношение определяют по плану скоростей, пример которого представлен на рис. 4.13, б. При ведущем солнечном колесе, вращающемся с угловой скоростью coh его линейная скорость на начальной окружности составит vl3 = со, • d,/2. С такой же линейной скоростью будет перемещаться точка сателлита 3, совпадающая в данный момент с полюсом зацепления колес 1 и 3. Скорость же диаметрально противоположной ей точки того же сателлита, совпадающей с полюсом зацепления колес 2 и 3, при неподвижном внешнем центральном колесе будет равна нулю (i^3 = 0). Линейная скорость центра сателлита составит i>4 = (и13 + г^3)/2 = i>13/2, а угловая скорость вращения водила оа4 = г>4/г4 = vl3/(2r4) = (£>jdi/(4r4), где г4 — радиус осей сателлитов относительно центра вращения водила. Передаточное число определится как: и = щ/ы^ = 4rjdx. Имея в виду, что dx - mzx и r4 = (dx + d3)/2 = m(zx + z3)/2, получим
и = 2 m(zx + z^)/mzx = 2(1 + z3/zx).
Распределение нагрузки с центральных колес на несколько потоков с помощью сателлитов увеличивает соответственно число находящихся в зацеплении зубьев, а их соосное расположение позволяет создавать более компактные и легкие зубчатые передачи с большими передаточными отношениями. Они хорошо встраиваются, например, в барабаны лебедок, в ведущие звездочки гусеничных движителей и других исполнительных механизмов, что в целом уменьшает габаритные размеры и массу машин.
4.5. Червячные передачи
Червячные передачи служат для передачи вращательного движения между перекрещивающимися валами, чаще под прямым углом. Передача состоит из винта 1 (рис. 4.14), называемого червяком, и червячного колеса 2 с зубьями на своем ободе. Ведущим звеном в передаче является обычно червяк.
В сечении в плоскости вращения червячного колеса и проходящего через ось вращения червяка червячная передача подобна зубчато-реечной передаче (см. рис. 4.8, з). Червяк (рис. 4.15, а) представляет собой винт с трапецеидальным профилем витков. Стандартный угол профиля в осевом сечении составляет а = 20°. Осевой шаг нарезки р = кт измеряют по образующей делительного цилиндра диаметром
d\ = mq,
где т — расчетный модуль; q — коэффициент диаметра червяка, значения которого стандартизованы.
|
Рис. 4.14. Червячная передача |
90° вследствие большего числа зубьев червячного колеса, одновременно находящихся в зацеплении. Однако они более сложны в изготовлении, монтаже и регулировке, особенно после некоторого износа зубьев колеса. |
Кроме червяков с цилиндрической делительной поверхностью применяют также гло- боидные червяки (рис. 4.15, б) с торовой делительной поверхностью, охватывающей часть зубьев червячного колеса. Передачи с глобоидными червяками обладают более высокой по сравнению с обычными чер
а
Рис. 4.15. Червяк с цилиндрической (а) и торовой (б) делительными поверхностями |
б |
Ради увеличения контактных поверхностей в паре червяк — колесо и снижения за счет этого контактных давлений зубья колеса выполняют охватывающими червяк в его поперечном сечении (рис. 4.16) с центральным углом дуги охвата 2X. = 90... 110°. Для несиловых передач, например, в приводах приборов, червячное колесо может быть выполнено также с цилиндрическим ободом (верхняя часть рис. 4.16).
Диаметр делительной окружности червячного колеса определяют по второй из формул (4.12) для цилиндрических зубчатых колес, а межосевое расстояние в случае совпадения диаметров начальных и делительных поверхностей как
di+d2 q + z2
а = ' „ 1 = т-----------------------------------
2 2
За один оборот червяк смещает колесо на один шаг, соответствующий длине дуги делительной окружности колеса с центральным углом 2k/z2. Для одного оборота колеса (2л радиан) червяк должен сделать z2 оборотов. Из этого следует, что передаточное
3 Волков 55
Зуб колеса |
Виток червяка
ft
Рис. 4.16. Сечение червячной Рис. 4.17. Схема к объяснению угла передачи плоскостью, перпен- подъема винтовой линии и соотноше-
ния скоростей в червячной паре
чисдо червячной передачи численно равно числу зубьев червячного колеса и = z2. Этот вывод справедлив только в отношении рассмотренной выше червячной передачи с однозаходным червяком. В дальнейшем передаточному числу червячной передачи будет дано более полное определение.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 46 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |