Г л а в а 10

МЕХАНИЗМЫ ПРИВОДОВ МАШИН

Привод является одной из основных частей любой машины. Пра­ вильный выбор типа привода, его рациональная компоновка и проектиро­ вание в значительной степени определяют возможность получения наилуч­ ших технико-экономических и эксплуатационных характеристик будущей машины. Зубчатые механизмы, являющиеся составной частью привода, при выполнении одинаковых функций по сравнению с другими механиз­ мами более экономичны в изготовлении, надежны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и высокий КПД. С помощью этих механиз­ мов можно изменять модуль и направление скорости и момента, получать несколько скоростей, разделять и суммировать движения. Зубчатые ме­ ханизмы могут быть как плоскими, так и пространственными. Их под­ разделяют на механизмы с неподвижными осями всех колес и механизмы, оси отдельных колес которых перемещаются относительно стойки. К та­ ким механизмам относятся планетарные и волновые зубчатые передачи. При их применении существенно снижаются габаритные размеры и масса привода в результате распределения нагрузки между несколькими пара­ ми взаимодействующих зубчатых колес или между несколькими зонами зацепления. Для одних и тех же условий может быть составлено большое число возможных вариантов исполнений механизмов, поэтому в настоящей главе рассмотрены основные схемы простых и многозвенных зубчатых ме­ ханизмов, методы их структурного и кинематического анализа.

10.1. Основные понятия и определения

Любая современная машина, как известно, имеет рабочие (исполнительные) органы и привод. Приводом машины на­ зывают устройство, предназначенное для преобразования под­ водимой первичной энергии в механическую работу, выпол­ няемую исполнительными органами машины, связанными с выходными звеньями привода. По виду первичной энергии различают приводы электрические, гидравлические, пневма­ тические, паровые и т.д. В машиностроении в основном при­ меняют приводы первых трех видов и особенно электропри­ воды. Электроприводом называют устройство, состоящее из

Рис. 10.1

электродвигателя Д, передаточного устройства ПУ, силового преобразователя П, управляющего устройства УУ и предна­ значенного для преобразования электроэнергии источника пи­ тания ИП в механическую энергию, передаваемую рабочему механизму РМ и исполнительному органу ИО, при контроле работы которого подаются сигналы на управляющее устрой­ ство, воздействующее на электродвигатель и силовой преобра­ зователь (рис. 10.1).

По уровню автоматизации управления различают приво­ ды неавтоматизированные, автоматизированные (с автомати­ чески регулируемыми параметрами) и автоматические (с ав­ томатическим выбором управляющего воздействия).

Конструкция и вид рабочих органов определяются целе­ вым назначением машины. Для большинства современных ма­ шин движение рабочих органов является вращательным. К та­ ким машинам относятся транспортные машины, разнообраз­ ное станочное оборудование, вспомогательные устройства и средства механизации различных работ (стенды, установки, приспособления с машинным приводом). Приводы большей части этих машин допускают применение стандартных дви­ гателей и однотипных механических передач.

По способу распределения механической энергии приводы подразделяют на три основных вида: групповой, индивидуаль­ ный (однодвигательный) и взаимосвязанный.

Групповой привод обеспечивает движение от одного дви­ гательного устройства целой группы исполнительных органов

одной или нескольких рабочих машин через передаточные ме­ ханизмы — трансмиссии. Исторически этот привод был пер­ вым типом привода, нашедшим применение в промышленно­ сти. Но из-за сложности трансмиссий, их громоздкости и низ­ кого КПД от него отказались и перешли к индивидуальному (однодвигательному) приводу, в котором каждое рабочее дви­ жение обслуживается своим двигательным устройством. Од­ нодвигательный привод наиболее широко распространен, осо­ бенно при использовании электродвигателей.

Взаимосвязанный привод состоит из двух или более свя­ занных двигательных устройств, обеспечивающих выполнение одного движения. При наличии механической связи между двигательными устройствами привод называют многодвига­ тельным. Его применяют в исполнительных механизмах гру­ зоподъемных, транспортных, строительных машин и оборудо­ вания, где устанавливают более двух электродвигателей или гидромоторов для равномерного распределения статических и динамических нагрузок, уменьшения мощности двигательного устройства.

По способу передачи движения от двигательного устрой­ ства к исполнительному органу машины различают приводы прямого действия (безредукторные) и приводы с передаточны­ ми (в большинстве случаев зубчатыми) механизмами.

Зубчатые механизмы передают вращение от одного вала другому и изменяют модуль и направление угловой скорости. Их называют также зубчатыми передачами, где с изменения­ ми угловой скорости одновременно меняется и вращающий мо­ мент на ведомых валах. В зубчатых передачах осуществляется контакт боковых поверхностей специально спрофилированных зубьев. Давление зубьев вращающегося ведущего колеса пере­ дается зубьям ведомого колеса, при этом осуществляется его вращение.

Зубчатые механизмы, в которых происходит уменьшение угловых скоростей при передаче движения от входного звена к выходному, называют понижающими передачами, или ре­ дукторами. Зубчатые механизмы, в которых увеличиваются угловые скорости, называют повышающими передачами или мультипликаторами. В машиностроении значительно чаще

возникает необходимость понижения скорости, т.е. использо­ вания редуктора, поэтому расчету и проектированию редукто­ ров уделяется особое внимание. Требования, которым должен удовлетворять зубчатый редуктор, заключаются в получении необходимых передаточных отношений (часто очень больших) при высоких показателях качества, каковыми являются КПД, кинематическая точность, крутильная жесткость, при возмож­ но малых габаритных размерах, массе и высокой надежности редуктора.

10.2. Строение и классификация зубчатых механизмов

Зубчатые механизмы по геометрическому признаку под­ разделяют на плоские и пространственные. В плоских зуб­ чатых механизмах оси вращения параллельны и все звенья вращаются в параллельных плоскостях. В пространственных зубчатых механизмах оси вращения звеньев пересекаются или перекрещиваются. В соответствии с признаком расположения осей вращения зубчатых колес простые трехзвенные механиз­ мы можно разбить на следующие четыре группы.

1.Реечные механизмы, в которых одно из зубчатых зве­ ньев — зубчатая рейка.

2.Механизмы с параллельными осями вращения зубча­ тых колес, положение осей вращения которых определяется межосевым расстоянием aw.

3.Механизмы с пересекающимися осями вращения зубча­ тых колес, относительное положение осей вращения которых определяется межосевым углом Е.

4.Механизмы со скрещивающимися осями вращения зуб­ чатых колес, относительное положение осей вращения кото­ рых определяется межосевым расстоянием aw и межосевым углом Е.

Внутри каждой из этих групп, кроме первой, можно выде­ лить две подгруппы, включающие схемы внешних и внутрен­ них зацеплений.

Схемы зубчатых зацеплений простых трехзвенных меха­ низмов с параллельными осями приведены на рис. 10.2. Вари­ анты зацеплений (рис. 10.2, а) основаны на схеме с цилиндри­ ческими колесами, имеющими линии зубьев в виде прямых,

Рис. 10.2

винтовых линий, дуг окружностей и двух винтовых линий правого и левого направлений. Для построения механизмов рассматриваемой группы можно использовать и более слож­

поверхностями и наклонными зубьями; на рис. 1 0 .2 , в — схема с цилиндрическими расчетными, но тороидальными делитель­ ными поверхностями зубьев арочной формы; на рис. 1 0 .2 , а — схемы червячных зацеплений с коническим и цилиндрическим червяками.

Многообразие возможностей построения кинематических схем зацеплений с пересекающимися осями проиллюстрирова­ но примерами на рис. 10.3, где Р — полюс зацепления. Вари­ анты а — г, е, к, л характеризуют подгруппу внешних кони­ ческих зацеплений, а варианты д, ж, з, и — подгруппу внут­ ренних зацеплений. Зацепление, изображенное на рис. 10.3, к, составлено из цилиндрического червяка и конического червяч­ ного колеса; зацепление, показанное на рис. 10.3, л, составлено из колес, имеющих конические расчетные, но тороидальные делительные поверхности.

Возможности построения простых трехзвенных механиз­ мов со скрещивающимися осями проиллюстрированы на рис. 10.4. Варианты а — в характеризуют соответственно вин­ товое зацепление, гипоидное зацепление с коническими колеса­ ми и гипоидную передачу с цилиндрическим и плоским колеса­ ми. Варианты г — з иллюстрируют возможности построения

Рис. 10.4

червячных зацеплений с различными по форме делительных поверхностей червяками. На рис. 10.4, г, ж показаны схемы червячных зацеплений с цилиндрическим и глобоидным червя­ ком, на рис. 10.4, д) е — спироидного зацепления с коническим и цилиндрическим червяком соответственно. Схема червячно­ го зацепления, составленного из плоского червяка и цилиндри­ ческого колеса с арочными зубьями, показана на рис. 10.4, з.

Передачу вращательного движения с заданным переда­ точным отношением осуществляют с помощью зубчатых, а иногда фрикционных механизмов. Представленные выше про­ стейшие зубчатые механизмы имеют постоянное значение пе­ редаточного отношения Щ2 = k>i/^2 - Иногда в технике ис­ пользуются зубчатые механизмы с переменным передаточным отношением. В простейшем виде они состоят из некруглых зубчатых колес.

По кинематическому признаку различают зубчатые меха­ низмы с неподвижными осями всех колес (рядовые передачи) и механизмы, оси отдельных колес которых перемещаются отно­ сительно стойки. Такие механизмы называют планетарными

и дифференциально-планетарными (зубчатыми дифференциа­ лами). Они могут иметь несколько звеньев, которые соеди­ няются с двигателями, другими механизмами, рабочими орга­ нами машины и неподвижными звеньями. Обычно механизм имеет одно ведущее звено, соединенное с двигателем непосред­ ственно или через другой механизм, одно ведомое звено, соеди­ ненное с рабочим органом, и неподвижное звено. Такой ме­ ханизм имеет одну степень подвижности. Дифференциальные механизмы имеют два и более ведущих или ведомых звеньев

— это механизмы с двумя и более степенями свободы.

Схемы планетарных механизмов с одной парой взаимодей­ ствующих колес показаны на рис. 10.5. Зубчатые передачи, в которых подвижны два звена, изображены на рис. 10.6. В диф­ ференциальном механизме подвижным должно быть третье звено — корпус, в котором располагаются опоры. Можно сде­ лать корпус (рис. 1 0 .5 , а) с геометрической осью вращения, со­ впадающей с осью вращения одного из колес, например колеса 2 . Ось колеса 1 при этом будет перемещаться в пространстве, оставаясь параллельной оси другого колеса (положения 1 \ 1 п).

Рис. 10.6

Это механизм с тремя подвижными звеньями, в котором, за­ давая движения двух звеньев, можно получить движение тре­ тьего звена. Сложность использования такого механизма за­ ключается в осуществлении связи звена 1 с ведущим или ведо­ мым валом передачи. Можно, например, расположить двига­ тель 4-> приводящий в движение колесо 1 , на звене 5.

Намного проще придать подвижность третьему звену в передаче с внутренним зацеплением. Схема механизма с по­ движным звеном 3 показана на рис. 10.5, б. Так как расстоя­ ние между осями е может быть небольшим, то сравнительно просто осуществить связь звена 1 с валом, геометрическая ось которого совпадает с осями двух других звеньев. Для этой це­ ли пригоден любой механизм передачи движения между парал­ лельными валами, например двойной универсальный шарнир 5 (рис. 10.5, в) или так называемый механизм параллельных кривошипов 6 (рис. 1 0 .5 , г, д).

Механизм, показанный на рис. 1 0 .5 , б, может быть исполь­ зован в качестве преобразователя вращательного движения в поступательное и наоборот. Для этого, например, к сателли­ ту присоединяют поступательно движущуюся штангу 7. Для осуществления передачи движения в этом механизме необхо­ димо выдержать соотношение делительных диаметров колес d2 /d\ = 2 (рис. 10.5, ж).

Колесо 1 с одним из выходных валов соединено при по­ мощи гибкого тонкостенного стакана (рис. 10.5, е). Колесо вы­ полнено также тонкостенным. Такую передачу называют вол­ новой.

По аналогии с приведенными выше схемами может быть

(рис. 10.5, и). Практически это можно осуществить, разместив один из двигателей на подвижном звене 3 .

Наиболее просто можно осуществить связь звена 1 с валом при помощи пары зубчатых колес, установленных, как показа­ но на рис. 1 0 .6 , а. Вращение колеса 1 в этом случае передается жестко связанному с ним колесу 4 и далее через зубчатое за­ цепление — на звено 5 .

На рис. 10.6, б показана схема, полученная соединением колеса 1 (см. рис. 10.5, б) со звеном 5 при помощи зубчатой пары. Конструктивно эта схема может быть упрощена при выполнении колес 1 и 4 одинакового диаметра и с одинаковым числом зубьев (рис. 1 0 .6 , в).

В рассмотренных схемах содержатся три звена, которые могут быть соединены с двигателями, рабочими органами и звеньями других механизмов. Эти звенья называют основны­ ми.. По числу основных звеньев механизмы называют трех­ звенными. Промежуточные зубчатые колеса называют сател­ литами.

10.3.Рядовые зубчатые механизмы

имеханизмы со ступенчато изменяющимися передаточными отношениями

Зубчатые механизмы приводов машин выполняют не только в виде элементарных зубчатых механизмов (пары зуб­ чатых колес) того или иного вида зацепления, но и в более сложных комбинациях, содержащих десятки, а иногда сотни зубчатых колес. При расчете и анализе такого рода механиз­ мов сталкиваются, как правило, с задачами двух видов, а имен­ но: с необходимостью выражения передаточного отношения или угловых скоростей через заданные числа зубьев колес и необходимостью определения чисел зубьев колес по заданным передаточным отношениям. Первая задача достаточно про­ ста; вторая же вызывает обычно затруднения вследствие бес­ численного множества решений, из которых следует выбрать

зубчатых колес. Перемножив почленно выражения простых передаточных отношений, получим

Отношение угловых скоростей первого и последнего валов сложной зубчатой передачи называют полным передаточным отношением механизма.

Полное передаточное отношение последовательного ря­ дового зацепления, как это следует из (1 0 .1 ), равно произве­ дению всех простых передаточных отношений. При ведущем вале 1 полное передаточное отношение равно отношению про­ изведений чисел зубьев всех ведомых зубчатых колес к произ­ ведению чисел зубьев всех ведущих зубчатых колес. Числа зу­ бьев для простых передаточных отношений (^12, U2з, •. •) вы­ бирают дробными, при этом каждый зуб входит в зацепление с различными зубьями другого колеса. Износ их поверхностей при этом более равномерный.

Полному передаточному отношению можно присвоить оп­ ределенный знак. Если в рядовом зацеплении т внешних и к —т внутренних зацеплений, то при переходе от одного вала передачи к другому происходит т раз изменение знака угло­ вой скорости. Таким образом, об окончательном знаке угловой скорости можно судить по числу т внешних зацеплений, т.е. по множителю (—1 )ш, вследствие чего полное передаточное от­

Если при подсчете иц. окажется отрицательным, то знак ми­ нус покажет, что последнее колесо вращается противоположно первому.

Последовательное рядовое зацепление называют рядом с промежуточными колесами, если на каждом из валов закреп­ лено по одному колесу, входящему одновременно в зацепление с колесами на предыдущем и последующем валах (см. рис. 1 0 .8 ). Полное передаточное отношение такого ряда можно получить из (1 0 .2 ), приняв Z2 = z2, Z3 = z'3, Z4 = z\ и т.д.,

Последнее выражение показывает, что промежуточные ко­ леса не влияют на передаточное отношение, однако их включе­ ние может изменить знак передаточного отношения. Если чис­ ло промежуточных колес четное, то знак передаточного отно­ шения будет такой же, как если бы колеса z-\ и z зацеплялись непосредственно. При нечетном числе таких колес знак пере­ даточного отношения меняется на противоположный. Переда­ точное отношение таких зубчатых механизмов можно опреде­ лить графически с использованием метода планов скоростей (см. § 3.7). Треугольники скоростей можно построить, если известны по модулю и направлению линейные скорости не менее двух точек звена. Построив треугольники скоростей 0 \А!В'С'О^ (см. рис. 1 0 .8 , а, ломаная линия), будем иметь на­ глядное представление о характере изменения скоростей от од­ ного вала к другому. Угловую скорость любого зубчатого ко­ леса, согласно формуле (3.43), можно определить так:

Тогда передаточное отношение всего механизма

или в общем случае

tg -01

ulk

ЧФк

Знак передаточного отношения определяется знаками тан­ генсов соответствующих углов ф.

Промежуточные зубчатые колеса применяют в тех случа­ ях, когда расстояние между первым и последним валом велико и непосредственно зацепляющиеся колеса увеличивают габа­ ритные размеры механизма, или же в тех случаях, когда нуж­ но соответственно изменить направление вращения последнего вала. В качестве примера, иллюстрирующего последнее требо­ вание, можно указать на трензель (рис. 10.9), применяемый в токарных станках. Поворотом рукоятки а может быть включе­ но одно (zi) или два (z2 и 2 3 ) промежуточных колеса. В соот­ ветствии с этим направление вращения вала 4 будет совпадать

Рис. 10.9 Рис. 10.10

или будет противоположным вращению вала 1. Пунктиром по­ казано положение колес трензеля, при котором включено одно промежуточное колесо и направления вращения валов 1 к 4 совпадают.

Последовательное рядовое зацепление может быть постро­ ено не только из цилиндрических зубчатых колес, но и из кони­ ческих или может представлять собой смешанную передачу, в которую включены зубчатые колеса, передающие вращатель­ ное движение между параллельными и непараллельными ва­ лами.

Последовательное рядовое зацепление, составленное из ко­ нических зубчатых колес, показано на рис. 10.10. Полное пере­ даточное отношение, как и в предыдущем случае, равно про­

Для рядового зацепления, включающего в себя кониче­ ские зубчатые колеса, знак передаточного отношения не имеет смысла, если оси первого и последнего колес не параллельны. При наличии конических колес направление вращения послед­ него вала следует определять при помощи стрелок так, как это показано на рис. 10.10. Если первый и последний валы кони­ ческой передачи параллельны, то при совпадении направлений стрелок для первого и последнего колес передаточное отноше­ ние положительно.

При совпадении направлений осей первого и последнего колес последовательного рядового зацепления ряд называют возвратным (рис. 10.11, а, б и в), а передачу — соосной. Воз­ вратный ряд широко применяют в металлорежущих станках.

Возвратный ряд может быть составлен как из цилиндри­ ческих, так и из конических колес. Схема возвратного ряда из конических колес с одним промежуточным колесом показана на рис. 1 0 .1 1 , в.

Возвратный ряд зубчатых колес применяют в редукторах, многоскоростных зубчатых передачах, планетарных и дру­ гих механизмах. Если ведомый вал эпизодически требуется вращать с различными угловыми скоростями при неизменной угловой скорости ведущего вала, то применяют многоскорост­ ные зубчатые механизмы с неподвижными осями колес, назы­ ваемые коробками скоростей.

Зубчатые передачи и планетарные механизмы применяют не только в качестве редукторов (мультипликаторов) с посто­ янным передаточным отношением, но и как многоскоростные зубчатые передачи (коробки скоростей), где осуществляется ступенчатое изменение передаточного отношения (рис. 1 0 -1 2 ).

Многоскоростная зубчатая передача (механизм) с непо­ движными осями — зубчатая передача с несколькими (чаще двумя) валами, с помощью которой получают несколько пере­ даточных отношений между ведомым и ведущим валами* Пе­ редаточные отношения рядовых зацеплений, включенных в та­ кую передачу, определяются теми угловыми скоростями, кото­ рые должен иметь ведомый вал.

Рис. 10.11

На практике применяется большое количество многоско­ ростных зубчатых передач, отличающихся одна от другой ко­ личеством валов, возможных передаточных отношений и неко­ торыми конструктивными особенностями. На рис. 10.12 при­ ведены схемы двухвальных (1 0 .1 2 , а, б, в, д) и трехвальной (1 0 .1 2 , г) многоскоростных зубчатых передач.

На валу 1 (см. рис. 10.12, а) установлены зубчатые колеса 5, которые могут свободно вращаться, а на валу 2 закрепле-

Рис. 10.12

ны зубчатые колеса 3. При перемещении штока 4 загДелка 6 зацепляется поочередно с колесами 5. Колесо, с которым за­ цепляется защелка, вращается вместе с валом 1, и в передаче движения участвует зубчатая пара 5 — 3. Перемещая шток 4,

можно заставить вращаться с валом 1 другое зубчатое колесо и получить иное передаточное отношение.

На валу 2 (см. рис. 10.12, 6) жестко установлено кониче­ ское колесо с несколькими зубчатыми венцами 7. Зубчатые венцы различаются числом зубьев. Шестерню 8 перемещают вдоль вала 1, вводя в зацепление с тем или иным венцом. Для удобства переключения с одного режима на другой предусмот­ рено перемещение шестерни 8 в положение, где зубья или впа­ дины зубчатых венцов 7 совпадают.

В схеме на рис. 10.12, в оси валов 1 и 2 параллельны. Ко­ лесо 11 перемещают вдоль вала 1 и через промежуточную ше­ стерню 9 вводят в зацепление с одним из колес, установлен­ ных на валу 2. Ось промежуточной шестерни 9 размещена в поворотной каретке 10. Путем поворота каретки получают требуемое расстояние между осью шестерни 9 и осью вала 2.

На каждом режиме (см. рис. 10.12, а — б) участвуют в зацеплении зубчатые колеса с разными числами зубьев, благо­ даря чему получаются различные передаточные отношения.

На рис. 10.12, г приведена кинематическая схема трехвальной многоскоростной передачи с двумя блоками а и b зуб­ чатых колес, связанных с валами I и III при помощи сколь­ зящих шпонок. При различных положениях блоков на валах возможны следующие зацепления зубчатых колес: ziz^; z'jZ^,

Взависимости от положения блоков а и 6 можно получить девять различных передаточных отношений, поэтому при од­ ной и той же угловой скорости вала 1 вал 3 может иметь де­ вять различных значений угловых скоростей, укладывающих­ ся в ряд с заданной закономерностью.

Вкоробке скоростей (рис. 1 0 .1 2 , д) осуществляется связь между зубчатыми колесами, закрепленными на ведущем ва­ лу 0\0\ и зубчатыми колесами, закрепленными на шпоноч­ ном или шлицевом ведомом валу 02^2- Перемещая блок ше­

стерен с зубчатыми колесами 4> 6 с помощью механизма « заскакивающей шпонки » или винтовыми механизмами мож­ но осуществить зацепление зубчатых колес 1 — 2 — 5 или 3 — 6 и получить различные передаточные отношения и угло­ вую скорость ведомого вала U2 .