4. Основные виды механических передач.

Механической передачей называют устройство для передачи механического движения от двигателя к исполнительным органам машины. Может осуществляться с изменением значения и направления скорости движения, с преобразованием вида движения. Необходимость применения таких устройств обусловлена нецелесообразностью, а иногда и невозможностью непосредственного соединения рабочего органа машины с валом двигателя. Механизмы вращательного движения позволяют осуществить непрерывное и равномерное движение с наименьшими потерями энергии на преодоление трения и наименьшими инерционными нагрузками.

Механические передачи вращательного движения делятся:

По способу передачи движения от ведущего звена к ведомому на передачи трением (фрикционные, ременные) и зацеплением (цепные, зубчатые, червячные);

По соотношению скоростей ведущего и ведомого звеньев на замедляющие (редукторы) и ускоряющие (мультипликаторы);

По взаимному расположению осей ведущего и ведомого валов на передачи с параллельными , пресекающимися и перекрещивающимися осями валов.

Зубчатой передачей называется трехзвенный механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми колесами, или колесо и рейка с зубьями, образующими с неподвижным звеном (корпусом) вращательную или поступательную пару.

Зубчатая передача состоит из двух колес, посредством которых они сцепляются между собой. Зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называют шестерней , с большим числом зубьев – колесом .

Планетарными называются передачи, содержащие зубчатые колеса с перемещающимися осями. Передача состоит из центрального колеса с наружными зубьями, центрального колеса с внутренними зубьями, водила и сателлитов. Сателлиты вращаются вокруг своих осей и вместе с осью вокруг центрального колеса, т.е. совершают движение, подобное движению планет.

Червячная передача применяется для передачи вращения от одного вала к другому, когда оси валов перекрещиваются. Угол перекрещивания в большинстве случаев равен 90º. Наиболее распространенная червячная передача состоит из так называемого архимедова червяка , т.е. винта, имеющего трапецеидальную резьбу с углом профиля в осевом сечении, равным двойному углу зацепления (2α = 40), и червячного колеса.

Волновые механические передачи

Волновая передача основана на принципе преобразования параметров движения за счет волнового деформирования гибкого звена механизма.

Волновые зубчатые передачи являются разновидностью планетарных передач, у которых одно из колес гибкое.

Передачи, работа которых основана на использовании сил трения, возникающих между рабочими поверхностями двух прижатых друг к другу тел вращения, называют фрикционными передачами .

Ременная передача состоит из двух шкивов, закрепленных на валах, и охватывающего их ремня. Ремень надет на шкивы с определенным натяжением, обеспечивающим трение между ремнем и шкивами, достаточное для передачи мощности от ведущего шкива к ведомому.

В зависимости от формы поперечного сечения ремня различают: плоскоременную, клиноременную и круглоременную

Цепная передача состоит из двух колес с зубьями (звездочек) и охватывающей их цепи. Наиболее распространены передачи с втулочно-роликовой цепью и зубчатой цепью Цепные передачи применяются для передачи средних мощностей (не более 150 кВт) между параллельными валами в случаях, когда межосевые расстояния велики для зубчатых передач.

Передача винт-гайка служит для преобразования вращательного движения в поступательное. Широкое применение таких передач определяется тем, что при простой и компактной конструкции удается осуществить медленные и точные перемещения.

В авиастроении передача винт-гайка используется в механизмах управления самолетом: для перемещения взлетно-посадочных закрылков, для управления триммерами, поворотными стабилизаторами и др.

К преимуществам передачи относятся простота и компактность конструкции, большой выигрыш в силе, точность перемещений.

Недостатком передачи является большая потеря на трение и связанный с этим малый КПД.

Кулачковые механизмы (рис. 2.26) по широте применения уступают только зубчатым передачам. Их используют в станках и прессах, двигателях внутреннего сгорания, машинах текстильной, пищевой и полиграфической промышленности. В этих машинах они выполняют функции подвода и отвода инструмента, подачи и зажима материала в станках, выталкивания, поворота, перемещения изделий и др.

Устройства, предназначенные для передачи мощности двигателя исполнительными органами машин, называются передаточными механизмами или механическими передачами.

Механические передачи позволяют понижать (повышать) скорость, осуществлять ступенчатое или бесступенчатое регулирование ее в широком диапазоне, изменять направление движения, преобразовывать один вид движения в другой, приводить в движение несколько механизмов от одного двигателя.

Типы механических передач LEGO «Technic»:

v зубчатые (цилиндрические, конические, червячная, реечная, планетарная);

v с гибкими элементами (цепные, ременные);

По способу передачи движения:

v движение с вала на вал передается за счет сил трения (ременные, червячные, фрикционные);

v движение передается зацеплением (зубчатые, цепные, с зубчатыми ремнями, червячные).

Рассмотрим принцип работы механической передачи. Будем условно называть пару, осуществляющую вращательное движение, колесами. Колесо, от которого передается вращение, принято называть ведущим, а колесо, получающее движение — ведомым.

Зная число оборотов в минуту ведущего колеса, мы можем определить число оборотов ведомого колеса.

Число оборотов ведомого колеса зависит от соотношения диаметров соединенных колес. Если диаметры обоих колес будут одинаковы, то и колеса будут крутиться с одинаковой скоростью. Если диаметр ведомого колеса будет больше ведущего, то ведомое колесо станет крутиться медленнее, и наоборот, если его диаметр будет меньше, оно будет делать больше оборотов (рис 211).

Рис. 211 Зависимость числа оборотов от диаметров колес

В LEGO «Technic» для моделей используются электродвигатели. Главная причина этого заключается в том, что электрический двигатель компактен, постоянно готов к работе и преобразовывать электрическую энергию в механическую может до тех пор, пока к нему подводится напряжение (подробнее о различных электродвигателях LEGO «Technic» будет рассмотрено в § 26).

Каждый двигатель имеет свою механическую мощность (N ), специфичную для конкретного типа двигателя. Важно то, что механическая мощность двигателя зависит от двух величин: угловой скорости и крутящего момента.

Угловая скорость (ω ) – это число оборотов вала двигателя, производимое в течение заданного интервала времени. В LEGO механизмах угловая скорость вращающихся осей двигателя преобразуется в линейную скорость транспортного средства. Единицы измерения угловой скорости — обороты в минуту (обороты в секунду). Различные типы двигателей LEGO имеют различные значения угловых скоростей, с менее чем 20 оборотами в минуту до более 1000 оборотов в минуту.

Крутящий момент (M ) – это сила, с которой приводной вал вращается. Чем выше крутящий момент, тем труднее остановить приводной вал. Поэтому двигатели, которые предлагают высокий крутящий момент, как правило, предпочтительнее, поскольку они могут приводить в движение тяжелые транспортные средства или более сложные механизмы, чем двигатели с низким крутящим моментом (чем больше вращающий момент, тем мощнее двигатель). Единица измерения вращательного момента в LEGO моторах – Н·см (произведение Ньютон на сантиметр). Значение вращающего момента у моторов LEGO «Technic» колеблется от 0,5 до 16,7 Н·см.

Механическая мощность в некотором упрощении — это произведение крутящего момента и угловой скорости.

механическая мощность = крутящий момент × угловая скорость

Мощность двигателя при нормальной скорости вращения есть величина постоянная, поэтому M = N / ω , т.е. крутящий момент двигателя обратно пропорционален угловой скорости вала двигателя.

В практических расчетах зависимость между мощностью, скоростью вращения вала и крутящим моментом на валу определяется для электродвигателей формулой: М=5,8N/n, М – крутящий момент на валу, N — мощность, n — скорость вращения вала.

Таким образом, для того чтобы при той же мощности двигателя, которой мы располагаем, увеличить крутящий момент, надо снизить скорость вращения вала. Сделать это можно с помощью специальных механизмов, называемых редукторами (от английского слова reduce – уменьшать, понижать).

Механизмы, предназначенные для увеличения скорости, а, следовательно, и для уменьшения крутящего момента на валу, называются мультипликаторами (multiplication – умножение, увеличение).

Рассмотрим модель колесного робота – мы хотим, чтобы он был легким и быстрым. Так как легкому роботу не требуется большого крутящего момента для перемещения, то мы можем преобразовать скорость вращения вала двигателя за счет использования пары зубчатых колес. Используя выше приведенное правило, нам необходимо на вал двигателя поставить шестерню большего диаметра (ведущая шестерня), а в качестве ведомой использовать шестерню меньшего диаметра, при этом мы уменьшим крутящий момент и увеличим скорость.

Вопрос: как измениться крутящий момент и скорость, если в качестве ведущего колеса использовать шестерню меньшего диаметра, чем у ведомой шестерни?

Зубчатой передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством зубчатых колес и реек.

Рис. 212 Зубчатые передачи

Количество зубьев на зубчатых колесах может быть разным. Самое малое число зубьев – шесть. Зубчатые колеса с таким числом зубьев назывались шестеренками. Позже это название стало применяться ко всем зубчатым колесам с любым количеством зубьев.

Рис. 213 Примеры крепления зубчатых колес с балками

Итак, зубчатая передача может:

v передавать вращательное движение;

v изменять число об/мин;

v увеличивать или уменьшать силу вращения;

v менять направление вращения.

В зависимости от формы колес и их взаимного расположения различают следующие виды зубчатых передач : цилиндрическая, коническая, червячная, реечная, планетарная.

Цилиндрическая передача состоит из двух или нескольких цилиндрических колес установленных на параллельных валах.

Рис. 215 Цилиндрическая передача

Коническая передача состоит из двух конических колес, находящихся на двух валах, оси которых пересекаются. Угол пересечения может быть любой, но обычно он равен 90º.

Рис. 216 Коническая передача

Червячная передача (зубчато-винтовая передача) — механическая передача, осуществляющаяся зацеплением червяка и сопряжённого с ним червячного колеса. Червячная передача применяется для перекрещивающихся, но не пересекающихся валов. Червячная передача состоит из винта (червяка) и зубчатого колеса.

Рис. 217 Червячная передача

Червячная передача обладает рядом уникальных свойств. Во-первых, она может быть использована только в качестве ведущего зубчатого колеса, и никак не может быть ведомой шестерней. Это очень удобно для механизмов, которые нужны для поднятия и удержания груза без нагрузки на двигатель. Существует много возможных применений этого свойства червячной передачи, например, во многих видах подъемных кранов и погрузчиков, железнодорожных барьеров, разводных мостах, лебедках. Очень широко червячная передача LEGO используется в конструкции захвата для робота-манипулятора.

Во-вторых, характерной особенностью червячной передачи является то, что она имеет большое передаточное отношение. Поэтому червячные передачи используются как понижающее всякий раз, когда есть очень высокий крутящий момент.

Вывод: червячная передача имеет ряд преимуществ:

v Занимает мало места.

v Имеет свойство самоторможения.

v Во много раз снижает число об/мин.

v Увеличивает силу привода.

v Изменяет направление вращательного движения на 90°.

Реечная передача – механическая передача, преобразующая вращательное движение зубчатого колеса в поступательное движение рейки и наоборот. Рейку можно рассматривать как вытянутую в прямую линию окружность большого зубчатого колеса.

Следует отметить, что существует в наборах LEGO коронная шестерня и шестерни с внутренним зацеплением.

Коронная шестерня — это особый тип шестерен, их зубья находятся на боковой поверхности. Такая шестерня работает, как правило, в паре с прямозубой шестерней.

Рис. 220 Соединения короной шестерни и цилиндрических колес с 8 и 24 зубьями

Шестерни с внутренним зацеплением имеют зубья, нарезанные с внутренней стороны. При их использовании происходит одностороннее вращение ведущей и ведомой шестерен. В данной зубчатой передаче меньше затрат на трение, а значит выше коэффициент полезного действия*. Применяются зубчатые колеса с внутренним зацеплением в ограниченных по габаритам механизмах, в планетарных передачах, в приводе робота манипулятора.

Рис. 221 Шестерня с внутренним зацеплением

Особенность шестерни с внутренним зацеплением LEGO — наличие зубьев на внешней стороне, поэтому ее можно использовать в передачах как цилиндрическое колесо с 56 зубьями.

Рис. 222 Способы соединения колеса с внутренним зацеплением с цилиндрической шестерней, колесом с короной и «червяком»

Рис. 223 Способ соединения колеса с внутренним зацеплением с мотором

Планетарная передача (дифференциальная передача) — механическая система, состоящая из нескольких планетарных зубчатых колёс (шестерён), вращающихся вокруг центральной, солнечной, шестерни. Обычно планетарные шестерни фиксируются вместе с помощью водила. Планетарная передача может также включать дополнительную внешнюю кольцевую (коронную) шестерню, имеющую внутреннее зацепление с планетарными шестернями.

Такая передача нашла широкое применение, например, она используется в кухонной технике или автоматической коробке передач автомобиля.

Основными элементами планетарной передачи можно считать следующие:

v Солнечная шестерня: находится в центре;

v Водило: жёстко фиксирует друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён (сателлитов) одинакового размера, находящихся в зацеплении с солнечной шестерней;

v Кольцевая шестерня: внешнее зубчатое колесо, имеющее внутреннее зацепление с планетарными шестернями.

Рис. 224 Пример планетарной передачи: водило неподвижно, солнце ведущее, корона ведомая

В планетарной передаче крутящий момент передается с помощью каких-либо (в зависимости от выбранной передачи) двух ее элементов, из которых один является ведущим, второй — ведомым. Третий элемент при этом неподвижен (таблица 8).

Таблица 8. Элементы планетарной передачи