Чтобы переварить знания, их надо поглощать с аппетитом.

Чтобы переварить знания, их надо поглощать с аппетитом. А. Франс Одно и то же время нельзя потерять дважды, как, впрочем, и приобрести. Воля – это желание в действии. В. Аграновский 1

Передача и преобразование движения. Введение. Общие сведения о передачах. 2

3

4

Привод – устройство, приводящее в действие (движение) машину или механизм. Привод включает в себя : *источник энергии – двигатель, или устройство, отдающее накопленную заранее механическую энергию, или источник мускульной силы; *системы управления для приведения в действие и отключение механизмов машины; *передаточные устройства или трансмиссии. 5

По характеру распределения энергии машинные приводы общего назначения различают: * групповой – от одного двигателя посредством последовательного включения передач приводится в движение несколько потребителей; * одномоторный (индивидуальный) - каждая рабочая машина имеет собственный двигатель с передачей (чаще – электродвигатель, реже – пневмодвигатель); * многодвигательный - каждый отдельный потребитель в составе машины приводится в движение самостоятельным двигателем через свою систему передач (дизель – электрический, дизель – гидравлический). 6

По типу двигателей различают приводы: *электрические; *с двигателями внутреннего сгорания; *с паровыми двигателями; *гидродвигатели; *пневмодвигатели. (В зависимости от расположения механизмов привода в пространстве, с горизонтальными или вертикальными тихоходными валами, конструируются элементы передач и выбирается тип и исполнение двигателя. ) 7

Особая группа объединяет приводы, в которых используют встраиваемые двигатели или передачи (мотор-редукторы, мотор-колёса и т. д. ) Трансмиссиями называются устройства для передачи мощности и движения от энергетической установки или источника энергии нескольким потребителям - это рабочие органы, исполнительные механизмы, движители. 8

Силовой привод и трансмиссии могут быть механические: карданные, зубчатые, цепные, ремённые, фрикционные, шарнирно-рычажные и т. п. ; электрические; гидравлические: гидрообъёмные и гидродинамические; пневматические; комбинированные: гидромеханические и электромеханические с электромагнитными и электронными элементами. 9

Функции привода: обеспечить передачу движения и мощности рабочему органу машины в условиях преодоления им внешних сопротивлений; иметь необходимую приспособляемость к изменению сопротивления внешней среды, определяемую как жёсткость механической характеристики (зависит от типа двигателя): f = d. T/dω, если d. T > dω (изменение силового режима быстрее чем изменение скорости , т. е. быстрое реагирование привода на сопротивление внешней среды) - жёсткий привод, если d. T < dω – мягкий привод. 10

обеспечить надёжность и стабильность работы в эксплуатационном режиме: *в зависимости от амплитудной характеристики: Тmax/Тср, *продолжительности включений (ПВ), *количества включений за каждый час работы машины(КВ). (Различают: лёгкий режим работы (Л) – ПВ = 15… 20%, КВ < 60; средний (С) – 25… 40%, КВ = 60… 120; тяжёлый (Т) – 40… 60%, КВ = 120… 240; весьма тяжёлый ПВ = 60… 80%, КВ = 240… 480. ) 11

Механические трансмиссии состоят из силовых передач – механизмов для транспортирования механической энергии часто с её одновременным преобразованием из одной формы в другую. 12

Передачи призваны исполнять ряд функций, главные из которых являются: 13

*понижение или повышение скорости на рабочем органе; *повышение или понижение крутящего момента; *изменение плоскости движения; *изменение траектории или характера движения; *реверсирование (изменение направления движения); *суммирование или разделение движений и моментов от нескольких двигателей к рабочим органам; *предохранение деталей и сборочных узлов машины от поломок при перегрузках на рабочем органе. 14

Структура и классификация механизмов. 15

Механизм – совокупность физических тел связанных между собой определённостью относительного движения; в отличии от машины, предназначен для переноса и преобразования движения; является кинематической основой любой машины и имеет самостоятельное применение в тех случаях, когда основным является не работа и силовое влияние, а преобразование и перенос движения (механизмы приборов, часовой механизм и т. п. ). 16

Твердые тела, из которых образуется любой механизм, называются звеньями. Каждое звено может состоять из одной или нескольких деталей, образующих геометрически неизменяемое целое с помощью соединений (сборки). В составе звена его составные части не должны иметь и свободного движения. (Примером может быть колесо автомобиля, которое состоит из нескольких деталей, не имеющих относительного взаимного перемещения). 17

18

Все неподвижные детали машины или механизма, относительно которых рассматривается движение подвижных звеньев, образуют одно неподвижное звено и называется стойкой (корпус двигателя, станина станка). Подвижные звенья соединяются друг с другом или со стойкой так, что имеется возможность их взаимного относительного движения, обусловленное формой соприкасающихся элементов звеньев (поверхностей, линий и точек). 19

В зависимости от того, сколько у звена имеется элементов, различают простые, двойные, тройные и т. д. звенья. В зависимости от назначения механизма звенья имеют функциональные названия: кривошип, шатун, коромысло, поршень, шток, ползун, кулачок, толкатель, колесо зубчатое, водило, сателлит, траверса, коленчатый вал и т. д. 20

Звенья могут быть входными и выходными, ведущими и ведомыми, начальными и промежуточными. Входное звено – звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение выходного звена. Выходное звено – звено, совершающее движение, для которого предназначен механизм. 21

Звено называется ведущим (присваивается индекс 1) в том случае, если мощность приложенных к нему внешних сил положительна. Если мощность отрицательна или равна нулю, то звено называется ведомым (присваивается индекс 2). (В конкретных механизмах входное звено может быть ведущим и ведомым на отдельных этапах движения в зависимости от приложенных сил и моментов сил. Например, вал двигателя в режимах разгона и торможения. ) 22

Первым этапом образования механизмов является соединение двух звеньев. Совокупность двух элементов, принадлежащих различным звеньям при подвижном их соединении называется кинематической парой. Поверхности элементов кинематической пары, обеспечивающие заданный закон движения, называются сопряженными поверхностями. По характеру соприкосновения звеньев различают низшие и высшие кинематические пары. 23

В низших парах соединяемые звенья соприкасаются поверхностями конечных размеров: 1 2 3 4 5 1. вращательная КП (шарнир); 2. поступательная КП (ползун); 3. вращательно – поступательная КП; 4. винтовая КП; 5. шаровая КП. 24

В высших кинематических парах соединения соприкасаются точкой или по линии (шарик в подшипнике, колесо и рельс, кулачок и толкатель и т. п. ). Низшие пары обладают свойством обратимости, когда подвижные и неподвижные звенья можно поменять местами, при этом форма траектории любой точки подвижного звена не изменится. Высшие пары необратимы. 25

По характеру относительного движения звеньев различают плоские и пространственные кинематические пары. (Траектории всех точек звеньев плоских пар лежат в одной плоскости. Для точек звеньев пространственных пар траектории будут пространственными кривыми). По числу налагаемых на относительное движение условий связи установлено пять классов кинематических пар, исходя из пространственного движения звеньев: 26

Класс пары Обозначение Число Макетный налагаемых степеней пример условий связи свободы I p 1 5 II p 2 4 Шаровой III p 3 3 шарнир Цилиндрическая IV p 4 2 пара V p 5 1 27

Соединение звеньев, последовательно или разветвлено, с помощью кинематических пар, называется кинематической цепью. По характеру движения различают плоские и пространственные кинематические цепи. (В плоских все точки звеньев движутся в одной или параллельных плоскостях. В пространственных – точки звеньев описывают пространственные кривые или плоские кривые в непараллельных плоскостях). 28

В технике, за редким исключением (например коромысловые весы), применяют замкнутые кинематические цепи, когда последнее звено образует пару с первым. Звенья замкнутых цепей ограничивают движения по отношению друг к другу и относительно стойки, поэтому, при условии одного закреплённого звена замкнутая кинематическая цепь обладает определённым числом свободы и степенью подвижности: 29

W = 3 n – 2 p 5 – p 4 – 3 : Структурная формула плоских шарнирных механизмов, где n – число не связанных звеньев имеющих 3 n – степень свободы; p 5 - число плоских кинематических пар V класса (цилиндрических шарниров), соединяющих звенья в замкнутую кинематическую цепь, каждый из которых отнимает две степени свободы; p 4 - число цилиндрических вращательно – поступательных пар. 30

В практике машиностроения наибольшее распространение получили кинематические цепи единичной степени подвижности. Чтобы звенья цепи обладали вполне определённым движением относительно стойки, необходимо задать движение одному звену, называемого начальным (оно может быть ведущим или ведомым). Число начальных звеньев в механизме должно быть равно числу степеней подвижности кинематической цепи относительно стойки. 31

32

Механизм – замкнутая кинематическая цепь, в которой, при обращении одного из звеньев в стойку, заданному движению одного или нескольких звеньев соответствует определённое движение каждого из остальных звеньев. Так как при закреплении разных звеньев абсолютное движение остальных звеньев будет изменятся, то из одной кинематической цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев. 33

На рисунке изображены конструктивная и кинематическая схемы механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, состоящего из корпуса (стойки) 1, ползуна (поршня) 2, шатуна 3 и кривошипа 4. Он имеет в своем составе три подвижных звена 2, 3, 4 и одно неподвижное 1 (корпус). В данном механизме возвратно-поступательное движение звена 2 в цилиндре преобразуется во вращательное движение звена 4 (коленчатого вала). 34

Классификация механизмов по геометрическим и конструктивным признакам. 35

1. Рычажные, звенья 1, 2, 3, … образуют только вращательные, поступательные, цилиндрические или сферические кинематические пары. 36

2. Зубчатые, в которых зубчатые колеса 1, 2 образуют вращательные или поступательные пары. 37

3. Кулачковые, в состав которых входит кулачок с переменной кривизной профиля и толкатель, образующий пару с поверхностью кулачка. 38

4. Фрикционные, в которых передача движения осуществляется силами трения. 39

5. Механизмы с остановками выходного звена (2). Мальтийские механизмы 40

5. Механизмы с остановками выходного звена. Храповые механизмы 41

По функциональному назначению и скорости исполнительного звена механизмы классифицируют: 1. механизмы с постоянным передаточным отношением (зубчатые, ременные, червячные, фрикционные и др. ). 2. механизмы со ступенчато изменяющимся передаточным отношением (коробки перемены скоростей, ступенчатые ременные и цепные передачи и др. ). 3. механизмы для сообщения возвратно-поступательного движения с постоянной скоростью 4. механизмы для движения с остановками исполнительного органа (кулачковые, мальтийские, анкерные, храповые и др. ). 5. механизмы различного специального назначения (захватов, систем управления, реверсивные и др. ). 42

6. Кроме перечисленных, следует назвать ещё механизмы с гибкими связями. 43

Передачи вращательного движения. 44

Передачи вращательного движения наиболее распространены по сравнению с возвратно-поступательным. В последнем случае имеют место потери времени на холостые ходы, а также большие динамические нагрузки, связанные с изменением направления движения, когда возникают значительные ускорения движущихся масс деталей. Это ограничивает увеличение рабочих скоростей машин). 45

Передачи вращательного движения классифицируют: - по физическим условиям передачи движения: трением (фрикционные, ремённые, канатные); зацеплением звеньев (винтовые, цепные, цевочные, зубчатые, червячные, волновые); 46

- по способу соединения ведущего и ведомого звеньев: с промежуточным звеном и с непосредственным касанием 47

Трансформация и транспортирование вращательного движения. 48

Машины с разнообразным движением рабочего органа имеют переменный силовой и скоростной режимы привода, которые изменяются вручную или автоматически и определяются параметрами и кинематикой механических передач. 49

Передача F 1 или T 1, N 1 F 2 или T 2, N 2 v 1 или ω1(n 1) движения v или ω (n ) 2 2 1 Ведущее Передача 2 Ведомое звено (кинематическая звено пара) Вход движения * * Выход движения Преобразование параметров движения: i 12, η 12 50

Каждая передача характеризуется параметрами: внешними или основными, - это силовые: сила (F, H) или момент (T, Hм), мощность (N, к. Вт); и скоростные: линейная (v, м/с), или угловая (ω, 1/с) скорости (частота вращения – n, 1/мин) звеньев и внутренними или производными – это степень и качество преобразования последних: *передаточное число или отношение (i 12) и *коэффициент полезного действия (η 12). 51

Что такое передаточное отношение? Немного теории… 52

Как известно, линейная скорость любой максимально удалённой от центра вращения точки определяется: v = ωR = ωD/2 = (πn/30)(D/2) – называется окружной скоростью. 53

Для точки соприкосновения двух звеньев (передачи движения) при отсутствии скольжения мгновенная скорость равна окружным скоростям обоих звеньев: v. С = v 1 = v 2. 54

Отсюда отношение параметров ведущего и ведомого звеньев : ω1/ω2 = n 1/n 2 = D 2/D 1 = R 2/R 1 = i 12 – передаточное число (передаточное отношение). 55

Передаточному числу приписывается знак в зависимости от направления угловых скоростей: - - i 12 – направление вращений в разные стороны, - + i 12 – вращение в одну сторону. 56

ЗАДАНИЕ Пусть задано межцентровое расстояние (aω= R 1 + R 2) и передаточное число (i 12 = R 2 /R 1 ) Определить радиусы колёс имеющих внешнее зацепление по вариантам: 57

Сводная таблица Вариант1 Вариант2 Вариант3 Вариант4 аω 300 400 550 600 i 12 3 4 3 R 1 75 80 110 150 R 2 225 320 440 450 Алгоритм расчёта: R 2 /R 1= i или R 2 = i. R 1 ; aω = (R 1 + R 2)= (R 1 + i. R 1)= R 1(1+ i), откуда R 1 = aω/(1+i) и R 2 = aω – R 1 * 58

Как было сказано выше, передачи предназначены для передачи энергии (мощности) и преобразования движения (скоростей и моментов). При передаче часть энергии теряется на преодоление сил «вредного» сопротивления (трение, сопротивление среды, жёсткость промежуточных связей, силы инерции). 59

Эти потери мощности в кинематических парах (передачах, целых механизмах и даже машинах) учитывает …? 60

…ПРАВИЛЬНО, …механический КПД (ηм) - безразмерная (относительная) величина полезно использованной работы (WQ), которая показывает, какая часть движущей силы (P) в долях единицы или в процентах используется полезно: ηм = WQ/WP = NQ/NP = NPO/NДв < 1, 61

где Q – силы технологических (полезных) сопротивлений, а P – движущая сила энергетической установки, затрачиваемая на преодоление «полезных» и «вредных» сопротивлений : WP = WQ + WF , где WF ≥ 1 – работа сил «вредных» сопротивлений. 62

Учитывая, что N = Tω – мощность вращательного движения, то η 12 = N 2/N 1 = T 2ω2/T 1ω1 = T 2/T 1 i 12. Отсюда T 2 = ηст i 12 T 1 - момент вращения на ведомом звене с учётом потерь в кинематической паре, [Нм] 63

Многоступенчатые передачи. 64

65

Для получения больших передаточных чисел применяют так называемую кратную, или многоступенчатую передачу. Многоступенчатая передача получится если несколько отдельных передач соединить последовательно так, чтобы ведомый вал первой передачи являлся ведущим валом второй и т. д. 66

В многоступенчатой передаче с передаточными числами отдельных ступеней i 1, i 2, i 3, … общее передаточное число всей передачи: i 1 n = i 1 i 2 i 3, …, in = (ω1/ω2)∙(ω2/ω3)∙(ω3/ω4)∙, …, ∙ ∙(ωn-1/ωn) = ω1/ωn = Dn/D 1 67

Если известны параметры ведущего вала передаточного устройства и передаточные числа и КПД отдельных передач (механизмов), то возможно определить параметры от действия передачи от 1 -го до i-го вала, - на любом промежуточном или последнем (выходном) валу: Ni = N 1η 1 i и Ti = T 1 i 1 iη 1 i , где η 1 i = η 1η 2η 3 , …, ηn − общий КПД передачи при последовательной схеме соединения элементов. 68

Выводы: 69

1. Общее передаточное число многоступенчатой передачи равно произведению частных передаточных чисел отдельных пар элементов, входящих в передачу. 2. Промежуточные элементы не изменяют общего передаточного числа, но влияют на направление вращения выходного вала: при чётном количестве вращение ведомого и ведущего валов противоположны, при нечётном - одинаковы. 3. Включение серии малых элементов вместо двух, но больших габаритов и веса, при сохранении заданного передаточного числа снижает вес передачи и уменьшает её габариты и даёт возможность изменять направление вращения ведомого звена. 70

Если i > 1, то это понижающая передача или редуктор, где скоростные параметры понижаются, а силовые - возрастают; если i < 1, то это повышающая передача или мультипликатор, где скоростные параметры …? , а силовые - …? ; если i = 1, то …? …имеет место перенос движения с потерей мощности (промежуточные звенья) 71

Передачи выполняют с постоянным, переменным или регулируемым передаточным отношением. Бывают обратимыми, когда передача возможна в прямом и обратном направлении, и необратимыми. Изменение передаточного отношения может быть ступенчатым (коробка скоростей) и бесступенчатым (вариаторы). 72

ПРИМЕР КИНЕМАТИЧЕСКОГО РАСЧЁТА МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ 73

Определить моменты и мощности на каждом из валов многоступенчатой передачи. КПД каждой передачи ηI = ηII = 0, 98; КПД, учитывающий потери в каждой паре опор ηп = 0, 96; полезная мощность на первом валу N 1 = 10 к. Вт; число оборотов первого вала n 1 = 100 об/мин; передаточные числа i 12 = 2 и i 23 = 2, 5. 74

РЕШЕНИЕ: 1. Определяем частоту вращения валов: n 1 = 100; ω1 = πn/30 = 0, 105 n 1 = 10, 5 рад/сек; n 2 = n 1/i 12 = 100/2 = 50 об/мин; ω2 = 5, 25 рад/сек; n 3 = n 1/ (i 12 i 23 ) = 100/(2∙ 2, 5 )= 20 об/мин; ω3 = 2, 1 рад/сек. 75

2. Определяем коэффициенты полезного действия передачи от первого вала ко второму и третьему: ηI = η 12 = 0, 96 ∙ 0 98 = 0, 94, ηII =η 23 = 0, 962 ∙ 0, 982 = 0, 88 76

3. Определяем мощности на втором и третьем валах: N 2 = N 1η 12 = 10 ∙ 0, 94 = 9, 4 к. Вт, N 3 = N 1η 13 = 10 ∙ 0, 88 = 8, 8 к. Вт. 77

4. Определяем моменты на валах: Т 1 = 1000 N 1/ω1 = 1000∙ 10/10, 5 = 950 Нм; Т 2 = 1000 N 2/ ω2 = 1000 ∙ 9, 4/ 5, 25 = 1790 Нм (или Т 2 = Т 1 i 12ηI = 950 ∙ 2 ∙ 0, 94 = 1790 Нм); Т 3 = 1000 N 3/ ω3 = 1000 ∙ 8, 8/ 2, 1 = 4200 Нм (или Т 3= Т 1 i 12 i 23ηI = 950 ∙ 2, 5 ∙ 0, 88 = 4200 Нм). 78

79

3. 2. 3. Тест пограничного контроля. 80

1. ) В каких механизмах возникают большие динамические нагрузки? А. в механизмах возвратно-поступательного движения Б. в механизмах вращательного движения (Р = 1) 2. ) Укажите номер вала передачи, на котором вращающий момент будет наибольшим <1>; частота вращения – наименьшей <2>? (Р = 2) 3. )По условию предыдущего задания определите передаточное отношение: <1> двухступенчатой передачи А. i < 1 Б. i = 1 В. i > 1 (Р = 1) <2> какая это передача? А. Понижающая Б. Повышающая (Р = 1) 4. )Определите угловую скорость ведомого вала, если угловая скорость ведущего вала равна 100 сек-1 , а расчетные диаметры колес : D 1 = 60 мм, D 2 = 240 мм, D 3 = 70 мм, D 4 = 350 мм. (Р = 3) 5. ) Пренебрегая потерями на трение, определите по условиям вопроса 4 вращающий момент на ведомом валу, если ведущий вал передаёт мощность N = 5 к. Вт. (Р = 2) 81

Эталон правильных ответов 82

1. ) В каких механизмах возникают большие динамические нагрузки? А. в механизмах возвратно- поступательного движения Б. в механизмах вращательного движения v 1. ) А (При возвратно – поступательном движении динамические нагрузки больше, так как в случае неизбежного изменения направления движения возникают значительные ускорения движущихся масс деталей). 83

2. ) Укажите номер вала передачи, на котором вращающий момент будет наибольшим <1>; частота вращения – наименьшей <2>? v 2. ) третий (В кинематических парах вращательного движения при передаче одной и той же мощности отношение угловых скоростей ведущего и ведомого звеньев обратно пропорциональны отношению их вращающий моментов: Ti = T 1 · (ω1/ωi)· η 1 i = T 1 i 1 i η 1 i. Очевидно, что третий вал будет вращаться с наименьшей угловой скоростью, передавая наибольший момент). 84

3. )По условию предыдущего задания определите передаточное отношение: <1> двухступенчатой передачи А. i < 1 Б. i = 1 В. i > 1 <2> какая это передача? А. Понижающая Б. Повышающая v 3. ) В, А (Указанная схема представляет собой двухступенчатый редуктор, имеющий на выходе меньшую угловую скорость (ω4 < ω1) поэтому, передаточное отношение определится i 14 = (ω1/ ω4) · ηIηII >1. Ответ Б не имеет смысла). 85

4. )Определите угловую скорость ведомого вала, если угловая скорость ведущего вала равна 100 сек-1 , а расчетные диаметры колес : D 1 = 60 мм, D 2 = 240 мм, D 3 = 70 мм, D 4 = 350 мм. v 4. ) 5 сек-1 (iоб = i 12 i 34 = ω1/ω3; i 12 = D 2/D 1 = 240/6 = 4; i 34 = D 4/D 3 = 350/70 = 5; ω3 = ω1/ iоб = 100/20 = 5 рад/сек) 86

5. ) Пренебрегая потерями на трение, определите по условиям вопроса 4 вращающий момент на ведомом валу, если ведущий вал передаёт мощность N = 5 к. Вт. v 5. ) 1000 Н·м (ηоб = ηIηII = T 3/(T 1 iоб), но ηоб = 1 (отсутствие трения), отсюда T 3 = T 1 iоб = (N 1/ω1)/(ω1/ω3) = N 1/ ω3 =5000/5 =1000 Н·м) 87