Детали машин и основы конструирования. Механические передачи (лекция 5)

1.

Детали машин
и основы конструирования

2.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Детали машин и основы конструирования – раздел механики, в котором
рассматриваются основы расчета и конструирования деталей и узлов общего
назначения
Деталь - это часть машины, изготовленная без применения сборочных операций.
Узел - крупная сборочная единица, имеющая вполне определенное
функциональное назначение.
Детали и узлы общего назначения:
• соединительные детали;
• механические передачи;
• детали, обслуживающие передачи.
Соединения:
неразъемные - заклепочные, сварные, клеевые; с натягом;
разъемные – резьбовые; шпоночные; шлицевые.
Передачи:
передачи зацеплением (зубчатые,
Детали, обслуживающие передачи:
червячные, цепные)
валы
передачи трением (ременные,
подшипники
фрикционные).
муфты

3.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Механические устройства, применяемые для передачи энергии от
источника к потребителю с изменением угловой скорости,
крутящих моментов или вида движения, называют
механическими передачами
Основные функции механических передач
согласование угловых скоростей двигателя и
исполнительного органа машины
преобразование вида движения (вращательного в
поступательное и наоборот)
регулирование скорости движения исполнительного органа
машины при постоянной скорости вала двигателя
понижать (или повышать) частоту вращения,
соответственно повышая (или понижая) вращающий момент

4.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Классификация механических передач
По способу передачи движения
• трением (фрикционные, ременные)
• передачи зацеплением (зубчатые,
червячные, винтовые, цепные)
По способу соединения звеньев передачи
• передачи непосредственного контакта
(зубчатые, червячные, винтовые,
фрикционные);
• передачи гибкой связью (ременные,
цепные)
По способу соединения ведущего и ведомого звеньев
• непосредственного контакта (зубчатые, червячные, фрикционные)
• гибкой связью (цепные, ременные)
Передачи бывают также
• открытые и закрытые
• одноступенчатые и многоступенчатые

5.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Характеристики механических передач
1 – ведущее
2 - ведомое
1. Мощность на выходном валу: P2
2. Быстроходность – угловая скорость выходного вала
или его частота вращения
ω2 = ∙ n2 / 30 или n2 = 30 ∙ ω2 /
3. Передаточное число :
u = ω1 / ω2 = n1 / n2, (u > 1)
4. Механический КПД передачи
η = Р2 / Р1
5. Окружная скорость звена, м / с
v = ω ∙ d / 2;
6. Окружная сила, Н
Ft = P / v = (2 ∙ T) / d,
7. Вращающий момент, Н · м
Т = Р / ω = Ft · d/2,
8. Общее передаточное число многоступенчатой передачи
uобщ = u1 · u2 ·…∙ un
9. Общий КПД многоступенчатой передачи:
ηобщ = η1 · η2 ·…∙ηn

6.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Зубчатые передачи – движение передается с помощью
зацепления пары зубчатых колес (шестерня и зубчатое колесо).
Достоинства
• компактность
• высокий КПД (95-98%)
• сохраняют постоянство
передаточного отношения
• относительно небольшие
нагрузки на валы и опоры
• большая долговечность и
надежность в широких
диапазонах мощностей
• простота обслуживания
Недостатки
• шум при больших скоростях;
• высокие требования к
точности изготовления и
монтажа;
• чувствительность к ударным
нагрузкам

7.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Классификация зубчатых передач
По расположению зубьев на ободе зубчатых колес:
прямозубые
косозубые
шевронные
с круговым зубом
По взаимному расположению осей зубчатых колес:
цилиндрические
(оси параллельны)
конические
(оси пересекаются)
винтовые, червячные
(оси перекрещиваются)

8.

Классификация зубчатых передач
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
По взаимному расположению зубчатых колес:
с внешним зацеплением
По конструктивному исполнению
с внутренним зацеплением

9.

Напряжения в зубьях
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
При передаче крутящего момента на зуб действует нормальная к
поверхности эвольвенты сила
В результате упругих деформаций зубьев между ними появляется
площадка контакта, по которой распределены контактные напряжения
У основания зуба действуют напряжения изгиба
Виды разрушений зубьев
Выкрашивание
рабочих
поверхностей
Поломки зубьев
Абразивное
изнашивание
Заедание
зубьев

10.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая прямозубая передача
Достоинства :
• длина линии контакта равна ширине венца
Недостаток:
• большой шум
• работают при невысоких окружных скоростях
Силы в зацеплении
Контакт зубьев происходит в
полюсе зацепления, силой трения
из-за малости пренебрегают
Полная нагрузка Fn, нормальная к
профилям зубьев, может быть
разложена на две составляющие:
• окружную силу Ft
• радиальную силу Fr.

11.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая прямозубая передача
Силы в зацеплении
окружные силы
Ft1 Ft 2 2T1 d1
радиальные силы
Fr1 Fr 2 Ft tg
- угол зацепления, 20 град

12.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая косозубая передача
Достоинства :
• плавность зацепления
• меньший шум
•снижение динамических нагрузок
Недостаток:
• наличие осевой силы, стремящейся сдвинуть
зубчатое колесо с валом вдоль оси
Силы в зацеплении
Полная нагрузка Fn раскладывается
на три составляющие силы:
• окружную силу Ft
• радиальную силу Fr.
• осевую силу Fа

13.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая косозубая передача
Силы в зацеплении
окружные силы
Ft1 Ft 2 2T1 d1
радиальные силы
Fr1 Fr 2 Ft tg / cos
осевые силы
Fa1 Fa 2 Ft tg
8...18
0
угол наклона зубьев
- угол зацепления, 20 град

14.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Конические зубчатые передачи
Достоинства :
• передача крутящего момента под углом
Недостатки:
• неравномерность распределения нагрузки по длине зуба
• на ведущем валу шестерня расположена консольно
• небольшое передаточное отношение (2-3)
• сложность изготовления
Силы в зацеплении
Полная нагрузка Fn раскладывается
на три составляющие силы:
• окружную силу Ft
• радиальную силу Fr.
• осевую силу Fа

15.

Конические зубчатые передачи
Силы в зацеплении
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Окружные силы
2 T1 2 T2
Ft1 Ft 2
d m1
dm2
Радиальная сила
Fr1 Ft1 tg cos 1
Осевая сила
Fa1 Ft1 tg sin 1
Fa 2 Fr1 Fr 2 Fa1
1 - углы делительных конусов

16.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Червячная передача – это зубчато-винтовая передача, движение в
которой осуществляется по принципу винтовой пары
Достоинства
• плавность и бесшумность работы;
• компактность и сравнительно небольшая
масса;
• возможность создания большого
передаточного числа (10 – 60 (80))
• возможность самоторможения;
• большая кинематическая точность.
Ведущее звено - червяк (1),
ведомое звено - червячное
колесо (2)
Недостатки:
сравнительно низкий КПД (зависит от числа заходов червяка: z1 = 1-4
η = 0,7 - 0,9);
• повышенный износ и склонность к заеданию;
• применение для колес дорогих антифрикционных материалов
• повышенные требования к точности сборки.

17.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Классификация червячных передач
По форме внешней поверхности червяка
• с цилиндрическим червяком
• с глобоидным червяком
По направлению линии витка червяка
• с правым
• с левым направлением нарезки
По расположению червяка
относительно колеса
• с нижним расположением червяка
• с боковым расположением червяка
• с верхним расположением червяка

18.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Червячные передачи
Силы в зацеплении
Окружная сила на колесе равна
осевой силе на червяке
2T2
Ft 2 Fa1
d2
Радиальные силы на червяке и
червячном колесе
Fr1 Fr 2 Ft 2 tg
Окружная сила на червяке
равна осевой силе на колесе
2T1
Fa 2 Ft1
d1

19.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Материалы
Материал венца червячного колеса
Скорости скольжения
Оловянистые бронзы
5 - 25 м/сек
Безоловянистые бронзы
2 - 5 м/сек
Серый чугун
не более 2 м/с
Материал червяка
Твердость поверхности
цементируемые стали
(20Х, 18ХГТ)
HRC 58 63
среднеуглеродистые стали
(45, 40ХН)
с поверхностной закалкой
HRC 50 55

20.

РЕДУКТОРЫ
Редукторы - это механизмы, состоящие из передач зацеплением с
постоянным передаточным отношением, заключенные в корпус и
предназначенные для понижения угловой скорости
Цилиндрические редукторы
Одноступенчатые редукторы
применяют при передаточных
(реже до 12,5).
Х
числах u < 7
Х

21.

РЕДУКТОРЫ
Цилиндрические редукторы
Редуктор с последовательным
расположением ступеней
При u = 7…40 выгоднее применять
двухступенчатые редукторы
соосный
редуктор
редуктор с
раздвоенной
тихоходной
ступенью

22.

РЕДУКТОРЫ
Конические редукторы
Конические редукторы применяют для передачи вращающего момента
между валами со взаимно перпендикулярным расположением осей
Передаточные отношения
u 4 - для прямозубых редукторов
u 5 - при косых и круговых зубьях
При больших передаточных отношениях
применяют коническо-цилиндрические
редукторы
u ...

23.

РЕДУКТОРЫ
Червячные редукторы
Червячные редукторы применяют для передачи движения между
перекрещивающимися валами
Редуктор c верхним
расположением червяка
Редуктор с червяком
сбоку от колеса
Редуктор c нижним
расположением червяка

24.

Ременные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Ременные передачи – это передачи трением с гибкой связью
По виду ремня различают
Состоит из ведущего и ведомого
круглоременные
шкивов и ремня, надетого на шкивы
с предварительным натяжением
плоскоременные
клиноременные
поликлиноременные
Передаточное отношение
1 n1
i
2 n2
зубчатые

25.

Ременные передачи
Достоинства:
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Недостатки
• возможность передачи мощности на • сравнительно большие
большие расстояния (до 15 м)
габариты
• возможность работы в широком
• непостоянство
диапазоне скоростей (до 100 м/с) и
передаточного отношения
мощностей (от долей киловатта до
из-за скольжения ремня.
сотен киловатт)
• плавность и бесшумность работы,
предохранение от перегрузок.
• простота конструкции и
эксплуатации
• плавность и бесшумность работы
• относительно высокий КПД:
0,91…0,98
• повышенные нагрузки на
валы и опоры от натяжения
ремней.
• низкая долговечность
ремней
• необходимость установки
дополнительных устройств
(натяжной ролик)

26.

Ременные передачи
Силы в ремне
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
- сила в ведомой ветви
- сила
давления на
валы
Окружная сила
2 T1
F1 F2
Ft
d1
Центробежная сила
FV A 2
- сила в ведущей ветви
F0- сила предварительного
натяжения ремня

27.

Цепные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Цепная передача – это передача зацеплением с гибкой связью.
Состоит из ведущей и ведомой звездочек, огибаемых цепью
Основной параметр передачи - шаг цепи
Передаточное отношение цепной передачи
n1 d 2
i
n2 d1
i 7
Среднее значение КПД цепной передачи
0,96 0,98
Основная причина потери
работоспособности износ шарниров цепи

28.

Цепные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Достоинства
Недостатки
• могут передавать движение на
• значительный шум вследствие
значительные расстояния (до 8 м);
• более компактны (по сравнению с
ременными),
• могут передавать большие
мощности до 100 кВт;
• значительно меньшие силы,
действующие на валы;
удара звена цепи при входе в
зацепление.
• сравнительно быстрый износ
шарниров цепи (затруднителен
подвод смазки);
• удлинение цепи из-за износа
шарниров, что требует
• отсутствует проскальзывание;
применения натяжных
• могут передавать движение одной
устройств
цепью нескольким звездочкам

29.

Валы и оси
ВАЛЫ И ОПОРЫ
Ось поддерживает сидящие на
ней детали (не вращается).
При работе испытывает
напряжения изгиба
Оси бывают неподвижными и
подвижными
Вал поддерживает сидящие на
нем детали и передает крутящий
момент вдоль своей оси
(вращается)
При работе испытывает,
напряжения от изгиба и
кручения (иногда от растяжениясжатия)

30.

Валы и оси
ВАЛЫ И ОПОРЫ
Классификация валов
По геометрической форме оси
• прямые
• коленчатые
• гибкие
По конструкции
• гладкие
• ступенчатые (фасонные)
По типу сечения
• сплошные
• полые
Материалы валов - углеродистые и легированные стали
без термообработки: Ст.5, Ст.6,
с термообработкой – стали 45, 40Х;
для быстроходных валов: стали 20, 20Х, 12ХН3А

31.

Расчет валов
ВАЛЫ И ОПОРЫ
Расчет валов проводится в три этапа
1 этап - ориентировочный расчет
2 этап - промежуточный или проверочный расчет
3 этап - уточненный расчет или расчет на усталость
Ориентировочный расчет вала - это определение радиальных
размеров исходя из прочности вала на кручение и особенностей
конфигурации вала
Минимальный диаметр вала
определяется из условия статической
прочности на кручение по
пониженным напряжениям:
T 10
d вала 3
0,2
3

32.

Расчет валов
Промежуточный (проверочный) расчет
- это расчет на статическую прочность с
учетом совместного действия кручения
и изгиба
• вал заменяют балкой на опорахподшипниках,
• строят эпюры изгибающих и крутящих
моментов,
• находят эквивалентный момент в опасном
сечении
• уточняют диаметр вала в этом сечении:
3
М
10
dоп.сеч 3 э
0,1
ВАЛЫ И ОПОРЫ

33.

ВАЛЫ И ОПОРЫ
Подшипники
Подшипники являются опорами валов и вращающихся осей.
В зависимости от рода трения подшипники делят на
подшипники скольжения и подшипники качения
Подшипники скольжения
Достоинства
Недостатки
• высокоскоростные
• сравнительно большие
подшипники;
• хорошо воспринимают
осевые размеры
• требуют постоянного контроля
ударные и вибрационные
за наличием и качеством
нагрузки
смазки
• имеют небольшие
радиальные размеры
• имеют простую конструкцию
• значительные потери на
трение в период пуска и при
плохой смазке

34.

Подшипники качения
ВАЛЫ И ОПОРЫ
Подшипники качения являются основным видом опор для
вращающихся деталей.
Достоинства
Недостатки:
• сравнительно малая стоимость
• высокая чувствительность к
вследствие массового
ударным и вибрационным
производства подшипников;
нагрузкам;
• малые потери на трение и
незначительный нагрев;
• высокая степень
взаимозаменяемости;
• малый расход смазки;
• не требуют особого внимания и
ухода.
• малая надежность в
высокоскоростных приводах
• сравнительно большие
радиальные размеры;
• шум при больших скоростях.

35.

ВАЛЫ И ОПОРЫ
Подшипники качения
Классификация
Типовая конструкция
1. по форме тел качения
• шариковые;
• роликовые;
2. по направлению
воспринимаемой нагрузки
радиальные;
упорные;
1 - корпус
радиально- упорные
2 – тела качения
упорно-радиальные
3 - обойма(сепаратор)
3. по числу рядов тел качения
4 - желоб для тел качения
• однорядные
5 - внутреннее кольцо
• двухрядные
• многорядные

36.

ВАЛЫ И ОПОРЫ
Подшипники качения
Шариковые
а) радиальные однорядные;
б) радиальные двухрядные
сферические;
в) радиально-упорные;
г) упорные.
Роликовые
а) радиальный с короткими
роликами;
б) радиальный двухрядный;
в) радиальный двухрядный
сферический;
г) конический.

37.

ВАЛЫ И ОПОРЫ
Подшипники качения
Виды разрушения подшипников
качения:
Критерии работоспособности
подшипников качения
усталостное выкрашивание
рабочих поверхностей тел качения и
долговечность и динамическая
беговых дорожек колец;
грузоподъемность по
усталостному выкрашиванию для
пластические деформации на
дорожках качения (вмятины);
подшипников, вращающихся с
угловой скоростью 0,1 рад/с.
задиры рабочих поверхностей
качения;
статическая грузоподъемность
абразивный износ;
по пластическим деформациям
разрушение сепараторов
для невращающихся или
разрушения (основная причина
маловращающихся подшипников
потери работоспособности);
( < 0,1 рад/с)
раскалывание колец и тел
качения.

38.

ВАЛЫ И ОПОРЫ
Муфты
Муфты - это устройства, служащие для соединения валов и передачи
крутящего момента
Дополнительное назначение муфт:
• для выключения и включения исполнительного механизма при
непрерывно работающем двигателе (управляемые муфты);
• для предохранения машины от перегрузки (предохранительные
муфты);
• для компенсации вредного влияния несоосности валов, связанной
с неточностью монтажа (компенсирующие муфты);
• для уменьшения динамических нагрузок (упругие муфты) и т.д.
Основная паспортная характеристика муфт - крутящий момент, на
передачу которого она рассчитана
Муфты подбирают по ГОСТу по расчётному крутящему моменту
Tрасч K T
где K = 1,5 - 2,5 - коэффициент режима работы муфты

39.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
ДО СЛЕДУЮЩИХ ВСТРЕЧ