Лекции по "Прикладная механика"

Рис. 1.22. Четырехзвенный кулисный механизм

Крайние положения кулисы будут при перпендикулярном расположении к ней кривошипа. Построить такие  положения просто: изображается окружность радиусом равным длине кривошипа (траектория движения точки А), и проводятся касательные  из оси вращения кулисы.

Таким образом, звенья могут  совершать поступательное, вращательное или сложное движения.

Кулачковые  механизмы.

Широкое распространение  в технике получили кулачковые механизмы. Кулачковые механизмы предназначены  для преобразования вращательного  движения ведущего звена (кулачка) в  заведомо заданный закон возвратно-поступательного  движения ведомого звена (толкателя). Широко применяются кулачковые механизмы  в швейных машинах, двигателях внутреннего  сгорания, автоматах и позволяют  получить заведомо заданный закон движения толкателя, а также обеспечить временные остановы ведомого звена при непрерывном движении ведущего.

Простейший кулачковый механизм – трехзвенный, состоящий из кулачка, толкателя и стойки. Входным звеном чаще всего бывает кулачок. Кулачковые механизмы бывают как плоскими, так  и пространственными.

Плоские кулачковые механизмы  для удобства рассмотрения разобьем на механизмы в зависимости от движения выходного звена на два  вида:

1.Кулачковый механизм  с поступательно движущимся толкателем (ползуном).

2. Кулачковый механизм  с поворачивающимся толкателем (коромыслом).

Пример первого кулачкового  механизма показан на рис.1.23. Кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью, действует на ролик 3 и заставляет толкатель 2  в виде ползуна двигаться  в направляющих возвратно-поступательно.

        Рис.1.23. Механизм с поступательно-движущимся толкателем

 

            Рис.1.24. Кулачковый механизм с поворачивающимся толкателем

На рис.1.24 приведена схема  кулачкового механизма с поворачивающимся толкателем (коромыслом). Кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью , действует  на толкатель 2 и заставляет последний  вращаться вокруг оси вращения А.

Кулачковые механизмы  имеют разновидности в зависимости  от геометрических форм элемента выходного (ведомого) звена и взаимного расположения толкателя и кулачка. Например, кулачковый механизм, показанный на рис.1.23 может  иметь разные виды ведомых звеньев (рис.1.25).

Рис.1.25. Виды ведомых звеньев, применяемые для кулачковых механизмов с поступательно движущимся выходным звеном: а) толкатель с острием; б) с плоскостью; в) толкатель с роликом; г) толкатель со сферическим наконечником.

Кулачковые механизмы  с поступательно движущимся ведомым  звеном можно разделить 

кулачковые  механизмы с центральным толкателем, у которых направление движения толкателя совпадает с осью вращения кулачка
кулачковые  механизмы со смещенным толкателем (дезаксиальные), если ось толкателя отстоит на расстояние е – дезаксиал от оси вращения кулачка

 

При работе кулачковых механизмов необходимо, чтобы   было постоянное соприкосновение ведущего и ведомого звеньев. Это может быть обеспечено либо силовым замыканием, чаще всего  с помощью пружин (рис.1.28),  либо геометрически,  если выполнить профиль кулачка 1 в форме паза, боковые поверхности которого воздействуют на ролик 3 толкателя 2.

Кулачковый механизм с силовым замыканием
Кулачковый механизм с геометрическим замыканием (Пазовый кулачок обеспечивает геометрическое замыкание высшей пары кулачкового механизма)

 

Все рассмотренные выше кулачковые механизмы плоские. Часто встречаются  пространственные кулачковые механизмы, которые весьма разнообразны по конструктивному  оформлению. Наиболее распространенными  пространственными кулачковыми  механизмами являются механизмы  барабанного типа (рис.1.30). Цилиндрический кулачок 1 с профильным пазом, обеспечивающим кинематическое замыкание высшей пары, вращается с постоянной угловой  скоростью и через ролик 3 сообщает качательное движение толкателю 2, закон  изменения которого зависит от очертания  паза.

Рис.1.30. Пространственный кулачковый механизм барабанного типа

 

 Недостатки кулачковых механизмов: высокие удельные давления, повышенный износ звеньев механизма, необходимость обеспечения замыкания звеньев, что приводит к дополнительным нагрузкам на звенья и к усложнению конструкции.

Передачи  вращения.

Передачи вращения имеют  широкое распространение в машиностроении по следующим причинам:

1)  энергию целесообразно  передавать при больших частотах  вращения;

2) требуемые скорости  движения рабочих органов машин,  как правило, не совпадают с  оптимальными скоростями двигателя;  обычно ниже, а создание тихоходных  двигателей вызывает увеличение  габаритов и стоимости;

3) скорость исполнительного  органа в процессе работы машины-орудия  необходимо  изменять  (например,  у  автомобиля,   грузоподъемного  крана, токарного станка), а скорость  машины-двигателя чаще постоянна  (например, у электродвигателей);

4) нередко от одного  двигателя необходимо приводить  в движение несколько механизмов  с различными скоростями;

5) в отдельные периоды  работы исполнительному органу  машины требуется передать вращающие  моменты, превышающие моменты  на валу машины-двигателя, а  это возможно выполнить за  счет уменьшения угловой скорости  вала машины-орудия;

6) двигатели обычно выполняют  для равномерного вращательного  движения, а в машинах часто  оказывается необходимым поступательное  движение с определенным законом; 

7) двигатели не всегда  могут быть непосредственно соединены  с исполнительными механизмами  из-за габаритов машины, условий  техники безопасности и удобства  обслуживания.

Как правило, угловые скорости валов большинства используемых в настоящее время в технике  двигателей (поршневых двигателей внутреннего  сгорания, газотурбинных, электрических, гидравлических и пневматических двигателей) значительно превышают угловые  скорости валов исполнительных или  рабочих органов машин, порой  на 2-3 порядка. Поэтому доставка (передача) энергии двигателя с помощью  передачи любого типа, в том числе  и механической, происходит, как  правило, совместно с одновременным  преобразованием моментов и угловых  скоростей (в сторону повышения  первых и понижения последних).

При этом необходимо отметить, что конструктивное обеспечение  функции транспортного характера  – чисто передачи энергии иной раз вступает в логическое противоречие с направлением задачи конечного  преобразования силовых и скоростных параметров этой энергии. Например, в  трансмиссиях многих транспортных машин (особенно высокой проходимости) входной  редуктор сначала повышает частоту  вращения, понижение ее до требуемых  пределов производят бортовые или колесные редукторы.

Этот прием позволяет  снизить габаритно-весовые показатели промежуточных элементов трансмиссии (коробок перемены передач, карданных  валов) – размеры валов и шестерен пропорциональны величине передаваемого крутящего момента в степени 1/3. 

Аналогичный принцип используется при передаче электроэнергии – повышение  напряжения перед ЛЭП позволяет  значительно снизить тепловые потери, определяемые в основном силой тока в проводах, а заодно уменьшить  сечение этих проводов.

Фрикционные передачи.

Во фрикционных передачах  передача вращательного движения между  звеньями (катками – роликами) осуществляется вследствие трения возникающего между  ними. На рис.1.31 показан фрикционная  передача с цилиндрическими катками. Передача движения от ведущего катка 1 к ведомому катку 2 осуществляется силой  трения, возникающей под действием  пружины с силой равной Q.

Нами рассмотрена фрикционная  передача с цилиндрическими катками  для передачи вращательного движения между параллельными валами. В  передачах же с пересекающимися  осями применяют фрикционные  передачи с коническими катками.

                         

Рис.1.31. Фрикционная передача с цилиндрическими катками

Достоинствами фрикционной передачи являются плавность работы, простота конструкции, невозможность поломки при резком изменении крутящего момента на одном из валов благодаря возможности проскальзывания катков и возможность осуществления бесступенчатого изменения передаточного отношения, а также реверсирования. Поэтому фрикционные передачи широко применяют в машиностроении в качестве вариаторов. Простейший вариатор, называемый лобовым (рис.1.32), состоит из диска 1 и ролика 2.

Ролик можно смещать вдоль  оси О2, следствием чего точка контакта М может занимать различные положения, определяемые расстоянием x. Это позволяет  плавно регулировать величину и направление  угловой скорости выходного звена.

              Рис.1.32. Лобовая фрикционная передача

В качестве вариаторов можно  применять также фрикционные  передачи с коническими барабанами.

В процессе эксплуатации фрикционных  передач, вследствие перегрузки или  попадания масла на них, может  наблюдаться проскальзывание одного катка относительно другого. Поэтому  фрикционные передачи не обеспечивают постоянства передаточного отношения  между ведущим и ведомым валами, что является существенным недостатком, который отсутствует у зубчатых передач

Недостатками также являются: необходимость прижимного устройства, невозможность передачи значительных крутящих моментов.

В связи с указанными недостатками фрикционные передачи не получили такого широкого распространения как зубчатые.

Зубчатые  передачи.

Самое широкое применение в машинах и приборах находят  зубчатые передачи которые позволяют  передавать вращательные движения от одного вала к другому с заданными  угловыми скоростями.

Зубчатые передачи получили наибольшее распространение в машиностроении благодаря следующим достоинствам:

 

а) практически неограниченной передаваемой мощности,

б) малым габаритам и  весу,

в) стабильному передаточному  отношению,

г) высокому КПД, который  составляет в среднем 0,97 - 0,98.

Недостатком зубчатых передач является шум в работе на высоких скоростях, который однако может быть снижен при применении зубьев соответствующей геометрической формы и улучшении качества обработки профилей зубьев.

При высоких угловых скоростях  вращения рекомендуется применять  косозубые шестерни, в которых  зубья входят о зацепление плавно,  что и обеспечивает относительно бесшумную работу. Недостатком косозубых  шестерен является наличие осевых усилий,  которые дополнительно нагружают  подшипники. Этот недостаток можно  устранить, применив сдвоенные шестерни с равнонаправленными спиралями  зубьев или шевронные шестерни. Последние, ввиду высокой стоимости и  трудности изготовления применяются  сравнительно редко - обычно лишь для  уникальных передач большой мощности. При малых угловых скоростях  вращения применяются конические прямозубые шестерни, а при больших - шестерни с круговым зубом,  которые в  настоящее время заменили конические косозубые шестерни, применяемые  ранее. Конические гипоидные шестерни тоже имеют круговой зуб, однако оси  колес в них смещены,  что  создает особенно плавную и бесшумную  работу. Передаточное отнесение в  зубчатых парах колеблется в широких  пределах, однако обычно оно равно 3 - 5.

В зависимости от расположения осей валов, между которыми осуществляется вращательное движение при постоянном значении передаточного отношения, различают передачи:

- При параллельных валах.

- При пересекающихся валах.

- При скрещивающихся валах.

1) На рис.1.33 показаны цилиндрические  колеса с внешним зацеплением,  а на рис.1.34 изображены цилиндрические  колеса с внутренним зацеплением,  где зубья одного из колес  расположены по внутренней поверхности.

 

          

Рис.1.33. Зубчатый механизм с внешним зацепление