Методическое пособие по дисциплине "Свойства материалов"

Министерство образования , науки и молодежной политики Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Нижегородской области Арзамасский коммерческо­технический техникум                      УТВЕРЖДАЮ      Зам. директора по УиНМР                  М.А.Ледянкина                                                                                                     «__»_____________20     г. Методическое пособие  для преподавателей  по дисциплине «Техническая механика» Тема: «Курс лекций и тестовых заданий»  (раздел «Детали машин») г.Арзамас,  2018г. 1 Одобрена МО  электротехнических дисциплин  Протокол № ____ От «___» ______________20___г. Председатель МО  ______________И.К.Забродкина Автор: Кузнецова О.Г.                          Методическое пособие для преподавателей и студентов  по дисциплине «Свойства материалов». – Арзамас: ГБПОУ АКТТ, 2018. – 52 с.             Методические пособие содержит теоретические пояснения по изучаемым   в   курсе   «Свойства   материалов»   темам,   задания   для самостоятельной,   проверочной   работе   в   виде   тестов   и   вопросов самопроверки,   также   имеет   дополнения   в   виде   справочных   сведений, таблиц.   Методическое   пособие   предназначено  для   студентов   дневного отделения   специальности   22.02.06     Сварочное   производство,  15.02.08 Технология   машиностроения,  23.02.03     Техническое     обслуживание     и ремонт автомобильного транспорта может быть использовано студентами других специальностей, в том числе студентами­заочниками. 2 Введение                                                                                                             4   Содержание 1.Общие сведения                                                                                              5 1.1 Основные понятия и определения                                                              5   1.2. Классификация механизмов, узлов и деталей машин                             6 1.3. Требования к машинам и деталям                                                             7   1.4. Критерии работоспособности и влияющие на них факторы                  8     2.Механические передачи  2.1Общие сведения                                                                                            10 2.2. Назначение и классификация механических передач                            13   3 Фрикционные передачи 3.1 Общие сведения                                                                                           17 3.2. Виды разрушения рабочих поверхностей фрикционных кат­ ков                                                                                                                       19  4.Зубчатые передачи 4.1. Достоинства, недостатки, области применения, классификация  зубчатых передач                                                                                               22 4.2. Геометрические параметры цилиндрических передач                           24 4.3 Особенности геометрии цилиндрических косозубых колес                   26 4.3 Виды разрушения зубьев и критерии работоспособности зубчатых  передач                                                                                                                28 5.Планетарные и волновые передачи 5.1.Планетарные передачи                                                                                33 5.2. Волновые передачи                                                                                    34 6. Червячные передачи 6.1. Классификация, достоинства, недостатки, области применения червячных передач                                                                      38 6.2. Материалы червячной пары                                                                     40 7. Редукторы  7.1. Классификация редукторов                                                                      44 Литература                                                                                                        52           3 Введение В   курсе   лекций   изложены   теоретические   основы   и   инженерные методы расчета и проектирования деталей и узлов машин – неотъемлемые составляющие   конструирования.   Курс   лекций   включает   справочный материал,   необходимый   для   иллюстрации   теоретических   расчетов.   Все расчеты   связаны   с   главными   критериями   работоспособности   деталей машин.   Лекции   дают   представление   об   основных   понятиях,   изучение которых   поможет   студентам     освоить   принципы   работы   и   создания конструкции   общемашиностроительного   назначения.   Вместе   с   другими литературными источниками данный курс лекций призван заложить основу конструкторской   подготовки,   формирования   широкого   инженерного мышления. В   лекциях,   как   известно,   есть   возможность   изложения   новейших достижений   науки   и   техники,   а   ограниченность   по   времени   вынуждает рассматривать   лишь   узловые   вопросы   и   разделы,   наиболее   трудные   для самостоятельного изучения. Курс   лекций   может   быть   использован студентами   для   самостоятельной   подготовки   студентов   по   изучаемым темам , так и студентами заочной формы обучения.          Детали машин – раздел научной дисциплины «Техническая механика», в которой рассматриваются основы расчета и конструирования деталей и узлов   общего   назначения,   встречающиеся   в   различных   механизмах, установках и машинах          Целью курса ”Детали машин” является изучение устройства, принципа работы,  расчета   и  проектирования  деталей   машин   и  механизмов   общего назначения.          Задача курса заключается в том, чтобы, исходя из заданных условий работы деталей и сборочных единиц общего назначения, получить навыки их   расчета   и   конструирования,   изучить   методы,   правила   и   нормы проектирования, обеспечивающие изготовление надежных и экономичных конструкций. 4 1.Общие сведения 1.1 Основные понятия и определения Детали   машин   –   научная   дисциплина,   занимающаяся   изучением, проектированием и расчетом деталей машин и узлов общего назначения. Механизмы   и   машины   состоят   из   деталей.  Механизмом  называют устройство,   служащее   для   передачи   механического   движения.  Машиной называют   механизм   или   сочетание   механизмов,   которые   служат   для преобразования одного вида энергии в другой или для выполнения полезной механической   работы.  Деталь – элемент   конструкции,   изготовленный   из одного   материала   без   сборочных   операций.  Узел  состоит   из   отдельных деталей   и   представляет   собой   часть   механизма   или   машины. Встречающиеся   почти   во   всех   машинах   болты,   валы,   зубчатые   колеса, подшипники, муфты называют узлами и деталями общего назначения. Все детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы: 1. Соединительные   детали   и   соединения,   которые   могут   быть неразъемными   (заклепочные,   сварные   и   др.)   и   разъемными   (шпоночные, резьбовые и др.). 2. Детали, передающие вращательное движение (зубчатые колеса, шкивы и др.). 3. Детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.). В   развитии   машиностроения   очень   важны   следующие   современные направления:   увеличение   мощности   и   производительности   машины; быстроходность   и   равномерность   хода;   повышение   коэффициента полезного   действия;   автоматизация   рабочих   циклов   машин;   точность работы   машины;   стандартизация   и   взаимозаменяемость   деталей   и   узлов; удобство   и   безопасность   обслуживания;   компактность;   эстетичность внешнего   вида   машины.   Детали   и   узлы   машин   должны   быть работоспособными,   надежными,   технологичными,   экономичными   и эстетичными. Работоспособностью  называют способность детали выполнять свои функции при минимальных затратах на ее изготовление и эксплуатацию. Надежность  – свойство машин выполнять функции, сохраняя свои эксплуатационные   показатели   в   определенных   пределах   в   течение заданного   промежутка   времени   или   требуемой   наработки.   Надежность зависит   от   всех   этапов   создания   и   эксплуатации   изделий.   Ошибки проектирования, погрешности в производстве, упаковке, транспортировке и эксплуатации машин отрицательно сказываются на ее надежности.  5 1.2. Классификация механизмов, узлов и деталей машин   Механизм ­ искусственно созданная система тел, предназначенная для преобразования движения одного из них или нескольких в требуемые движе­   ния   других   тел.   Машина   ­   механизм   или   сочетание   механизмов, которые служат для облегчения или замены физического или умственного труда человека и повы­ шения его производительности. В зависимости от назначения различают: ­ энергетические машины­ двигатели, компрессоры; ­ рабочие машины – технологические, транспортные, информационные. Все машины состоят из деталей, которые объединены в узлы. Деталь ­ это часть машины,   изготовленная   без   применения   сборочных   операций.   Узел   ­ крупная   сборочная   единица,   имеющая   вполне   определенное функциональное   назначение.   Различают   детали   и   узлы   общего   и специального назначения. Детали и узлы общего назначения делят на три основные группы:  ­ соединительные детали;  ­ передачи вращательного и поступательного движения;   ­ детали, обслуживающие передачи.           Создание машин и их звеньев из различных деталей вызывает необхо­ димость   соединения   последних   между   собой.   Этой   цели   служит   целая группа   соединительных   деталей   (соединения),   которые,   в   свою   очередь, делятся на:  ­ неразъемные ­ заклепочные, сварные, клеевые; с натягом;  ­ разъемные – резьбовые; шпоночные; шлицевые.           Любая машина состоит из двигательного, передаточного и исполни­ тельного   механизмов.   Наиболее   общими   для   всех   машин   являются передаточные механизмы. Передачу энергии удобнее всего производить при вращательном движении. Для передачи энергии во вращательном движении служат   передачи,   валы   и   муфты.   Передачи   вращательного   движения являются   механизмами,   предназначенными   передавать   энергию   с   одного вала   на   другой,   как   правило,   с   преобразованием   (уменьшением   или увеличением) угловых скоростей и соответствующим изменением крутящих моментов. Передачи подразделяют на передачи зацеплением (зубчатые, червяч­ ные, цепные) и трением (ременные, фрикционные). Вращательные детали передачи ­ зубчатые колеса, шкивы, звездочки устанавливают на валах и осях. Валы служат для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания указанных выше деталей. Для 6 поддержания   вращающихся   деталей   без   передачи   крутящего   момента служат оси. Валы соединяют с помощью муфт. Различают муфты постоянные и сцепные. Валы и оси вращаются в подшипниках. В зависимости от вида трения их подразделяют на подшипники качения и скольжения. В большинстве машин необходимо использовать упругие элементы ­ пружины   и   рессоры,   назначение   которых   аккумулировать   энергию   или предотвращать вибрации. Для   повышения   равномерности   хода,   уравновешивания   деталей машин и накопления энергии в целях повышения силы удара применяют маховики, маятники, бабы, копры. Долговечность   машин   в   значительной   степени   определяется устройствами для защиты от загрязнений и для смазки. Важную группу составляют детали и механизмы управления. Кроме того, весьма значительные группы составляют специфические детали: ­ для энергетических машин ­ цилиндры, поршни, клапаны, лопатки и диски турбин, роторы, статоры и другие; ­ для транспортных машин ­ колеса, гусеницы, рельсы, крюки, ковши и другие. 1.3. Требования к машинам и деталям К   большинству   проектируемых   машин   предъявляются   следующие требования: ­ высокая производительность; ­ экономичность производства и эксплуатации; ­ равномерность хода; ­ высокий кпд; ­ точность работы; ­ компактность, надежность и долговечность; ­ удобство и безопасность обслуживания; ­ транспортабельность; ­ соответствие внешнего вида требованиям технической эстетики. При   конструировании   и   изготовлении   машин   должны   строго соблюдаться ГОСТы. Применение   в   машине   стандартных   деталей   и   узлов   уменьшает количество   типоразмеров,   обеспечивает   взаимозаменяемость,   облегчает ремонт машин. 7 Одним из главных требований, предъявляемых к деталям, является технологичность,   которая   значительно   влияет   на   их   стоимость.   Следует предусматривать максимально возможное применение стандартных узлов и деталей.   Существенными   показателями   технологичности   конструкции являются   ее   материалоемкость,   трудоемкость   изготовления   и себестоимость. Технологичной считают такую конструкцию, для которой характерны минимальные затраты при производстве и эксплуатации. 1.4. Критерии работоспособности и влияющие на них факторы Быть работоспособными ­ значит находиться в таком состоянии, в котором   детали   могут   выполнять   заданные   функции   в   пределах технических   требований.   Без   учета   работоспособности   детали   нельзя говорить о её надежности. Работоспособность деталей оценивают: ­ прочностью; ­ жесткостью; ­ износостойкостью; ­ теплостойкостью; ­ вибрационной устойчивостью. Значение того  или  иного  параметра  возрастает  или  уменьшается в зависимости   от   функционального   назначения   детали.   Например,   для крепежных   винтов   ­   прочность,   ходовых   деталей   ­   износостойкость. Работоспособность обеспечивают выбором соответствующего материала и расчетом детали по четырем основным критериям работоспособности. Рассмотрим критерии работоспособности: 1. Прочность   ­   главный   критерий.   Различают   статическую   и усталостную прочность.   При   статической   ­   разрушение   наступает   при   превышении   предела прочности. При усталостной ­ при превышении предела выносливости. Усталостная   прочность   значительно   снижается   при   наличии концентраторов   напряжений   или   дефектов   производства.   Факторы, влияющие   на   величину   коэффициента   запаса   усталостной   прочности, степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул, влияние технологии изготовления детали и т.д. В каждой отрасли  машиностроения, основываясь  на своем опыте, выбирают свои нормы запаса прочности для конкретных деталей. Эти нормы не являются стабильными. Их периодически корректируют по мере накопления опыта и роста уровня техники. В   деталях   машин   существенным   является   и   разрушение   от контактных   напряжений.   Они   возникают   в   месте   соприкосновения   двух деталей в тех случаях, когда размеры площади касания малы по сравнению 8 с размерами деталей. Если они больше допускаемых, то на поверхности деталей   появляются   вмятины,   борозды,   трещины   или   мелкие   раковины. Подобные явления наблюдаются у фрикционных, зубчатых, червячных  и цепных передач, а также в подшипниках качения. 2.Жесткость.   Расчет   на   жесткость   предусматривает   ограничение упругих   деформаций   деталей   в   пределах,   допустимых   для   конкретных условий   работы,   например:   ­   условия   работы   сопряженных   деталей (правильность зацепления зубчатых колес); ­ технологические условия (точность станка и т.д.); Значение   расчетов   на   жесткость   возрастает   в   связи   с   широким внедрением   высокопрочных   материалов,   у   которых   увеличиваются характеристики прочности, а модуль упругости практически не меняется. 3.Износ   ­   процесс   постепенного   уменьшения   размеров   деталей   в результате трения.   Детали,   изношенные   больше   нормы,   бракуют   и   заменяют   при   ремонте. Интенсивность   износа   зависит   от   величины   давления   на   поверхности соприкосновения   деталей,   коэффициента   трения   и   износостойкости материала. Различают несколько видов изнашивания деталей: ­ абразивный износ (имеет основное значение); ­ износ при заедании; ­ износ при коррозии. Для   повышения   износостойкости   широко   используют   смазку   применяют   антифрикционные   материалы, трущихся   поверхностей, специальные   виды   химико­термической   обработки   поверхностей, уменьшают нагрузки и т.д. Износостойкость   значительно   понижается   при   коррозии.   Что   надо учитывать при проектировании деталей, работающих в агрессивных средах. 4.Теплостойкость. Нагрев способствует: ­ понижению механических свойств и появлению ползучести; ­   понижению   защищающей   способности   масленых   пленок,   и, следовательно, увеличению износа; ­ изменению зазоров в сопрягаемых деталях (заклинивание); ­ понижению точности машин. Для   определения   температуры   работы   деталей   проводят   тепловые расчеты   и,   если   необходимо,   вносят   соответствующие   конструктивные изменения (применяют специальные устройства для охлаждения). 5.Виброустойчивость.   Вибрации   понижают   усталостную   прочность деталей,   т.к.   возникают   дополнительные   переменные   напряжения.   В некоторых   случаях   они   снижают   качество   работы   машины   (например,   в металлорежущих   станках   снижают   точность   обработки   и   ухудшают 9 качество   обрабатываемой   поверхности). резонансные явления.   Особое   значение   имеют 2.Механические передачи 2.1 Общие сведения Механизм ­ составная часть любой машины и прибора, совокупность подвижно соединенных между собой тел (деталей), преобразующая вид и характеристики движения отдельных звеньев. Если в передаче движения участвуют   жидкие   или   газообразные   тела,   то   механизм   называют гидравлическим или пневматическим. В   механизме   различают   подвижные   звенья   и   стойки   (неподвижные звенья). По   своим   функциям   звенья   могут   быть   входными   и   выходными ведущими и ведомыми, начальными и промежуточными. Звенья   в   механизме   соединяются,   образуя   разного   вида кинематические пары. В   зависимости   от   числа   связей,   накладываемых   на   относительное движение   звеньев,   различают   пары   одно­,   двух­,   трех­,   четырех­   и пятиподвижные. В зависимости от вида движения одного звена относительно другого различают вращательные, поступательные, сферические, винтовые и другие пары (рисунок 2.1). Классификация механизмов: Кулачковые механизмы ­ механизмы с силовым замыканием звеньев. В   их   состав   входит   кулачок   (звено,   имеющее   рабочую   поверхность переменной кривизны) и толкатель или коромысло с роликом: 10 Рисунок2.1­ Виды кинематических пар Зубчатые   механизмы,   в   которых   движение   передается   за   счет зацепления  зубьев. Включают   в себя  зубчатые  колеса  различной  формы, зубчатые рейки, образующие вращательные или поступательные пары. 11 Фрикционные   механизмы,   в   которых   передача   движения осуществляете благодаря силам трения между элементами пары. Механизмы с гибкими звеньями (типа гибкой нерастяжимой нити). Ременная передача, которая включает: 1 ­ ведущий шкив, 2 ­ ведомый шкив 3 ­ приводной ремень. 12 Механизмы   с   упругими   звеньями,   деформация   которых   влияет   на движение механизма. Волновая передача, которая включает: 1 ­ гибкое зубчатое колесо 2 ­ жесткое зубчатое колесо 3 ­ роликовый генератор волн (водило и 2 ролика) По  функциональному   назначению   и   кинематической   передаточной функции скорости исполнительного звена: ­   механизмы   с   постоянным   передаточным   отношением   (зубчатые, ременные, цепные, канатные, червячные, фрикционные передачи и др.); ­ механизмы со ступенчато изменяющимся передаточным отношением (коробки перемены скоростей, ступенчатая ременная передача, ступенчатая цепная передача и др.); ­   механизмы   для   сообщения   исполнительному   органу   возвратно­ поступательного движения; ­  механизмы  для  движения   с  остановками  исполнительного  органа (кулачковые, мальтийские, анкерные, рычажные и др.); ­ механизмы сцепления (зубчатые, фрикционные, кулачковые муфты); ­ тормозные механизмы. 2.2. Назначение и классификация механических передач Привод   –   устройство   для   приведения   в   действие   двигателем различных   рабочих   машин   (рисунок   2.2).   Энергия,   необходимая   для приведения в действие машины или механизма, может быть передана от вала   двигателя   непосредственно   без   изменений   или   с   помощью дополнительных   устройств.   Механические   устройства,   применяемые   для передачи   энергии   от   источника   к   потребителю   с   изменением   угловой скорости   или   вида   движения,   называют   механическими   передачами (передачами). 13 Рисунок 2.2 ­ Примеры привода Необходимость   установки   передачи   между   двигателем   и производственной машиной объясняется следующими причинами:  источники энергии ­ двигатели ­ работают в режиме высоких угловых скоростей,   обеспечивающих   им   наибольшую   мощность,   КПД   и   малые габариты;    угловые   скорости   валов   производственных   машин   обычно отличаются от угловой скорости вала двигателя;  изменение скорости производственной машины, а, следовательно, и значения   вращающего   момента   выгоднее   осуществлять   с   помощью передачи, а не путем изменения угловой скорости вала двигателя, так как при уменьшении угловой  скорости вала двигателя  его мощность и КПД понижаются;  двигатели   обычно   передают   вращательное   движение,   а   рабочие органы машины иногда требуют возвратно­поступательного, качательного, винтового и других видов движения;  часто   возникает   необходимость   передачи   энергии   от   одного двигателя   к   нескольким   производственным   машинам,   валы   которых вращаются с неодинаковыми угловыми скоростями. Классификация механических передач: 1. По способу передачи движения различают механические передачи: ­ трением (фрикционные, ременные); ­ передачи зацеплением (зубчатые, червячные, винтовые, цепные). 2. По способу соединения звеньев передачи делят на: 14 ­   передачи   непосредственного   контакта   (зубчатые,   червячные, винтовые, фрикционные); ­ передачи гибкой связью (ременные, цепные). 2.3. Основные параметры механических передач В   каждой   передаче   различают   два   основных   вала   ­   ведущий   и ведомый (индексы 1 и 2). К основным параметрам передач относят (рисунок 2.3): ­ мощность на входе P1 и на выходе P2 передачи; ­ быстроходность, которая выражается частотой вращения n1 и n2 (об/мин),   угловой   скоростью   w1   и   w   2   (с­1)   или   линейной   скоростью (м/сек). К дополнительным (производственным характеристикам) относят: ­ коэффициент полезного действия: ­ передаточное отношение: i ­ передаточное отношение многоступенчатой передачи; i1 ,i2 ,in ­ передаточное отношение каждой из передач. Для   понижающей   передачи   i   >   1   (w   1   >   w   2   ),   такие   закрытые передачи называют редукторами. Для повышающих передач i < 1 (w 1 < w 2 ), такие передачи называют мультипликаторами. Рисунок 2.3. ­  Схемы к определению кинематических параметров передач: а ­ передачи трением; б ­ передачи зацеплением Передачи выполняют с постоянным или переменным передаточным отношением. Причём, регулирование передаточного отношения может быть ступенчатым   и   бесступенчатым.   Ступенчатые   передачи   выполняют   в коробках   скоростей   с   зубчатыми   колёсами,   в   ремённых   передачах   со 15 ступенчатыми шкивами. Бесступенчатые ­ фрикционные передачи, цепные вариаторы.  Контрольные вопросы: 1.   Перечислите   виды   кинематических   пар   в   зависимости   от   вида движения. 2. Какими могут быть механизмы по фукциональному назначению? 3. Дайте определение понятию «привод»? 4.Чем   вызвана   необходимость   введения   передачи   как промежуточного звена между двигателем и рабочим органом машины? 5. Какие функции могут выполнять механические передачи? 6. Что такое передаточное отношение? 7.   Как   определить   передаточное   отношение   многоступенчатой передачи? 8. Как определить КПД многоступенчатой передачи? 9. Какова   зависимость   между  мощностями  на  ведущем  и  ведомом валах передачи? 10. Какова зависимость между вращающими моментами на ведущем и ведомом валах передачи? Практическое задание: выполните тест Инструкция: выберите один правильный ответ Вопрос  Опишите  взаимное положение валов   в передаче 10­11, см.  рис.3. 1. Показать на рис. 1 червячную  передачу Покажите на рис.3.1     машину­ орудие (поз.I, II, III, IV) Назначение механических передач Ответ Код Передача с параллельными валами Передача с пересекающимися валами Передача с перекрещивающимися валами Определить нельзя Поз. 2­3 Поз. 4­5 Поз. 6­7 Поз. 10­11 Поз. 12­13 I II III IV Вырабатывать энергию Воспринимать энергию Затрачивать энергию на преодоление внешних сил, непосредственно связанных с процессом  производства. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16 Как классифицируют зубчатую  передачу по принципу передачи  движения? Преобразовывать скорость, вращающий момент,  направление вращения Трением Зацеплением Непосредственно контактом деталей, сидящих на  ведущем и ведомом валах Передача с гибкой связью 17 18 19 20 21 I                          II                                             III                                             IV                                              Рисунок 2.4. 3 Фрикционные передачи 3.1 Общие сведения Фрикционная   передача   ­   механизм,   служащий   для   передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью сил трения, возникающих   между   насаженными   на   валы   и   прижатыми   друг   к   другу дисками, цилиндрами или конусами. Простейшая   передача   включает   в   себя   ведущий   и   ведомый   катки (рисунок   4.1,   а)   и   две   опоры,   одна   из   которых   может   смещаться   для создания начального прижатия катков. 17 Рисунок 3.1. ­ Схемы фрикционных механизмов Достоинства: 1) простота конструкции и обслуживания; 2) равномерность и бесшумность вращения; 3)   возможность   бесступенчатого   регулирования   передаточного числа,причем на ходу, без останова передачи; 4) невозможность аварий при перегрузках. Недостатки: 1)   большое   и   неравномерное   изнашивание   рабочих   поверхностей катков при буксовании; 2) большие нагрузки на валы и подшипники от прижимной силы, r F что требует увеличения размеров валов и подшипников и, следовательно, делает передачу громоздкой. Этот недостаток ограничивает передаваемую мощность; 3) непостоянное передаточное число из­за проскальзывания катков. Фрикционные   передачи   классифицируют   по   следующим признакам: 1. По расположению осей валов ­ с параллельными осями (рис. 3.1, а ); ­ с пересекающимися осями (рис. 3.1, б); ­ со скрещивающимися осями (рис. 3.3 в). 2. В зависимости от назначения: ­ с нерегулируемым передаточным числом (рис. 3.1); ­ с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа (рис. 3.3). Такие передачи называют вариаторами. 3. По форме тел качения: ­ с цилиндрическими катками; 18 ­ с коническими катками и др. 4. В зависимости от условий работы: ­ открытые ­ работают всухую; ­ закрытые ­ работают в масляной ванне. В   открытых   фрикционных   передачах   коэффициент   трения   f выше,прижимная сила r F катков меньше. В   закрытых   фрикционных   передачах   масляная   ванна   обеспечивает хороший   отвод   тепла,   делает   скольжение   менее   опасным,   увеличивает долговечность передачи.   например, Фрикционные   передачи   с   нерегулируемым   передаточным   числом   в машиностроении   применяют   сравнительно   редко,   во фрикционных прессах, молотах. В качестве силовых передач они громоздки и   малонадежны.   Эти   передачи   используют   преимущественно   в   приборах (спидометры,магнитофоны и др.), где требуется плавность и бесшумность работы.   Фрикционные   передачи   с   бесступенчатым   регулированием   — вариаторы   —   широко   применяют   в   различных   машинах,   например   в металлорежущих станках, в текстильных и транспортирующих машинах и т. д. Фрикционные передачи предназначены для мощностей, не превышающих 20 кВт, окружная скорость катков допускается до 25 м/с. Материалы катков. Материалы фрикционных катков должны иметь высокие   коэффициент   трения   скольжения   f   и   модули   упругости   E   , обладать высокой износостойкостью и прочностью рабочих поверхностей. Максимальную нагрузочную способность имеют катки из закаленной стали типа ШХ15, которые могут работать в масленой ванне и всухую. При­ меняются   в   силовых   передачах   также   чугунные   катки   и   сочетания текстолитовых   и   стальных   или   чугунных   катков.   Кроме   того,   для изготовления   катков   или   их   облицовки   (для   повышения   коэф.   трения) применяют кожу, резину, прорезиненную ткать, дерево, фибру и др. Катки неметаллические работают всухую. При использовании разных материалов тел качения ведущий каток имеет   меньшую   прочность   во   избежание   задиров   в   случае   буксования передачи. Принцип   равной   работоспособности   тел   качения   при   этом   не нарушается,   т.к   рабочая   поверхность   ведущего   катка   является опережающей и обладает большей нагрузочной способностью по сравнению с ведомым катком. 3.2. Виды разрушения рабочих поверхностей фрикционных кат­ ков 19 1.   Усталостное выкрашивание встречается в закрытых передачах, работающих при обильной смазке и защищенных от попадания абразивных частиц.   Прижимная   сила,   вызывает   в   месте   касания   катков   высокие контактные   напряжения,   которые   при   работе   циклически   меняются вследствие перемещения места контакта по ободу катка. Циклическое   действие   контактных   напряжений   способствует развитию   усталостных   микротрещин   на   рабочих   поверхностях.   При движении  с трением в поверхностном слое катка образуются наклонные микротрещины в результате пластического течения металла. Силы трения сдвигают   металл,   а  масло   под   высоким  давлением  заполняет   раскрытые трещины.   При   закрытии   трещин   давление   масла   возрастает   и   частицы металла   отделяются.   На   рабочей   поверхности   катка   появляются   мелкие раковины.   Для   предотвращения   усталостного   выкрашивания   производят расчет на контактную прочность. Повышение   твердости   поверхностей   катков   обеспечивает   более высокие допустимые контактные напряжения.   2.   Задир   возникает   в   быстроходных   сильно   нагруженных передачах при разрыве масляной пленки на рабочей поверхности катков. В месте   касания   катков   развивается   высокая   температура,   масляный   слой разрывается,   и   катки   непосредственно   соприкасаются   друг   с   другом.   В результате происходит привар частиц металла с последующим отрывом от одной из поверхностей катков. Приварившиеся частицы задирают рабочие поверхности   в   направлении   скольжения.   Для   предупреждения   задира применяют специальные масла.          3. Износ — повышенный износ имеют открытые передачи. Таким образом, все виды разрушения рабочих поверхностей катков зависят от контактных напряжений, следовательно, основной расчет – расчет  на прочность по контактным напряжениям. Контрольные вопросы и задания 1. Перечислите основные виды фрикционных передач? 2.   Какими   достоинствами   и   недостатками   обладают   фрикционные передачи? 3.   Какие   материалы   применяются   для   изготовления   рабочих поверхностей фрикционных катков? 4. Какими свойствами должны обладать материалы? 5.   Как   обеспечивается   непрерывное   нажатие   катков   фрикционных передач? 6. Что такое задир рабочих поверхностей катков? 20 7.   Какими   средствами   можно   предупредить   задир   рабочих поверхностей катков? 8.   Объясните   процесс   усталостного   выкрашивания   рабочих поверхностей катков закрытой передачи 9. Какие устройства называют вариаторами? 10.   Что   такое   диапазон   регулирования   вариаторов   и   как   он определяется? 11.   Что   является   критерием   работоспособности   фрикционных передач? Выполните тестовое задание: выберите один правильный ответ 1. Может ли нормально работать фрикционная передача, если оба катка  будут вращаться относительно подшипников, неподвижно закрепленных в  корпусе? А. Может. В. Не может. 2.  Какие   фрикционные   передачи,   изображенные   на   рис.1,   могут   быть использованы в качестве вариаторов? А. Передача на рис.3.2, а и г. В. Передача на рис.3.3, в и д. 3. Как следует изменить диаметр ведущего катка, чтобы увеличить угловую скорость ведомого? А. Уменьшить. В. Увеличить. 4. При каком положении ведущего диска А   (рис.2)   угловая скорость  вращения ведомого диска   В   будет наименьшей? А. Если диск А наиболее близко расположен к оси вращения диска В. В. Если диск А наиболее удален от оси вращения диска В. 5. Как следует изменить силу нажатия фрикционных цилиндрических  катков, если при передаче одного и того же вращающего момента катки  заменить другими, с диаметрами в два раза больше первоначальных? А. Силу нажатия следует увеличить в два раза. В. Силу нажатия следует увеличить в четыре раза. С. Силу нажатия следует уменьшить в два раза. Д. Силу нажатия следует уменьшить в четыре раза. 21 А) Б)     В)     Д)                                       Рисунок 3.2                                                 Рисунок 3.3 4.Зубчатые передачи 22 4.1. Достоинства, недостатки, области применения, классификация зубчатых передач Механизм, предназначенный для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью находящихся в зацеплении зубчатых колес,   называют   зубчатой   передачей.   Зубчатые   передачи   могут   быть   с внешним   (рисунок   4.1,   а,   в,   г,   д,   е)   и   внутренним   (рисунок   4.1,   б) зацеплением, а также реечными (рисунок4.1, з). Наиболее распространены передачи с внешним зацеплением. Рисунок 4.1.­ Виды зубчатых передач К достоинствам зубчатых передач относят: ­   возможность   передачи   практически   любых   мощностей   (до   50000 кВт и более) при широком диапазоне окружных скоростей (до 30...150 м/с). При   высоких   скоростях   рекомендуют   применять   передачи   с   косыми зубьями. ­ постоянство передаточного отношения; ­   компактность,   надежность   и   высокую   усталостную   прочность передачи; ­ высокий КПД (h = 0,95..0,98 ) при высокой точности изготовления и монтажа; ­ простота обслуживания и ухода; 23 ­ сравнительно небольшие силы давления на валы и их опоры; ­   возможность   изготовления   из   самых   разнообразных   материалов, металлических и неметаллических. Недостатки: ­   ограниченность   передаточного   отношения.   Для   одной   пары зубчатых   колес   imax   =   12,5,   но   практически   i   £   7,   лишь   в   открытых тихоходных, малонагруженных передачах i £ 15 ; ­   вибрации   и   шум,   особенно   при   низком   качестве   изготовления   и монтажа и значительных скоростях; ­ поломка деталей при больших перегрузках; ­   относительная   сложность   изготовления   высокоточных   зубчатых колес. По применению и распространению в различных областях народного хозяйства зубчатые передачи по праву занимают первое место. В любой отрасли машиностроения, приборостроения, на транспорте и т.д. зубчатые передачи находят широкое применение. Классификация зубчатых передач: 1. По конструктивному оформлению: ­ открытые, не имеющие защитного кожуха и масляной ванны; ­ полуоткрытые, имеющие защитный кожух; ­   закрытые,   имеющие   картер   и   крышку,   хорошо   изолирующие передачу от внешней среды. 2. По окружной скорости: ­ тихоходные ( до 3­4 м/с); ­ средне­скоростные (4 м/с  до 15 м/с); ­ высокоскоростные (  > 15 м/с). 3. По взаимному расположению осей валов: ­ с параллельными осями валов (цилиндрические передачи рисунок 4.1, а, б,в, г); ­ с пересекающимися осями валов (конические передачи рисунок 4.1, д, ж); ­ со скрещивающимися осями валов (винтовые). 4. По форме линии зубьев: ­ с прямым зубом (рис. 4.1, а, б. д); ­ с косым зубом (рис. 4.1, в ); ­ с круговым зубом (рис. 4.1, е); ­ с шевронными зубьями (рис. 4.1, з). 5. По форме профиля зуба: ­ с эвольвентным (предложен Эйлером в 1754 году); ­ с круглым (предложен Новиковым в 1954 году). 24 4.2. Геометрические параметры цилиндрических передач Эвольвентой   или   разверткой   окружности   называют   кривую,   лежащей   в   плоскости   круга   и описываемую   точкой   прямой, перекатывающейся без скольжения по его окружности. Эту окружность называют основной окружностью эвольвенты. Зубья, профиль которых очерчен эвольвентой, относительно легко, просто и точно могут   быть   нарезаны   на   зуборезных   станках   простейшим   режущим инструментом ­ гребенкой (инструментальной рейкой) с прямолинейными режущими кромками. Эвольвентное   зацепление   обеспечивает   высокую   прочность   зубьев, простоту   и   удобство   измерения   параметров   зацепления,   а   также взаимозаменяемость зубчатых колес при любых передаточных отношениях. Непрерывное зацепление при вращении зубчатых колес с постоянным передаточным отношением возможно только в случае очерчивания профиля зуба   по   кривой,   подчиняющейся   основной   теореме   зацепления:   общая нормаль   (линия   зацепления,   см.   рисунок   4.2)   к   сопряженным   профилям зубьев делит межосевое расстояние (aw   ) на отрезки (O П 1 и O П 2 ), обратно пропорциональные угловым скоростям w1 и w2 . Положение точки П, называемой полюсом зацепления.  Окружности, касающиеся друг друга в полюсе зацепления, имеющие общие с зубчатыми колесами центры и перекатывающиеся одна по другой без скольжения, называют начальными. Если   заменить   одно   из   колес   зубчатой   рейкой,   то   для   каждого зубчатого   колеса   найдется   только   одна   окружность,   катящаяся   по начальной   прямой   рейки   без   скольжения;   эту   окружность   называют делительной (обозначают d). В дальнейшем рассматриваются только такие зубчатые передачи, у которых начальные и делительные окружности зубчатых колес совпадают. Окружность, ограничивающую высоту зубьев, называют окружностью вершин (выступов) зубчатого колеса; ее диаметр обозначают da.  Окружность,   ограничивающую   впадины   зубьев,   называют окружностью впадин зубчатого колеса; ее диаметр обозначают df. Часть   профиля   зуба,   ограниченная   делительной   окружностью   и окружностью выступов, называют головкой зуба (ha). Часть профиля зуба, ограниченная делительной окружностью и окружностью впадин, называют ножкой зуба (hf).  Высота зуба ­ h = ha + hf . Окружной   шаг   зубьев   (р)   –   расстояние   между   одноименными сторонами двух соседних зубьев, взятое по длине делительной окружности. 25 Он   складывается   из   окружной   толщины   зуба   (s)   и   окружной   ширины впадины зуба Рисунок 4.2. Эвольвентное некорригированное зацепление Прямую линию, проходящую через полюс зацепления П касательно к основным   окружностям   шестерни   (зубчатое   колесо   с   меньшим   числом зубьев) и колеса, называют линией зацепления. Линия зацепления является линией давления сопряженных профилей зубьев в процессе эксплуатации зубчатой передачи. Угол a w , образованный линией зацепления и общей касательной, проведенной   через   полюс   зацепления   к   делительным   окружностям шестерни и колеса, называют углом зацепления. По стандарту a w = 20° . Для предотвращения заклинивания, компенсации температурных де­ формаций,   а   также   ошибок   изготовления   и   сборки   предусмотрен радиальный зазор ­ с. Кроме того, для обеспечения нормальной работы, необходим боковой зазор между зубьями соприкасающихся колес. Часть делительной окружности, приходящейся на один зуб колеса, называют модулем зацепления. Модуль   –   основной   параметр   зацепления.   Значения   модулей стандартизированы.   Все   размеры   зубчатых   колёс   вычисляют   с   учетом модуля зацепления ­ m. 26 Например для прямозубых цилиндрических передач: ­ диаметр делительной окружности d = m× z ; ­ диаметр выступов зубьев da = d + 2 × m; ­ диаметр впадин зубьев d f = d ­ 2,5× m; ­ высота головки зуба ha = m; ­ высота ножки зуба h m f = 1,25 × ; ­ высота зуба h = 2,25 × m; ­ межосевое расстояние  a = d1 + d2 = m× z1 + z2 w , где z1 и z2 ­ число зубьев шестерни и колеса. 4.3. Особенности геометрии косозубых цилиндрических колес У   косозубых   колес   зубья   располагаются   не   по   образующей делительного цилиндра, а составляют с ней некоторый угол b (рисунок 4.3) Рисунок 4.3. Схема косозубого цилиндрического колеса Наклон  зуба  при  его  нарезании  образуют  соответствующим поворотом  инструмента  на  угол  b.  Профиль  косого  зуба  в  нормальном 27 сечении  n­n  совпадает  с  профилем  прямого  зуба.  Модуль  в  этом  сечении обозначают mn . В  отличие  от  прямозубой  передачи  в  косозубой  зубья  входят  в зацепление  не  сразу  по  всей  длине,  а  постепенно.  Увеличивается  время контакта одной пары зубьев, в течение которого входят новые пары зубьев, нагрузка  передается  большему  числу  контактных  линий,  что  значительно снижает шум и динамические нагрузки. Причем, чем больше угол наклона линии зуба, тем выше плавность зацепления. Такие передачи рекомендуют применять в качестве быстроходных. Основной  недостаток  косозубых  передач  ­  возникновение  осевой силы,  усложняющей  конструкцию  опор  и  сдвигающей  колесо  по  валу. Вследствие  этого  величину  угла  наклона  зуба  ограничивают  в  пределах 8..18о.  Избавиться  от  этого  недостатка  можно,  применив  шевронный  зуб (как  бы  сдвоенный  косозубый).  При  этом  осевые  силы  на  каждой  из половинок  колеса  взаимоуравновешиваются.  Угол  наклона  зуба  у  таких колес достигает 40…45о.__ Выполните тестовое задание Инструкция: выберите  правильные ответы Вопрос  Как называется деталь,  изображенная на рисунок 4.4? Как называется деталь 1,  изображенная на рисунке 4.4? Как называется окружность  (см.рисунок 4. 5), диаметр которой  равен 140мм? Как называется окружность (см.  рисунок 4. 5), диаметр которой  равен 130мм? Напишите формулу для  определения модуля зубчатого  зацепления Ответ Код Зубчатое колесо цилиндрическое Зубчатое колесо коническое Червячное колесо Червяк Шестерня Колесо Звездочка Шкив Начальная окружность Окружность вершин зубьев Делительная окружность Окружность впадин Окружность ступицы колеса Окружность впадин Окружность вершин зубьев Делительная окружность π/p p /π hf  = ha 1 2 3 5 6 7 8 9 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 28 1 0 3 1                 0 4 1                                                                                                                                   Рисунок 4.4                                                  Рисунок  4.5 4.3 Виды разрушения зубьев и критерии работоспособности зубчатых передач В процессе работы передачи на зуб действует нагрузка, передаваемая зацеплением   и   силы   трения.   Повторно   ­   переменное   воздействие   этой нагрузки приводит к следующим видам повреждения зубьев: ­ поломке зубьев; ­ выкрашиванию рабочих поверхностей; ­ износу и заеданию зубьев. 1.Поломка зубьев – наиболее опасный вид разрушения. Усталостные трещины образуются у основания зуба на той стороне, где от изгиба возникают наибольшие растягивающие напряжения. Прямые короткие зубья выламываются   полностью,   длинные,   особенно   косые,   обламываются   по косому   сечению   (рисунок   4.6.).   Поломку   предупреждают   расчётом   на прочность   по   напряжениям   изгиба,   применением   корригирования, увеличением точности изготовления колёс и их монтажа. 29 Рисунок 4.6 –Поломка зуба Рисунок 4.7 – Усталостное выкрашиыание Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев является основным видом разрушения для большинства зубчатых передач. В результате   действия   повторно   –   переменных   контактных   напряжений   в околополюсной   зоне   появляются   микротрещины.   Развитию   трещин способствует расклинивающий эффект смазки, что приводит к образованию на поверхности зуба мелких ямок, переходящих далее в раковины (рисунок 4.7, а). Усталостное выкрашивание предупреждают расчётом на контактную прочность,   повышением   твердости   поверхности   зуба,   применением корригирования,   повышением   точности   изготовления   зубьев,   выбором рационального сорта масла. 30 Износ зубьев – основной вид разрушения зубьев открытых передач. По мере износа зуб утончается (рисунок 4.7, б), ослабляется его ножка, что, в конечном счёте, приводит к его поломке. Износ уменьшают защитой от пыли и грязи, повышением поверхностной твёрдости зубьев, понижением шероховатости зубьев, применением правильно выбранной смазки. Заедание зубьев. Заключается в приваривании частиц одного зуба к другому   вследствие   местного  повышения  температур   в  зоне   зацепления. Образовавшиеся наросты на зубьях задирают рабочие поверхности других зубьев, бороздя их в направлении скольжения (рисунок 4.7, в). Заедание зубьев   предупреждают   повышением   твердости   и   понижением шероховатости   рабочих   поверхностей     применением корригирования, правильным подбором противозадирных масел. зубьев, Таким   образом,   для   закрытых   зубчатых   передач   основным, выполняемым   в   качестве   проектного   расчета,   является   расчёт   на контактную прочность; расчёт на изгиб выполняют как проверочный. Для открытых передач наоборот. 4.4. Материалы зубчатых колес и их термообработка Практикой   эксплуатации   и   специальными   исследованиями установлено, что величина нагрузки, допускаемой контактной прочностью зубьев, определяется в основном твердостью материала колёс. Основным материалом для изготовления зубчатых колес в настоящее время является сталь. В зависимости от твердости стали делят на две основные группы: ­   твердость   НВ   ≤350   ед.,   термообработка   ­   нормализация   или улучшение; ­ твердость НВ > 350 ед., что достигается применением следующих видов   термообработки:   объёмная   закалка,   закалка   ТВЧ,   цементация, азотирование и др. Эти   группы   различны   по   технологии   их   обработки,   нагрузочной способности и приработке. Твердость   материала   НВ   ≤350   позволяет   производить   чистовое нарезание   зубьев   после   термообработки.   При   этом   добиваются   высокой точности   без   применения   дорогостоящих   операций.  Колеса   этой   группы хорошо   прирабатываются.   Для   лучшей   приработки   зубьев   твердость шестерни рекомендуют назначать больше твердости колеса: ­ для прямозубых колес HB1 ≥ HB2 + (20…25); ­ для косозубых колес HB1 ≥ HB2 + (70…80). 31 Для твердых материалов (НВ > 350) твердость обычно определяют способом   Роквелла,   при   этом   твердость   обозначается   HRC (ориентировочно НВ = 10 HRC). Специальные виды термообработки позволяют получить твердость 45…65   HRC.   При   этом   допускаемые   контактные   напряжения увеличиваются в 2 раза, а нагрузочная способность передачи до 4 раз. К   недостаткам,   ограничивающим   применение   твердых   материалов для изготовления колес, следует отнести следующее: ­   высокотвердые   материалы   плохо   прирабатываются,   поэтому   они требуют повышенной точности изготовления, повышенной жесткости опор валов; ­   термообработку   производят   после   нарезания   зубьев,   что   часто приводит   к   значительному   короблению   зубьев.   Для   устранения   этого явления необходимо применять специальные виды механообработки, резко удорожающие изготовление колёс. Колеса,   изготовленные   из   материалов   с   НВ   >   350,   могут   иметь одинаковую твердость. Для   изготовления   зубчатых   колёс   тихоходных   открытых   передач рекомендуют применять чугуны марок СЧ15…СЧ35. Зубья чугунных колёс хорошо прирабатываются, но имеют пониженную прочность на изгиб.                       В   быстроходных   малонагруженных   передачах   для   шестерен, работающих   в  паре   с  металлическими   колёсами,  применяют   пластмассы типа   текстолит,   капрон,   полиформальдегид   и   др.   Зубчатые   колёса   из пластмасс отличаются бесшумностью и плавностью хода. Контрольные вопросы и задания 1. Каковы основные достоинства и недостатки зубчатых передач по сравнению с другими передачами? 2. По каким признакам классифицируются зубчатые передачи? 3. В чем сущность основной теоремы зацепления? 4. Что называется полюсом зацепления, линией зацепления и углом зацепления? 5. Какие окружности зубчатых передач называют делительными? 6. Что называется шагом и модулем зубчатого зацепления? 7. Каково влияние числа зубьев на их форму и прочность? 8. Что понимают под корригированием? 9. В каких случаях рекомендуют применять корригирование? 10. Какие факторы влияют на выбор степени точности изготовления зубчатых колес? 32 11.   В   чем   заключается   особенность   расчета   косозубой цилиндрической передачи? 12. Какие материалы применяются для изготовления зубчатых колес? 13. По какому признаку материалы зубчатых колес делятся на две группы? 14. Перечислите виды разрушения зубьев колес. 15. Опишите меры предупреждения поломки зубьев 16.   Опишите   меры   предупреждения   усталостного   выкрашивания поверхности зубьев. 17. Назовите критерии работоспособности зубчатых передач. 18. При каких условиях работоспособность цилиндрической передачи обеспечена? 33 5.Планетарные и волновые передачи 5.1. Планетарные передачи       Планетарными называют передачи, которые имеют хотя бы одну подвижную   геометрическую   ось   зубчатого   колеса.   В   планетарных передачах   применяются   цилиндрические   или   конические   колеса.   Зубья могут быть прямые или косые. Существует множество различных схем планетарных механизмов. На   рисунке   5.1.   показана   схема   четырехзвенной   простейшей планетарной зубчатой передачи, состоящей из центрального вращающегося колеса 1 с неподвижной осью; сателлитов 2, оси которых перемещаются; неподвижного колеса 3 с внутренними зубьями; вращающегося водила h, на котором   закреплены   оси   сателлитов.   При   работе   планетарной   передачи сателлиты   2   совершают   движение   подобное   движению   планет (плоскопараллельное движение). 34 Рисунок 5.1. Планетарная зубчатая передача Ведущим   в   планетарной   передаче   может   быть   либо   центральное колесо,либо водило. Если в планетарной передаче (рисунок 5.1) освободить неподвижное колесо 3 и сообщить ему дополнительное вращение, то рассматриваемый механизм превратится в дифференциал. С помощью дифференциала одно движение можно разложить на два или два сложить в одно. Например ­ от колес 1 и 3 передать движение водилу или от колеса 3 ­ колесу 1 и водилу. Планетарные   передачи   могут   быть   одно   ­   и   многоступенчатыми (образуются при последовательном соединении простых механизмов). Достоинства планетарных передач: ­ малая масса и габариты конструкций; ­   удобны   при   компоновке   машин   благодаря   соосности   ведущих   и ведомых валов; ­ работают с меньшим шумом, что связано с меньшими размерами колес и замыканием сил в механизме – при симметричном расположении сателлитов силы в передаче взаимно уравновешиваются; ­ малые нагрузки на валы и опоры; ­ возможность  получения больших передаточных чисел  (до 1000 и более). Недостатки планетарных передач: ­   повышенные   требования   к   точности   изготовления   и   сборки конструкции, ­ снижение КПД передачи с ростом передаточного числа. (Для одной ступени рациональные значения КПД=0,96­0,98 при u<16, для двух последовательно соединенных передач КПД=0,92­0,97 при u<125). Планетарную передачу применяют как ­ редуктор в силовых передачах и приборах; ­   коробку   перемены   передач,   передаточное   число   в   которой изменяются путем торможения различных звеньев (водила или одного из колес); ­ дифференциал в автомобилях, станках и приборах. 5.2. Волновые передачи Волновые   зубчатые   передачи   кинематически   представляют   собой планетарные передачи с одним гибким зубчатым колесом. 35 Наиболее распространенная волновая передача (рисунок 5.2) состоит из   водила   Н,   вращающегося   гибкого   колеса   1   с   наружными   зубьями   и неподвижного жесткого колеса 2 с внутренними зубьями. Водило   состоит   из   овального   кулачка   и   специального шарикоподшипника. Гибкое зубчатое колесо изготовляют в виде стакана с легко   деформирующейся   стенкой   и   соединяют   с   валом.   Длина   стакана колеса   близка   к   его   диаметру.   Жесткое   зубчатое   колесо   соединено   с корпусом. Зубья колес чаще всего эвольвентные. Сборку   зацепления   осуществляют   после   деформирования   гибкого колеса водилом. Гибкое колесо деформируется так, что на концах большой оси  овала зубья зацепляются  на полную  рабочую высоту. На  малой оси зубья   не   зацепляются.   Между   этими   участками   зацепление   частичное. Таким   образом,   волновая   передача   может   обеспечить   одновременное зацепление большого числа зубьев. В   волновой   передаче   преобразование   движения   осуществляется   за счет   деформирования   зубчатого   венца   гибкого   колеса.   При   вращении водила волна деформации бежит по окружности гибкого зубчатого венца; при этом венец обкатывается в обратном направлении по неподвижному жесткому   колесу,   вращая   стакан   и   вал.   Поэтому   передача   называется волновой, а водило волновым генератором. Рисунок 5.2 Схема волновой передачи \ 36 Существует много разновидностей волновых передач. Например, для передачи   движения   через   герметическую   стенку   в   химической, авиационной,   космической,   атомной   и   др.   отраслях   техники   применяют герметическую волновую передачу (рисунок 5.3). Гибкий зубчатый венец расположен   в   середине   глухого   стакана   1,   герметично   соединенного   с корпусом. Движение передается от генератора волн Н к жесткому колесу 2, соединенному с валом. Достоинства волновой передачи: ­ способность передавать большие нагрузки при малых габаритах, т.к. в зацеплении может находиться до 1/3 всех зубьев; ­  высокая  кинематическая  точность,  как  результат  многопарного зацепления; ­  большое  передаточное  число  при  малых  габаритах  и  сравнительно высоком КПД (для одной ступени u<315 при КПД=0,8 ­0,9); ­ высокая долговечность; ­ работа с меньшим шумом и высокой демпфирующей способностью. Рисунок 5.3. Схема волновой передачи движения в герметизированное пространство Недостатки: ­ сложность изготовления гибкого колеса и генератора; ­  ограничение  угловой  скорости  вала  генератора  при  больших диаметрах колес. Применение:  Волновые  передачи  применяют  в  подъемно­транспортных  машинах, станкостроении,  промышленных  роботах  и  манипуляторах,  химической промышленности, авиационной и ракетной технике и др. 37 Контрольные вопросы и задания 1. Какая зубчатая передача называется планетарной? 2.   В   каком   случае   планетарная   передача   называется дифференциалом? 3.   Перечислите   основные   достоинства   и   недостатки   планетарной передачи. 4.   Какой   принцип   применяют   при   определении   передаточного отношения планетарной передачи? 5. Назовите области применения планетарной передачи. 6.   В   чем   заключается   условие   соосности,   сборки   и   соседства планетарных передач? 7. Назовите основные элементы волновой передачи. 8. Как устроена и работает волновая передача? 9.   Перечислите   основные   достоинства   и   недостатки   волновой передачи. 10. Какой применяют профиль зубьев волновой передачи? 11.   Как   происходит   передача   движения   в   волновой   передаче   от ведущего звена к ведомому? 12. Назовите области применения волновой передачи. 13. Что является критерием работоспособности волновой передачи? 38 6. Червячные передачи 6.1. Классификация, достоинства, недостатки, области применения червячных передач Червячные  передачи  применяют  при  небольших  и  средних мощностях, обычно не превышающих 50 кВт. Применение этих передач для больших мощностей ограничено из­за сравнительно низкого КПД и требует специальных мер для охлаждения передачи. Червячные  передачи  широко  применяют  в  станках,  подъемно­ транспортных машинах, приборах и т.д. При  проектировании  передач  сочетающих  в  себе  зубчатые  и червячные  пары,  червячную  пару  рекомендуют  применять  в  качестве быстроходной  ступени,  т.к.  при  более  высоких  скоростях  создаются лучшие условия для смазки. Обычно  z1   =   1...4   ,  следовательно,  червячные  передачи  имеют большие  передаточные  червячных  передачах передаточное  число  рекомендуют  до  10…60;  в  приборах  и  делительных механизмах u до 300 и более. силовых  числа.  В  КПД червячной передачи зависит от числа заходов червяка (таблица 6.1). Достоинства передачи: ­ плавность и бесшумность работы; ­ компактность и сравнительно небольшая масса конструкции;__ ­ возможность большого редуцирования; ­ возможность осуществления самотормозящей передачи; ­ большая кинематическая точность.  Таблица 6.1. ­ Зависимость КПД  η  от числа заходов червяка z1 39 η  = 0,75­0,8      η  = 0,85­0,9 η  =0,8­0,85                 z1 = 1                z1 = 2               z1 = 3                           z1 = 4 η  = 0,7­0,75    Недостатки: ­ сравнительно низкий КПД; ­ повышенный износ и склонность к заеданию; ­ применение для колес дорогих антифрикционных материалов; ­ повышенные требования к точности сборки. Классификация червячной передачи: 1. В зависимости от формы внешней поверхности червяка передачи различают: ­ с цилиндрическим червяком (рисунок 6.1); ­ с глобоидным червяком (рисунок6.1). Рисунок 6.1 –Червячная передача 2. В зависимости от формы профиля резьбы цилиндрического червяка различают червяки: ­   архимедов   (в   осевом   сечении   имеет   трапецеидальный   профиль резьбы, в торцевом сечении очерчен архимедовой спиралью); ­ конволютный (в торцевом сечении имеет трапецеидальный профиль резьбы); ­ эвольвентный. Наибольшее применение получили архимедовы червяки. 40 3.   В   зависимости   от   направления   линии   витка   червяка   различают червячные передачи: ­ с правым направлением нарезки; ­ с левым. 4. В зависимости от числа витков различают: ­ многовитковые (многозаходные); ­ однозаходные червяки. 5.   В   зависимости   от   расположения   червяка   относительно   колеса различают передачи: ­ с нижним; ­ боковым; ­ верхним расположением червяка. Нижнее расположение обычно применяют при скорости скольжения до 4 м /с. 6.2. Материалы червячной пары Ввиду   того,   что   в   червячном   зацеплении   преобладает   трение скольжения,   материалы   червячной   пары   должны   иметь   низкий коэффициент трения, обладать хорошей износостойкостью и пониженной склонностью к заеданию. Для этого в червячной паре сочетают разнородные материалы при малой шероховатости соприкасающихся поверхностей. Различают   три   группы   материалов   для   изготовления   венцов червячных колес. Оловянистые   бронзы   отличаются   хорошими   противозадирными свойствами   и   считаются   лучшим   материалом   для   червячных   колес,   но вследствие   дефицитности   и   высокой   стоимости   олова   их   применение ограничивают   наиболее   ответственными   передачами   с   большими скоростями скольжения 5...25м/сек (I группа). При скоростях скольжения 2...5   м/сек   (II   группа)   рекомендуют   применять   более   доступные безоловянистые   бронзы   (например,   Бр.АЖ9­4),   которые   обладают повышенными   механическими   характеристиками,   но   имеют   пониженные противозадирные свойства. Применение червячных колес из серого чугуна также   лимитируется   заеданием   и   допускается   только   для   тихоходных малонагруженных   передач   при   скорости   скольжения   не   более  2   м/с  (III группа). Наилучшее   качество   работы   червячной   передачи   обеспечивают червяки,   изготовленные   как   из   цементируемых   сталей   (20Х,   18ХГТ)   с твердостью   после   термообработки   HRC   58…62,   так   и   из среднеуглеродистых сталей (45,40Х, 40ХН) с поверхностной закалкой до твердости HRC 45…55. С повышением твердости рабочих поверхностей 41 витков   сопротивление   заеданию   увеличивается.   Кроме   того,   требуемая шероховатость   поверхности   витков   червяка   равна   Rа   =   0,2   мкм,   что достигается шлифованием и полированием. Допускаемые   контактные   напряжения   для   оловянистых   бронз определяют   из   условия   сопротивления   усталостному   выкрашиванию рабочих   поверхностей   зубьев,   а   для   твердых   бронз   (безоловянистых)   и чугунов   принимают   из   условия   сопротивления   заеданию   либо   по эмпирическим   формулам,   либо   численно   в   зависимости   от   скорости скольжения. Допускаемые   напряжения   изгиба   находят   по   эмпирическим формулам   в   зависимости   от   материала   венца   червячного   колеса   и характера нагрузки. Контрольные вопросы и задания 1. Какие различают виды червяков? 2.  В  каких  случаях  и  почему  целесообразно  применять  червячную пере­ дачу? 3. Приведите классификацию червячной передачи. 4. Перечислите преимущества и недостатки червячной передачи 5. Как определяется КПД червячной передачи? 6. Почему КПД червячной передачи меньше, чем у зубчатой? 7. Назовите критерии работоспособности червячной передачи? 8.  Какие  материалы  рекомендуют  для  изготовления  червяков  и червяч­ ных колес? 9.  Какие  силы  действуют  в  зацеплении  червячной  пары  и  как  их опреде­ ляют? 10. Назовите особенности расчета червячной передачи по сравнению с зубчатыми передачами? 11. Как производится тепловой расчет червячных редукторов? 12.  Перечислите  способы  искусственного  охлаждения  червячной дачи? 13. Перечислите виды разрушения червячных пар 14. В чем смысл расчета червяка на жесткость? 15.  При  каких  условиях  работоспособность  червячной  передачи пере­ обеспечена? Выполните тестовое задание 42 Инструкция: выберите  правильные ответы Вариант№1 Вопрос  Определите,   сколько   витков имеет червяк, показанный на рис. 6.3 Определите   передаточное   число червячной передачи, если число зубьев колеса   равно  z2  =   30,   число   витков червяка z1 = 2 Какой   профиль   зуба   имеет червячное колесо цилиндри­ ческого   архимедова   червяка   в главном   сечении   (в   плоскости, проходящей через ось червяка?) Ответ 1 2 3 4 Определить нельзя 60 15 1/15 Определить нельзя Трапецеидальный Эвольвентный Циклоидальный Любой из перечисленных Определите делительный диаметр червяка, если dz = 150 мм, z1 = 4, z2 = 30, q = 10   Назовите распространенные варианты   сочетания   материалов   для червяка и червячного колеса   Какова   цель   теплового   расчета червячной передачи (редуктора)? Как   рассчитывают   открытые червячные передачи? 20 50 150 170 Сталь­чугун Чугун­чугун Бронза­сталь Сталь­бронза Чугун­бронза Уменьшить опасность заедания Снизить изнашивание зубьев из­ за   перегрева   масла   и   потери   им вязкости Ликвидировать усталостное  выкрашивание Предохранение от излома зубьев По напряжениям изгиба По контактным напряжениям На нагрев Какой параметр определяют при проектном расчете червячной передачи по напряжениям изгиба? m 43 Код 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Рисунок 6.3 Вариант 2 Инструкция: выберите  правильные ответы 1. Какое звено червячной передачи обычно бывает ведущим? А. Червяк. Б. Червячное колесо. 2.  Как изменится передаточное число червячной передачи, если при одном и том же числе зубьев колеса число заходов червяка увеличится с 2 до 4? А. Передаточное число увеличится в два раза. Б. Передаточное число увеличится в четыре раза. В. Передаточное число уменьшится в два раза. Г. Передаточное число уменьшится в четыре раза. 3.  Какой   модуль   зацепления   червячного   колеса   назначают   по стандарту? А. Нормальный модуль. Б. Торцевой модуль. 44 4.  При   каком   соотношении   угла   подъема   витков   червяка     и приведенного угла трения   червячная передача самотормозящая? А.  Б.  В.   >   =   <  5.  Определите   угол   подъема   витков   червяка,   если   число   заходов червяка 2, диаметр делительного цилиндра 120 мм, осевой модуль 10. 7. Редукторы  7.1. Классификация редукторов Редукторами   называют   механизмы,   состоящие   из   передач зацеплением   с   постоянным   передаточным   отношением,   заключенные   в отдельный   корпус   и   предназначенные   для   понижения   угловой   скорости выходного вала по сравнению с входным. Все редукторы классифицируют: по типам; по типоразмерам; по исполнению. Редуктор   состоит   из   передач.   Условились   каждую   передачу обозначать буквой. Например, Ц ­ цилиндрическая, К ­ коническая, Ч ­ червячная, П ­   планетарная, Г ­ глобоидная. Если одинаковых передач в редукторе   две   или   больше,   то   после   буквы   ставится   соответствующая цифра, например, К2, Ц3 и т.д. Широкий редуктор обозначают Ш, узкий ­ У, соосный ­ С.  45 Если   редуктор   совмещен   с   двигателем   (мотор­редуктор),   то   в обозначении его буква М. Наиболее   распространены   редукторы   с   валами   расположенными   в горизонтальной плоскости. Они специального обозначения не имеют. Если валы редуктора расположены в вертикальной плоскости, то к обозначению его   добавляется   буква   В.   Если   вертикально   расположена   тихоходная передача,   то   к   обозначению   редуктора   добавляется   буква   Т,   если быстроходная передача ­ буква Б. Если   редуктор   состоит   из   нескольких   разных   передач,   то   в обозначении его наблюдается сочетание букв. Таким образом, буквы, цифры, индексы определяют тип редуктора. Типоразмер редуктора определяют типом и главными параметрами тихоходной ступени. Такими главными параметрами для цилиндрических и червячных   редукторов   являются   межосевое   расстояние   w   a   в   мм,   для конических ­ внешний делительный диаметр колеса e2 d в мм. Эта величина ставится после обозначения типа редуктора через тире, например ЧЦВ­250. Исполнение редуктора определяют передаточным числом, вариантом сборки и формой концевых участков валов. Вариант сборки указывает в какую   сторону   расположен   выходной   конец   вала   редуктора   или   на   обе стороны   и   т.д.  Сам   выходной   конец   вала   может   иметь   цилиндрическую форму, коническую или на ней может быть нарезана резьба. В полном виде редуктор обозначают так: Рисунок 7.1. Особенности расчета цилиндрических редукторов; редукторов с коническими колесами; червячных редукторов Цилиндрические редукторы. Они имеют наибольшее распространение благодаря   их   долговечности,   относительной   простоте,   высокому КПД,большому диапазону скоростей и нагрузок. Число ступеней редуктора выбирают в зависимости от общего передаточного числа. Одноступенчатые редукторы (рисунок 7.2) применяют при передаточных числах до 7 (реже до 12,5). 46 Рисунок 7.2. Цилиндрический одноступенчатый редуктор При   передаточных   числах   от   7   до   40   выгоднее,   с   точки   зрения габаритов и массы, применять двухступенчатые редукторы, которые могут быть выполнены по различным схемам: ­ с последовательным расположением ступеней (рисунок 7.3). Такой редуктор   вытянут   в   длину,   несимметричное   расположение   колес, следовательно, неравномерное распределение нагрузки по длине зуба. При проектировании   этого   редуктора   необходимо,   чтобы   передаточное отношение   первой   ступени   было   больше   чем   у   второй,   что   позволяет выполнить редуктор более компактным 47 Рисунок 7.3 Цилиндрический двухступенчатый редуктор с последовательным ­ с раздвоенной тихоходной ступенью. Раздвоение последней ступени устраняет недостаток предыдущего редуктора. Особенность его расчета в том,   что   момент   на   тихоходном   валу   делят   пополам   и   расчет   каждой половины тихоходной ступени ведут по половинному крутящему 48 Рисунок 7.4.­  Цилиндрический двухступенчатый редуктор: с раздвоенной тихоходной ступенью, схема и вид – с раздвоенной быстроходной ступенью ­ соосный двухступенчатый цилиндрический редуктор. Особенность его конструкции в том, что оси быстроходного и тихоходного валов лежат на   одной   линии.   Он   отличается   большей   компактностью.   Особенности расчета такого редуктора в том, что вначале следует рассчитать наиболее нагруженную тихоходную ступень, а быстроходную ступень проверяют на 49 прочность   исходя   из   равенства   межосевых   расстояний   быстроходной   и тихоходной   ступеней.   При   этом   недогрузка   быстроходной   ступени   по контактным   напряжениям   может   достигать   40%.   Расположение   опор соосных редукторов внутри корпуса усложняет его конструкцию, приводит к   увеличению   длины   промежуточного   вала,   а,   следовательно,   и   его прогибов. Рисунок 7.5.­  Цилиндрический соосный двухступенчатый редуктор Редукторы с коническими колесами. Когда необходимо передавать вращающий   момент   между   пересекающимися   осями   валов,   применяют конические   редукторы   (рисунок   7.6).   Передаточные   отношения   таких 50 редукторов  с прямозубыми коническими колесами не превышают 4, а при косых и круговых зубьях не более 5. Рисунок 7.6. Конический редуктор Широкое применение находят комбинированные коническо­цилин­ дрические   двухступенчатые   редукторы   (рисунок   7.7). передаточных чисел в таких редукторах u = 6,3…28.   Диапазон Рисунок 7.8. Коническо­цилиндрические редукторы с горизонтальным и вертикальным расположением тихоходного вала 51 Червячные редукторы. Червячные редукторы применяют для переда­ движения между скрещивающимися валами. Червячные одноступенчатые редукторы применяют при передаточных числах от 6,5 до 60, максимум до 80.               Рисунок 7.9. Червячный редуктор Контрольные вопросы и задания 1. Что называется редуктором? 2. Каково его назначение в приводе машины? 3. Почему цилиндрические зубчатые редукторы получили широкое при­ менение в машиностроении? 4. По каким схемам выполняют цилиндрические двухступенчатые редукторы? 5. Дайте характеристику каждой схеме цилиндрического двухступенчатого редуктора. 6. Приведите классификацию редукторов. 7. Что определяет тип редуктора? 8. Как определяется типоразмер редуктора? 9. Что является основными параметрами цилиндрического редуктора? 10. Что является основными параметрами конического редуктора? 52 11. Что является основными параметрами червячного редуктора? 12. Поясните условное обозначение типоразмера редукторов: Ц2В­125­12,5; Ц2Ш­160­10; Ц2С­200­16; К­160­2,8; Ч­160­10. Литература 1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин [Текст]: М., Высшая школа, 2007 – 499 с 2. Детали машин [Текст]: Учеб. для вузов. ­ 4­е изд. / Д. Н. Решетов. – М.: Машиностроение, 1989. – 496 с. 3. Детали машин [Текст]: Учеб. для вузов / Л.А.Андриенко, Б.А.Байков, И.К. Ганулин и др.; Под ред. О.А.Ряховского. – 2­е изд., перераб. – М.: Изд­ во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. – 519 с 53 4. Шейнблит А. Е. Курсовое проектирование деталей машин [Текст]: учеб. пособие / А. Е. Шейнблит. – Калининград: Янтар. сказ., 2004 – 454 с 5. Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин [Текст] / П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов – М.: Высш. шк., 2004 – 447 с 6. Ковчегин, Д.А., Петракова, Е.А. Детали машин[Текст]: Учебный справочник к выполнению курсового проекта. – М.: МГИУ, 2007. – 128 с 7. ЦехновичЛ.И., Петриченко, И.П. Атлас конструкций редукторов. Киев. Вища школа,1979 ­ 127с 8. Курмаз Л.В. Детали машин. Проектирование [Текст]: учебн.пособие / Л.В. Курмаз, Скойбеда А.Т. – Мн.: УП «Технопринт», 2002 – 290 с 9. Расчет и проектирование зубчатых редукторов [Текст]: Справочник / Кудрявцев   В.Н.,   Кузьмин   И.С.,   Филиппенков   А.Л.;   Под   общ.   ред. В.Н.Кудрявецва. – СПб.: Политехника, 1993 – 448 с 10. Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов ма­ шин [Текст]: Конспект лекций по курсу «Детали машин». – М.: Машино­ строение, 2002. – 440 с 11. Механика [Текст]: Детали машин: учеб.пособие / Н.А.Дроздова, С.Х.Туман, О.Н.Рябов. – Красноярск: СФУ; ИЦМиЗ, 2007 – 128 с 54