Устройство для преобразования вращательного движения в поступательное. Механизмы прямолинейного движения, схемы кулачковых механизмов Схема перехода поступательного движения в вращательное

Передачей называют техническое приспособление для передачи того или иного вида движения от одной части механизма к другой. Передача происходит от источника энергии к месту ее потребления или преобразования. Первые передаточные механизмы были разработаны в античном мире и использовались в системах орошения Древнего Египта, Междуречья и Китая. Средневековые механики значительно усовершенствовали устройства, передающие движение, и разработали множество новых видов, используя и в прялках и гончарном деле. Подлинный же расцвет начался в Новое время, с внедрением технологий производства и точной обработки стальных сплавов.

В различных станках, бытовых приборах, транспортных средствах и других механизмах используют разнообразные виды передач.

Обычно различают следующие виды передачи:

• вращательного движения;
• прямолинейного или возвратно-поступательного;
• движения по определенной траектории.

Самым широко применяемым типом механических передач являются вращательные.

Особенности зубчатого механизма

Такие механизмы предназначены для того, чтобы передавать вращение от одного зубчатого колеса к другому, используя зацепление зубцов. У них относительно малые потери на трение по сравнению с фрикционами, поскольку плотный прижим колесной пары друг к другу не нужен.

Пара шестерен преобразует скорость вращения вала обратно пропорционально соотношению числа зубцов. Это соотношение называют . Так, колесо с пятью зубьями будет вращаться в 4 раза быстрее, чем состоящее с ним в зацеплении 20-зубое колесо. Крутящий момент в такой паре уменьшится также в 4 раза. Это свойство используют для создания редукторов, понижающих скорость вращения с возрастанием крутящего момента (или наоборот).

Если необходимо получить большое передаточное число, то одной пары шестерен может быть недостаточно: редуктор получится очень больших размеров. Тогда применяют несколько последовательных пар шестерен, каждую с относительно небольшим передаточным числом. Характерным примером такого вида является автомобильная коробка передач или механические часы.

Зубчатый механизм способен также изменять направление вращения приводного вала. Если оси лежат в одной плоскости — применяют конические шестерни, если в разных- то передачу червячного или планетарного вида.

Для реализации движение с определенным периодом на одной из шестерен оставляют один (или несколько) зубец. Тогда вторичный вал будет перемещаться на заданный угол только каждый полный оборот ведущего вала.

Если развернуть одну из шестерен на плоскость – получится зубчатая рейка. Такая пара может преобразовывать вращательное движение в прямолинейное.

Параметры зубчатой передачи

Для того чтобы шестерни входили в зацепление и эффективно передавали движение, необходимо, чтобы зубья точно совпадали между собой по профилю. Регламентированы основные параметры, используемые при расчете:

• Диаметр начальной окружности.
• Шаг зацепления — расстояние между соседними зубцами, определенное вдоль линии начальной окружности.
• Модуль. – Отношение шага к константе π. Шестерни с равным модулем всегда входят в зацепление, независимо от количества зубцов. Стандартом предписывается допустимый ряд значение модулей. Через модуль выражаются все основные параметры шестерни.
• Высота зуба.

Важными параметрами также являются высота головки и основания зуба, диаметр окружности выступов, угол контура и другие.

Преимущества

Передачи зубчатого вида обладают рядом очевидных достоинств. Это:

• преобразование параметров движения (число оборотов и крутящий момент) в широких пределах;
• высокая отказоустойчивость и ресурс работы;
• компактность;
• малые потери и большой коэффициент полезного действия;
• небольшие нагрузки на оси;
• стабильность передаточного числа;
• несложное обслуживание и ремонт.

Недостатки

Зубчатым механизмам свойственны и определенные минусы:

• При изготовлении и сборке требуется высокая точность и специальная обработка поверхностей.
• Неизбежный шум и вибрация, особенно при высоких оборотах или больших усилиях
• Жесткость конструкции приводит к поломкам при стопорении ведомого вала.

При выборе вида передачи конструктор сопоставляет преимущества и недостатки для каждого конкретного случая.

Механические передачи

Механические передачи служит для того, чтобы передать вращение от ведущего вала к ведомому, от места генерации механической энергии (обычно — двигатель того или иного типа) к месту ее потребления или преобразования.

Как правило, двигатели вращают свой вал с ограниченным пределом изменения числа оборотов и крутящего момента. Потребителям же требуются более широкие диапазоны.

По методу передачи механической энергии среди передач различают следующие виды:

• зубчатые;
• винтовые;
• гибкие.
• фрикционные.

Зубчатые передающие механизмы, в свою очередь, подразделяются на такие виды, как:

• цилиндрические;
• конические;
• профиль Новикова.

По соотношению скорости вращения ведущего и ведомого валов различают редукторы (снижающие обороты) и мультипликаторы (увеличивающие обороты). Современная механическая коробка передач для автомобиля объединяет в себе оба вида, являясь одновременно и редуктором, и мультипликатором.

Функции механических передач

Главная функция механических передач — это предать кинетическую энергию от ее источника к потребителям, рабочим органам. Помимо главной, передаточные механизмы выполняют и дополнительные функции:

• Изменение числа оборотов и крутящего момента. При постоянном количестве движения изменения этих величин обратно пропорциональны. Для ступенчатого изменения применяют сменные зубчатые пары, для плавного подходят ременные или торсионные вариаторы.
• Изменение направления вращения. Включает как обычный реверс, так и изменение направления оси вращения с помощью конических, планетарных или карданных механизмов.
• Преобразование видов движения. Вращательного в прямолинейное, непрерывного в циклическое.
• Раздача крутящего момента между несколькими потребителями.

Механические передачи выполняют и другие вспомогательные функции.

Машиностроителями принято несколько классификаций в зависимости от классифицирующего фактора.

По принципу действия различают следующие виды механических передач:

• зацеплением;
• трением качения;
• гибкими звеньями.

По направлению изменения числа оборотов выделяют редукторы (снижение) и мультипликаторы (повышение). Каждый из них соответственно изменяет и крутящий момент (в обратную сторону).

По числу потребителей передаваемой энергии вращения вид может быть:

• однопотоковый;
• многопотоковый.

По числу этапов преобразования – одноступенчатые и многоступенчатые.

По признаку преобразования видов движения выделяют такие типы механических передач, как

• Вращательно-поступательные. Червячные, реечные и винтовые.
• Вращательно-качательные. Рычажные пары.
• Поступательно-вращательные. Кривошипно-шатунные широко применяются в двигателях внутреннего сгорания и паровых машинах.

Для обеспечения движения по сложным заданным траекториям используют системы рычагов, кулачков и клапанов.

Основные показатели для выбора механических передач

Выбор типа передачи — сложная конструкторская задача. Нужно подобрать вид и спроектировать механизм, наиболее полно удовлетворяющий техническим требованиям, сформулированным для данного узла.

При выборе конструктор сопоставляет следующие основные факторы:

• опыт предшествующих аналогичных конструкций;
• мощность и момент на валу;
• число оборотов на входе и на выходе;
• требуемый К.П.Д.;
• массогабаритные характеристики;
• доступность регулировок;
• плановый эксплуатационный ресурс;
• себестоимость производства;
• стоимость обслуживания.

При высоких передаваемых мощностях обычно выбирают многопоточный зубчатый вид. При необходимости регулировки числа оборотов в широком диапазоне разумно будет выбрать клиноременной вариатор. Конечное решение остается за конструктором.

Цилиндрические передачи

Механизмы такого вида выполняют с внутренним или с внешним зацеплением. Если зубья расположены под углом к продольной оси, шестерню называют косозубой. По мере увеличения угла наклона зубцов прочность пары повышается. Зацепление косозубого вида также отличается лучшей износостойкостью, плавностью хода и низким уровнем шума и вибраций.

Если необходимо изменить направление вращения, а оси валов лежат в одной плоскости, применяют конический тип передачи. Наиболее распространенный угол изменения – 90°.

Такой тип механизма более сложен в изготовлении и монтаже и, также как и косозубый, требует укрепления опорных конструкций.

Конический механизм может передать до 80% мощности по сравнению с цилиндрическим.

Реечная и ременная зубчатая передача

Стандарты

Основные параметры различных видов передач нормируются соответствующими ГОСТами:

• Зубчатые цилиндрические: 16531-83.
• Червячные 2144-76.
• Эвольвентные 19274-73.

Скачать ГОСТ 16531-83

Приводы для осуществления прямолинейного движения рабочих органов станков могут быть разбиты на механические, преобразующие вращательное движение в прямолинейное (рис 20, а-е), поршневые (рис 20, ж, з), магнитострикционные и термодинамические.

Механические приводы разделяются на реверсируемые и циклического действия. В реверсируемых приводах направление движения рабочего органа меняется при изменении направления вращения звена, преобразующего вращательное движение в прямолинейное, с помощью реверсивного привода вращательного движения.

Реверсируемые приводы состоят из привода вращательного движения I (рис 20, а) с механизмом реверса 2 и звена, преобразующего вращательное движение в прямолинейное перемещение рабочего органа 4. Для преобразования вращательного движения в прямолинейное могут быть использованы: винт 3 (рис 20, а), червяк 2 и червячная рейка (рис 20б), прямозубое, косозубое или шевронное реечное колесо 2 сцепляющееся с рейкой 1 (рис 20в), червяк или косозубое колесо 2, с осью расположенной под углом к направлению движения сцепляющееся с рейкой 1 (рис 20г) и гибкая передача 2 (рис 20д).

Рис. 20 Механизмы для прямолинейного движения

В зависимости от характера движения рабочего органа привод вращательного движения должен обеспечивать изменение скорости хода в соответствии с заданным режимом работы, изменение направления движения рабочего органа, получение быстрого хода в обоих или в одном направлении. В зависимости от требований, обусловленных характером движения рабочего органа, привод вращательного движения имеет более или менее сложную структуру механизмов для изменения скорости рабочих ходов, механизмов реверса и быстрых ходов, а также соответствующую систему механизмов переключения кинематических цепей и управления. Все это приводит к более или менее значительному усложнению конструкции приводов прямолинейного движения.

Важным достоинством реверсируемых приводов является возможность настройки длины хода и последовательности включения быстрых и рабочих ходов в соответствии с требованиями конкретной технологической операции, чем обусловливается применение этих приводов на универсальных и специализированных станках.

Следует заметить, что реверсируемые приводы пригодны при любой максимальной длине хода рабочего органа.

Плавность хода, точность перемещения, жесткость и к. п. д. реверсируемого привода в значительной мере зависят от формы передачи, применяемой для преобразования вращательного движения в прямолинейное.

На плавности хода и точности сказываются кинематическая точность и зазоры в передаче, преобразующей вращательное движение в прямолинейное.

Рассмотрим различные передачи, используемые для преобразования вращательного движения в прямолинейное в реверсивных приводах.

Передача винт-гайка (рис 20, а) может быть выполнена с особо высокой точностью. По нормали станкостроения для винтов нулевого класса допускаемые отклонения шага в пределах одного шага равны ±2 мк, а наибольшая накопленная ошибка шага на длине 300 мм равна 5 мк. Высокая точность изготовления обеспечивает при соответствующей конструкции привода высокую точность перемещений.

Так как передача винт-гайка позволяет получить низкую скорость прямолинейного движения при сравнительно большом числе оборотов винта, кинематические цепи приводов подачи и установочных перемещений при использовании этой передачи состоят из небольшого числа понижающих передач, что приводит к упрощению кинематики и конструкции привода и к уменьшению его приведенного момента инерции по сравнению с другими механическими приводами.

Так как жесткость передачи винт-гайка определяется деформациями растяжения или сжатия, а также (в меньшей степени) деформациями кручения, то при большой длине винта и малом диаметре жесткость передачи может оказаться недостаточной, что отрицательно сказывается на плавности и точности перемещений.

Существенным недостатком описываемой передачи является низкий к. п. д. Этот недостаток может быть устранен при использовании передачи винт-гайка с циркулирующими шариками в гайке. В этом случае трение скольжения заменяется трением качения, и к. п. д. возрастает до 0,9-0,98. Передачи этого типа находят все более широкое применение в станках и в первую очередь в различного рода следящих приводах.

Передачи винт-гайка широко используются в кинематических профилирующих цепях, приводах подачи и установочных перемещений, где при малой мощности приводов к. п. д. не имеет существенного значения, а положительные особенности данной передачи играют существенную роль.

В тех случаях, когда передача винт-гайка не может быть выполнена достаточно жесткой, применяют червячно-реечную передачу (рис 20б), рейка которой представляет собой как бы часть гайки большой длины. Так как длинный винт сравнительно небольшого диаметра заменен коротким червяком, то жесткость передачи оказывается значительно выше. Однако точность червячно-реечной передачи ниже передачи винт-гайка, так как червячная рейка может быть изготовлена только составной из отдельных кусков и не может быть выполнена с такой же высокой точностью как винт. К. п. д. этой передачи также ниже, так как диаметр червяка в силу конструктивных особенностей его размещения значительно больше диаметра винта, что приводит к снижению угла подъема и, следовательно, к. п. д. передачи.

Червячно-реечные передачи используются в тех случаях, когда для обеспечения плавности хода требуется высокая жесткость привода, а к точности перемещений предъявляются не столь жесткие требования: в механизмах подачи продольнофрезерных, расточных, карусельных и некоторых других видов станков.

Зубчато-реечная передача (рис 20, в) вследствие большей величины ошибок в шаге и зазоров по сравнению с передачей винт-гайка дает меньшую плавность хода и точность перемещения. Передача обладает высоким к. п. д. и сравнительно высокой жесткостью, применяется в приводах главного движения строгальных станков и в приводах подач токарных, револьверных, сверлильных, расточных и других станков.

В приводах главного движения строгальных станков реечная шестерня имеет большой диаметр, благодаря чему увеличивается коэффициент продолжительности зацепления и плавность хода. С этой же целью в приводах строгальных станков применяются косозубые и шевронные шестерни. Благодаря большому диаметру реечной шестерни в приводы приходится вводить большое число понижающих передач, что приводит к увеличению приведенного момента инерции привода.

В приводах подач реечная шестерня выполняется с малым числом зубцов 12-13. Для устранения подрезания зубьев применяют коррекцию.

В приводах продольнострогальных станков значительное распространение нашли реечные передачи, представленные на рис 20, г. Они выполняются с многозаходным червяком (косозубой шестерней с небольшим числом зубьев и большим углом наклона). Такие передачи имеют сравнительно высокий к. п. д., обеспечивают плавность хода и уменьшение числа понижающих передач в приводе.

В отдельных моделях станков для преобразования вращательного движения в прямолинейное применяются гибкие связи (рис 20д). К диску 1 прикреплена гибкая связь 2. В качестве гибкой связи может быть использована стальная лента, проволока, трос. С другой стороны связь прикреплена к поводку 3 рабочего органа 4. При повороте диска 1 рабочий орган перемещается прямолинейно. Гибкие связи в форме стальной ленты и проволоки обеспечивают при небольших нагрузках высокую точность перемещения и используются в механизмах обкатки различных зубообрабатывающих станков: зубошлифовальных, для строжки конических зубчатых колес и др.

В приводах циклического действия в отличие от реверсивных направление движения рабочего органа изменяется с помощью самого звена, преобразующего вращательное движение в прямолинейное, при этом направление вращения последнего звена остается неизменным.

К числу приводов циклического действия относятся кривошипные, кривошипно-кулисные и кулачковые" механизмы.

Кривошипные и кривошипно-кулисные приводы могут выполнять только некоторые из функций, которые возлагаются на привод прямолинейного движения.

Так, кривошипный привод выполняет только функции реверсивного механизма при изменении направления движения. Скорости прямого и обратного хода одинаковы и переменны по длине хода. Длина хода изменяется путем изменения радиуса кривошипа. При большой длине хода механизм становятся громоздким. Данный механизм находит ограниченное применение при малой длине хода 100-300 мм в приводах главного движения зубодолбежных и зубострогальных станков, где увеличение скорости обратного хода не дает заметного повышения производительности, в приводах подачи пазо- и шпоночнофрезерных станков. Кривошипно-кулисный механизм позволяет получить повышенную скорость обратного хода, которая является функцией рабочего хода и сравнительно незначительно превышает ее. Скорость по длине хода переменная. Механизмы этого типа с качающейся и вращающейся кулисой применяются в поперечнострогальных и долбежных станках при длине хода до 900-1000 мм.

Кулачковые механизмы (рис 20, ё) выполняют все функции привода прямолинейного движения за счет придания соответствующего профиля кулачку. Цилиндрический кулачок 1 с криволинейным пазом, в который входит ролик, прикрепленный к подвижному рабочему органу 2 на участке а имеет крутой подъем, соответствующий быстрому ходу вперед, на участке б - пологий подъем, соответствующий рабочему ходу, и на участке в - крутой спуск, соответствующий быстрому ходу назад. Таким образом, с помощью кулачкового механизма может быть легко осуществлена требующаяся последовательность движения рабочего органа с заданной скоростью и длиной хода, благодаря чему кулачковые механизмы находят широкое применение в станках-автоматах. Недостатком кулачковых механизмов является необходимость изготовления специальных кулачков применительно к конкретной технологической операции.

Поршневые приводы прямолинейного движения. При поршневых приводах (рис 20ж) рабочий орган 2 в большинстве случаев связывается непосредственно с подвижным поршнем 1 или цилиндром поршневого привода, что позволяет значительно упростить всю кинематику и конструкцию соответствующего узла станка. Лишь в отдельных случаях при осуществлении особо точных перемещениях и небольшой длине ходов рабочих органов вводятся промежуточные понижающие передачи от поршневого привода к рабочему органу (рис 20з).

Вследствие простоты конструкции поршневые приводы различного типа находят значительное распространение в станках.

Тема: «Передача вращательного движения».

Большинство современных машин и приборов создается по схеме двигатель – передача – рабочий орган (исполнительный механизм) (рис. 1).

Передача

Двигатель

Рабочий орган машины

Рис. 1

Причины применения передач:

необходимость изменения величины скорости и направления движения.

Необходимость увеличить в несколько раз вращающий момент на ведущих колесах (при трогании с места, на подъемах).

Назначение передач:

выбор оптимальной скорости движения;

регулирование скорости движения (повышение, понижение);

изменение вращающихся моментов и сил движения;

передача мощности на расстояние.

Передача – это механизм, служащий для передачи механической энергии на расстояние с преобразованием скоростей и моментов.

Для передачи вращательного движения используют: фрикционные, решетные, зубчатые, червячные, цепные передачи.

По принципу действия передачи делят на 2 группы:

Передачи, основанные на использовании сил трения между элементами передачи (фрикционные, решетные).

Передачи зацеплением, работающие в результате возникновения давления между зубьями или кулачками на взаимодействующих деталях (зубчатые, червячные, цепные).

Классификация передач:

По характеру изменения скорости передачи бывают понижающие и повышающие.

По конструктивному оформлению передачи бывают открытые (без закрывающего корпуса) и закрытые (общий корпус с герметизацией и смазкой).

По числу ступеней – одноступенчатые и многоступенчатые.

Раздел 3. Механизмы передач и преобразование движения. Разновидности, устройство, назначение.

Тема: «Передачи преобразующие движение».

Существует два вида преобразования движения:

преобразование вращательного движения в поступательное,

преобразование поступательного движения во вращательное.

Для преобразования вращательного движения в поступательное применяют реечную зубчатую передачу и передачу винт-гайка.

Для преобразования поступательного движения во вращательное применяют только реечную зубчатую передачу.

Реечная зубчатая передача

Передача и преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот осуществляется цилиндрическим колесом 1 и рейкой 2 (рис. 1).

Рис. 1. Реечная зубчатая передача

Достоинства реечной зубчатой передачи: надежность, компактность, долговечность, небольшие нагрузки на валы и подшипники, постоянство передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания.

Недостатки : высокие требования к точности изготовления, шум при больших скоростях, жесткость. Применяют в широком диапазоне областей и условий работы – от часов и приборов до самых тяжелых машин.

Передачи винт – гайка

Это винтовой механизм, служащий для преобразования вращательного движения в поступательное.

Эти передачи обеспечивают большой выигрыш в силе, возможность получения медленного движения, большую несущую способность при малых габаритах, возможность достижения высокой точности перемещений, простоту конструкции и изготовления – это их достоинства .

Эти передачи нашли широкое применение в различных механизмах: домкратах, винтовых прессах, механизмах перемещения столов, испытательных машинах, измерительных приборах.

Ведущим звеном, совершающим вращательное движение, может быть как винт 1 , так и гайка 2 .

К недостаткам этих механизмов относят: большие потери на трение и малых КПД, повышенная интенсивность и изнашивание резьбы из-за большого трения.

Передачи винт – гайка делятся на передачи скольжения и качения.

Передачи скольжения требуют наличия смазки между винтом и гайкой или гайка может быть выполнена из бронзы.

В передачах качения на винте и гайке выполняют винтовые канавки, которые служат дорожками качения для шариков (рис. 3).

Рис. 2 Передача винт – гайка Рис. 3 Шариковинтовая передача

Преобразование вращательного движения осуществля­ется разнообразными механизмами, которые называются пере­дачами. Наиболее распространенными являются зубчатые и фрикционные передачи, а также передачи гибкой связью (на­пример, ременные, канатные, ленточные и цепные). С помощью этих механизмов осуществляется передача вращательного движения от источника движения (ведущего вала) к приемнику дви­жения (ведомому валу).

Передачи характеризуются передаточным отношением или передаточным числом.

Передаточным отношеньем i называется отношение уг­ловой скорости ведущего звена к угловой скорости ведомого зве­на. Передаточное отношение может быть больше, меньше или равно единице.

Передаточным числом и двух сопряженных звеньев назы­вается отношение большей углевой скорости к меньшей. Пере­даточное число передачи всегда больше или равно единице.

В целях унификации обозначений передаточные отношения и передаточные числа всех передач мы будем обозначать буквой «и», в некоторых случаях с двойным индексом, соответствую­щим индексам звеньев передачи: .

Заметим, что индекс 1 приписывают параметрам ведущего звена передачи, а индекс 2 - ведомого.

Передача, у которой угловая скорость ведомого звена меньше угловой скорости ведущего, называется понижающей в противном случае передача называется повышающей.

В технике наибольшее распространение получили: 1) зубча­тые, 2) ременные и 3) цепные передачи.

1. Общие сведения о простейших зубчатых передачах их основных видах, а также конструктивных элементах зубчатых ко­лес, реек и червяков известны из курса черчения. Рассмотрим зубчатую передачу, схематически изображенную на рис. 2.17.

В месте соприкосновения зубчатых колес I и II скорости то­чек первого и второго колеса одинаковы. Обозначив модуль этой скорости v, получим . Следовательно, можно записать так: .

Из курса черчения известно, что диаметр делительной окружности зубчатого колеса равен произведению его модуля на число зубьев: d = mz. Тогда для пары зубчатых колес:

Рис.2.17

2. Рассмотрим ременную пе­редачу, схематически изображен­ную на рис. 10.6. При отсутствии

рис.2.18

проскальзывания ремня по шки­вам ,следовательно, для ременной пе­редачи .

В строительных машинах для преобразования вращательного движения в другие виды движений с целью передачи этого движения на рабочий орган применяются различные механизмы.

Реечный механизм, винтовой и кулисный

В строительных машинах для преобразования вращательного движения в другие виды движений с целью передачи этого движения на рабочий орган применяются различные механизмы .

Реечный механизм
Конструкция: ведущее зубчатое колесо и ведомая зубчатая рейка.

Применяется для преобразования вращательного движения в поступательное.
Конструкция: ведущий винт и ведомая гайка.

Применяется для преобразования вращательного движения в поступательное.
Конструкция: ведущий кулачок и ведомый шток с пружиной.

Конструкция: эксцентрик, шатун, ползун.

Применяется для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.
Конструкция: ведущий коленчатый вал с кривым шипом, ведомый шатун, ползун.

Применяется для преобразования вращательного движения в качающееся движение кулис.
Конструкция: ведущий диск, ползун, ведомая кулиса.
Применяется в бетононасосах.

Мальтийский механизм применяется для преобразования непрерывного вращающегося движения в прерывистое вращающееся движение.
Конструкция: ведущий диск с рычагом, ведомая мальтисса.

Храпповой механизм применяется для преобразования вращательного движения в прерывистое вращательное движение, но с остановкой и торможением.
Конструкция: ведущий элемент - храпповик, ведомый - собачка (остановочный элемент).