Общие сведения о механических передачах

Для увеличения производительности и облегчения физического и умственного труда человека создаются машины — механические уст­ройства, выполняющие движения для преобразования энергии, материа­лов или информации. Всякая машина состоит из одного или нескольких механизмов — системы тел, служащих для преобразования движе­ний. Работа машин обязательно сопровождается тем или иным движением ее органов и в этом заключается основное отличие машин от сооружений — мостов, зданий и т. д. Устройства, предназначенные для измерений, производственного контроля, управления машинами, регули­рования технологических процессов, учета и других функций, называют­ся приборами. Приборы также состоят из механизмов.

Для приведения в движение рабочих машин им передается механи­ческая энергия от машин-двигателей. В подавляющем большинстве слу­чаев двигатели и исполнительные органы рабочих машин связываются не непосредственно, а с помощью механизмов, называемых передача­ми, которые бывают механические, гидравлические, пневматические и электрические. В дальнейшем мы будем заниматься только механически­ми передачами.

В технике наиболее распространено вращательное движение, поэто­му передачи для преобразования этого движения применяются весьма широко. Преобразование скорости вращательного движения сопровож­дается изменением вращающего момента. Механизм, предназначенный для передачи энергии от двигателя к ее потребителям с увеличением вра­щающих моментов за счет уменьшения частоты вращения, называется силовой передачей или трансмиссией.

Классификация и основные характеристики передач. В самом общем виде передачи можно классифицировать по способу передачи движения: передачи трением (фрикционные,решенные); пере­дачи зацеплением (зубчатые, червячные, цепные, винт—гайка); по способу соединения звеньев: передачи с непосредствен­ным контактом (фрикционные, зубчатые, червячные, винт—гайка); передачи гибкой связью (ременные,цепные).

Звено передачи, которое получает движение от машины-двигателя, на­зывается ведущим; звено, которому передается движение, называется ведомым; кроме того, в передачах бывают промежуточные звенья.

На рис. 4.1 схематически изображены передача гибкой связью (а) и передача с непосредственным контактом (б), причем индексом 1 обозна­чены параметры, относящиеся к ведущему звену, а индексом 2 — к ведонаправление вращения ведущего и ведомого звеньев совпадают, а во вто­рой — изменяется на противоположное.

Основные характеристики передачи: передаточное число, переда­ваемая мощность и КПД.

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

Передаточным числом передачи называется отношение большей угловой скорости к меньшей. Передаточное число не может быть меньше единицы.

В целях унификации обозначений передаточные отношения и пере­даточные числа всех передач будем обозначать и, при необходимости с двойным индексом, соответствующим индексам звеньев передачи. Итак, передаточное отношение

и₁₂=ω₁/ω₂ = n₁/n₂

Отметим, что в расчетные формулы на прочность деталей машин всегда входят передаточные числа, т. е. и > 1.

Передачи, у которых угловая скорость ведомого звена меньше угло­вой скорости ведущего, называются понижающими или редук­тор а м и; в противном случае передачи называются повышающими.

Механические передачи бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Передаточное отношение ряда последова­тельно соединенных передач равно произведению их передаточных от­ношений. Например, для двухступенчатого редуктора

и₁₄= и_12* и₃₄

Передачи выполняют либо с постоянным, либо с перемен­ным передаточным отношением, причем изменение передаточного от­ношения может быть ступенчатым или бесступенчатым. Ступенчатое ре­гулирование передаточного отношения осуществляется, например, ко­робками скоростей металлорежущих станков, автомобилей, тракторов. Механизм для плавного изменения передаточного отношения называется бесступенчатой передачей или вариатором.

На рис. 4.1 показаны две передачи, в которых к ведущему звену 1 при­ложен вращающий момент Т_ъ с помощью гибкой связи или непосредственно передающий ведомому звену 2 окружную силу F_t. Очевидно, что для любого звена вращающий момент и окружная сила связаны зависимостью

T = F_t D/2,

откуда окружная сила:

F_t=2T/D

Согласно третьему закону Ньютона, окружные силы ведущего и ве­домого звеньев равны (но противоположно направлены), следовательно, вращающие моменты на ведущем и ведомом валах будут различны и пропорциональны диаметрам соответствующих звеньев.

Из теоретической механики известно, что мощность Р при враща­тельном движении

Р = Tω.

Отношение мощности Р₂ на ведомом валу передачи к мощности P₁ на ведущем валу называется механическим коэффициентом полезного действия (КПД) и обозначается

Η=P₂/P₁

Механический КПД характеризует механические потери в передаче; для различных передач КПД находится в пределах от 0,25 до 0,98.

В многоступенчатых передачах (при последовательном соединении ступеней) общий КПД определяется как произведение КПД каждой сту­пени в отдельности

η=η₁η₂…η_p

Иногда КПД передачи определяют как произведение КПД отдельных элементов этой передачи. Например, для одноступенчатого зубчатого редуктора общий КПД

η=η_зη_п²η_p

где η_з, η_п, η_p — коэффициенты, характеризующие потери энергии со­ответственно: в зацеплении колес, в одной паре подшипников, на пере­мешивание и разбрызгивание масла в корпусе редуктора.

Так как Р₂ = ηР₁, то Т₂ω₂ = ηТ₁ и, откуда

Т₂ = ηТ₁ω₁ / ω₂ = ηТ₁ и.

Если потери в передаче невелики, то ими пренебрегают и принимают

T₂ = T_l и.

Предельное состояние передачи, при котором становится возможной потеря ее работоспособности, называется нагрузочной способ­ностью. Понятие запаса нагрузочной способности включает в себя по­нятие запаса прочности.