ЛЕКЦІЯ 4.

ПЕРЕДАЧІ

           Сучасні машини приводяться в рух головним чином паливними й електричними двигунами. У силу специфіки законів термогазодинаміки і електромагнетизму, ці двигуни більше швидкохідні, ніж було б зручно для людини, до того ж їх швидкість складно й погано регулюється. Виникає необхідність узгодження режимів роботи двигуна й виконавчого органа, з яким, властиво, і має справа оператор. Для цього створені передачі. Механічними передачами або просто передачами називаються механізми, які перетворять параметри руху від двигуна до виконавчих органів машини. Механічна енергія передається, як правило, з перетворенням швидкостей і крутильних моментів, а іноді з перетворенням виду й закону руху. Передачі за принципом роботи розділяються на:

          Передачі зачепленням: 1. з безпосереднім контактом (зубчасті й черв'ячні);

2. з гнучким зв'язком (ланцюгові, зубчасто-пасові).

          Передачі тертям (зчепленням поверхонь тертя): 1. з безпосереднім контактом поверхонь (фрикційні); 2. з гнучким зв'язком (пасові).

4.1. ПЕРЕДАЧІ ЗАЧЕПЛЕННЯМ

4.1.1. ЦИЛІНДРИЧНІ ЗУБЧАСТІ ПЕРЕДАЧІ

             Передають крутильний момент між паралельними валами. Прямозубі колеса (близько 70%) застосовують при невисоких і середніх швидкостях, коли динамічні навантаження від неточності виготовлення невеликі, у планетарних, відкритих передачах, а також при необхідності осьового переміщення коліс. Косозубі колеса (більше 30%) мають більшу плавність ходу й застосовуються для відповідальних механізмів при середніх і високих швидкостях. Шевронні колеса мають переваги косозубих коліс плюс урівноважені осьові сили і використовуються у високонавантажених передачах.

ОСНОВНІ ВИДИ ЦИЛІНДРИЧНИХ ЗУБЧАСТИХ ПЕРЕДАЧ

ПРЯМО ЗУБА; КОСО ЗУБА; ШЕВРОННА; ВНУТРІШНЯ.

        Колеса внутрішнього зачеплення обертаються в однакових напрямках і застосовуються зазвичай в планетарних передачах. Вибір параметрів циліндричних зубчастих передач обумовлений конструктивними і технологічними умовами. Оскільки колеса в зачепленні взаємодіють своїми зубами, то досить часто в експлуатації спостерігаються різні ушкодження їх робочих поверхонь. Втомне викришування є найбільш серйозним і розповсюдженим дефектом поверхні зубів навіть для закритих добре змащуваних й захищених від забруднення передач.

       На робочих поверхнях з'являються невеликі поглиблення, які потім перетворюються в раковини. Викришування носить утомний характер і викликаний контактними напруженнями, які змінюються по віднульовому пульсуючому циклі. Викришування приводить до підвищення контактного тиску й порушенню роботи передачі. У відкритих передачах поверхневі шари стираються раніше, ніж у них з'являються утомні тріщини, тому викришування з'являється досить рідко.

         Для попередження викришування необхідно підвищувати жорсткість матеріалу термообробкою або підвищувати ступінь точності передачі, а також правильно призначати розміри з розрахунку на утому по контактних напруженнях.

         Абразивне зношування є основною причиною виходу з ладу передач при поганому змащенні. Це, у першу чергу, відкриті передачі, а також закриті, але перебувають у засміченому середовищі: у гір­ських, дорожніх, будівельних, транспортних машинах. У зношених передач під­вищуються зазори в зачепленні й, як наслідок, підсилюються шум, вібрація, дина­мічні перевантаження; спотворюється форма зуба; зменшуються розміри попе­речного перерізу, а значить і міцність зуба. Основні заходи попередження зношу­вання - підвищення жорсткості поверхні зубів, захист від забруднення, застосу­вання спеціальних масел.

 

 

 

 

 

 

4.1.2.  ПЛАНЕТАРНІ ЗУБЧАСТІ ПЕРЕДАЧІ

4.1.3.  Планетарними називають передачі, що мають зубчасті колеса з рухомими осями. Ці рухомі коле­са подібно планетам Сонячної системи обертаються навколо своїх осей і одночасно рухаються разом з осями, роблячи плаский рух, називаються вони сателітами (лат. 8аіеІІііит — супутник). Рухливі колесакотяться по центральних колесах (їх іноді називають сонячними колесами), маючи з ними зовнішнє, а з корончатим колесом внутрішнє зачеплення. Осі сателітів за­кріплені у водилі й обертаються разом з ним навколо центральної осі.

Планетарні передачі мають ряд пе­реваг перед звичайними:

+ великі передатні числа при ма­лих габаритах і масі;

+ можливість додавання або роз­кладання механічної потужнос­ті;

+ легке керування й регулювання швидкості;

+ малий шум внаслідок замикання сил у механізмі.

У планетарних передачах широко застосовують внутрішнє зубчасте зачеплення з кутом а = 30^а

Для забезпечення складання планетарних передач необхідно дотримувати умови співвісності (збіг геометричних центрів коліс); умова складання (сума зубів центральних коліс кратна числу сателі­тів) і сусідства (вершини зубів сателітів не стикаються один з одним).

Зубчасті колеса планетарних передач розраховуються за тими ж законами, що й колеса звичай­них циліндричних передач.

 

 

4.1.4.  ХВИЛЬОВІ ЗУБЧАСТІ ПЕРЕДАЧІ

Представляють собою циліндричні передачі, де одне з коліс має гнуч­кий вінець. Цей гнучкий вінець деформується генератором хвиль спеціальної некруглої форми й входить у зачеплення із центральним колесом у двох зонах.  Ідея хвильових передач полягає в наявності декількох пар зачеплення, які ще й переміщаються по окружності, за рахунок чого досягається величезне передатне відношення (зазвичай V 60 + 300, відомі конструкції з V > 1000).

Принцип роботи хвильової передачі ана­логічний роботі планетарної передачі із внутрі­шнім зачепленням і деформируемим сателітом.

Така передача була запатентована амери­канським інженером Массером в 1959 р.

Хвильові передачі мають менші масу й га­барити, більшу кінематичну точність, менший мертвий хід, високу вибропрочность за рахунок демпфірування (розсіювання енергії) коливань, створюють менший шум.

За необхідності такі передачі дозволяють передавати рух у герметичний простір без засто­сування ущільнюючих сальників, що особливо коштовно для авіаційної, космічної й підводної техніки, а також для машин хімічної промислово­сті.

До недоліків хвильових передач відно­сяться:

обмежені оберти провідного вала (щоб уникнути більших відцентрових сил інерції некруглого ге­нератора хвиль);

дрібні модулі зубів (1,5 — 2 мм);

практично індивідуальне, дороге, досить трудомістке виготовлення гнучкого колеса й генератора.

Основні види поломок хвильових передач:

•      руйнування підшипника генератора хвиль від навантаження в зачепленні;

•      проскакування генератора хвиль при великих крутильних моментах, коли зуби на вході в зачеплення впираються друг у друга вершинами;

•      поломка гнучкого колеса від тріщин утоми (особливо при V < 80);

•      зношування зубів на кінцях;

•      пластичні деформації бічних поверхонь зубів при перевантаженнях.

Розрахунок хвильових зубчастих передач відрізняється від розрахунку звичайних зубчастих пе­редач тим, що враховується деформація гнучкого вінця й генератора.

За критерій працездатності зазвичай приймають допускаються напруження, що зминають

= ^10Мвр ³ . * = л/^10М«р V*^[сгі«.

де % - коефіцієнт ширини гнучкого вінця; й - ділильний діаметр гнучкого вінця.

4.1.5.   ЗАЧЕПЛЕННЯ НОВІКОВА

Отже, основний недолік зубчастих передач із евольвентним профілем (циліндричних, конічних, планетарних, хвильових) - високі контактні напруження в зубах. Вони великі тому, що контактують два зуби з опуклими профілями. При цьому площадка контакту дуже мала, а контактні напруження відпові­дно високі. Це обставина сильно обмежує "несучу здатність" передач, тобто не дозволяє передавати бі­льші крутильні моменти.

Вирішуючи проблеми проектування важких тихохідних ма­шин, таких як трактора й танки, М.Л. Новіков в 1954 році розробив зачеплення, у яких опуклі зуби шестірні зачіпаються з увігнутими зубами колеса.

До того ж опуклий і ввігнутий профілі (зазвичай кругові) ма­ють близькі по абсолютній величині радіуси кривизни. За рахунок цього виходить більша площадка контакту, контактні напруження зменшуються й з'являється можливість передавати приблизно в 1,4 1,8 рази більші крутильні момен­ти.

На жаль, при цьому доводиться пожертвувати основною перевагою евольвентних зачеплень - ко­ченням профілів зубів друг по другу й відповідно одержати високе тертя в зубах. Однак для тихохідних машин це не так важливо.

Робочі бічні поверхні зубів являють собою круглогвинтові поверхні, тому передачі можна назива­ти кругогвинтові. Надалі був розроблений варіант передачі із двома лініями зачеплення.

У ній зуби кожного колеса мають увігнуті ніжки й опуклі головки. Передачі із двома лініями за­чеплення мають більшу несучу здатність, менш чутливі до зсуву осей, працюють із меншим шумом і більш технологічні. Ці передачі успішно застосовуються при малих числах зубів (2₁ < 10) і дають до­статню твердість шестірень при їх великій відносній ширині.

Зачеплення Новікова в редукторах застосовують замість переходу на колеса із жорсткими повер­хнями. Передачі бувають однопарні, застосовувані в редукторах загального призначення і багатопарні, одержувані за рахунок збільшення осьового розміру й застосовувані в прокатних станах, редукторах ту­рбін і т. п.

 

4.1.6.  КОНІЧНІ ЗУБЧАСТІ ПЕРЕДАЧІ

Передають обертальний момент між валами з пересічними осями (найчастіше під кутом 90⁰). Їх зуби бувають прямими, косими, круговими й зазвичай мають евольвентний профіль.

І хоча, конічні колеса складніше циліндричних як по своїй геометрії, так і у виготовленні, прин­ципи силової взаємодії, умови роботи, а отже, і методика розрахунку аналогічні циліндричним.

Тут ми розглянемо тільки відмінні риси розрахунку конічних коліс.

Спочатку конструктор вибирає зовнішній окружний модуль т_іе, з якого розраховується вся гео­метрія зачеплення, зокрема, нормальний модуль у середині зуба

тпт= тіе (1 - 0,5 Ь/Ке),

де К_е - зовнішня конусна відстань.

Сили в конічній передачі діють аналогічно циліндричної, однак слід пам'ятати, що через перпен­ дикулярність осей радіальна сила на шестірні аналогічна осьовій силі для колеса й навпаки, а окружна сила при переході від шестірні до колеса тільки міняє знак.

Розрахунки на міцність конічних коліс проводять аналогічно циліндричним, за тією ж методикою. З умови контактної витривалості визначають зовнішній ділильний діаметр, з умови міцності на вигин знаходять нормаль­ний модуль у середині зуба т_пт. При цьому в розрахунок приймаються уявлювані еквівалентні колеса із числами зубів і діаметри 2. Тут 2₁, 2₂, - фактичні числа зубів конічних коліс. При цьому числа 2_} 1,2 можуть бути дробовими.

В еквівалентних циліндричних колесах діаметр початкової окружності й модуль відповідають середньому перетину конічного зуба, замість міжосьової відстані береться середня конусна відстань, а профілі еквівалентних зубів одержують розгорткою додаткового конуса на площину.

4.1.7.  ЧЕРВ’ЯЧНІ ПЕРЕДАЧІ

Черв'ячна передача має перехресні осі валів, зазвичай під кутом 90°. Вона складається із чер­в'яка - гвинта із трапецеїдальною різь­бою і зубчастим черв'ячним колесом із зубами відповідної специфічної форми.

Рух у черв'ячній передачі пере­твориться по принципу гвинтової пари.

Винахідником черв'ячних передач вважають Архімеда.

Переваги черв'ячних передач:

+ велике передатне відношення (до 80);

+ плавність і безшумність ходу.

На відміну від евольвентних зачеплень, де переважає контактне кочення, виток черв'яка сковзає по зубі колеса. Отже, черв'ячні передачі мають "по визначенню" один фундаментальний недолік: висо­ке тертя в зачепленні. Це веде до низького ККД (на 20-30% нижче, ніж у зубчастих), зношування, на­гріванню й необхідності застосовувати дорогі антифрикційні матеріали.

Окрім переваг і недоліків, черв'ячні передачі мають важливу властивість: рух передається тіль­ки від черв’яка до колеса, а не навпаки. Ніякий крутильний момент, прикладений до колеса, не зму­сить обертатися черв'як. Саме тому черв'ячні передачі знаходять застосування в піднімальних механіз­мах, наприклад у ліфтах. Там електродвигун з'єднаний із черв'яком, а трос пасажирської кабіни намота­ний на вал черв'ячного колеса щоб уникнути мимовільного опускання або падіння.

Основні причини виходу з ладу черв'ячних передач:

1.  поверхневе викришування й схоплювання;

2.  злам зуба.

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

·       Яке призначення передач у машинах ?

·       Які області застосування прямозубих і косозубих передач ?

·       Які порівняльні переваги прямозубих і косозубих коліс ?

·       Які головні види руйнувань зубчастих коліс ?

·       У чому полягають переваги й недоліки планетарних передач ?

·       Для чого створені хвильові передачі й у чому полягає принцип їхньої роботи ?

·       У чому полягають переваги й недоліки хвильових передач ?

·       Для чого створені зачеплення Новикова й у чому полягає принцип конструкції їхніх зубів ?

·       У чому полягають переваги й недоліки зачеплень Новикова ?

·       У чому полягає принцип конструкції черв'ячної передачі ?

·       Які переваги й недоліки черв'ячних передач ?

·       Яка властивість черв'ячної передачі відрізняє її від інших передач ?

·       Які основні причини поломок черв'ячних передач ?

·       З яких умов знаходять температуру черв'ячної передачі ?

·       Які методи можуть застосовуватися для зниження температури черв'ячної передачі ?

·       Які матеріали повинні застосовуватися для черв'ячної передачі ?

·       Які особливості конструкції черв'ячних коліс ?

4.2.        ПЕРЕДАЧІ ТЕРТЯМ (ЗЧЕПЛЕННЯМ)

4.2.1.  ФРИКЦІЙНІ ПЕРЕДАЧІ

Передають рух за рахунок сил тертя (лат. ]тісііо - тертя). Найпростіші передачі складаються із двох циліндричних або конічних роликів - катків.

Головна умова роботи передачі полягає в тому, що момент сил тертя між котками повинен бути більше переданого крутильного моменту.

Передатне відношення циліндричної фрикційної передачі визначають як відношення частот обе­ртання або діаметрів тіл кочення.

V  = Щ/п2=В2/[ЇЇ1( 1-1-Є)],

де в - коефіцієнт ковзання (0,05 - для передач "всуху"; 0,01 - для передач зі змащенням і великими пе­редатними відносинами).

Для конічної передачі - замість діаметрів беруть кути конусів.

Фрикційні передачі виконуються або з постійним, або з регульованим передатним відношенням (варіатори).

Передачі з постійним передатним відношенням застосовуються рідко, головним чином, у кінема­тичних ланцюгах приладів, наприклад, магнітофонів і т.п. Вони уступають зубчастим передачам у несу­чій здатності. Зате фрикційні варіатори застосовують як у кінематичних, так і в силових передачах для безступінчастого регулювання швидкості. Зубчасті передачі не дозволяють такого регулювання.

Переваги фрикційних передач:

+ простота тіл кочення;

+ рівномірність обертання, що зручно для приладів;

+можливість плавного регулювання швидкості;

+ відсутність мертвого ходу при реверсі передачі.

Недоліки фрикційних передач: потреба в притискних пристроях;

більші навантаження на вали, тому що необхідно притиснення дисків; більші втрати на тертя; ушкодження котків при пробуксовці; неточність передатних відносин через пробуксовку.

ОСНОВНИМИ ВИДАМИ ПОЛОМОК ФРИКЦІЙНИХ ПЕРЕДАЧ Є:

1. утомне викришування (у передачах з рідинним тер­тям змащення, коли зношування зводиться до міні­муму);

2. зношування (у передачах без змащення);

3.  задир поверхні при пробуксовці.

     Оскільки все це наслідок високих контактних на­пружень стиску, то в якості проектувального виконується розрахунок за допустимими контактними напруженнями. Тут застосовується формула Герца-Бєляєва, що, власне кажучи, і була виведена для цього випадку. виходячи з контактних напружень, що допуска­ються, властивостей матеріалу й переданої потужності визначаються діаметри фрикційних к

      Основні вимоги до матеріалів фрикційних коліс:

          + висока зносостійкість і поверхнева міцність;

           +високий коефіцієнт тертя (щоб уникнути більших сил стиску);

          +високий модуль пружності (щоб площадка контакту, а значить і втрати на тертя були малі). Найбільш придатними виявляються шарикопідшипникові сталі типу ШХ15 або 18ХГТ, 18Х2Н4МА.

        Розроблено спеціальні фрикційні пластмаси з азбестовим і целюлозним наповнювачем, коефіці­єнт тертя яких досягає 0,5. Широко застосовується текстоліт.

        Більш надійними є передачі, у яких ведений каток твердіше, ніж ведений, тому що тоді при про- буксовці не утворяться лиски.

        Застосовуються обрезинені катки, однак їх коефіцієнт тертя падає з ростом вологості повітря.

       Для великих передач застосовують пресований азбест, прогумовану тканину й шкіру.

4.2.2.  ПАСОВІ ПЕРЕДАЧІ

Є різновидом фрикційних передач, де рух передається за допомогою спеціального кільцевого замкнутого паса.

Пасові передачі застосовуються для привода агрегатів від електродвигунів малої й середньої по­тужності; для привода від малопотужних двигунів внут­рішнього згоряння.

Паси мають різні перетини:

             а) плоскі, прямокутного перетини;

б)     трапецієподібні, клинові;

 в)    круглого перерізу;

г) поліклинові.

Найбільше поширення мають плоскі й клинові па­си. Плоскі паси застосовуються як найпростіші, з мініма­льними напруженнями вигину, а клинові мають підвищену тягову здатність

                             ОСНОВНІ ПЕРЕРІЗИ ПАСІВ

Клинові паси застосовують по кілька штук, щоб варіювати навантажувальну здатність і трохи підвищити надійність передачі. Крім того, один товстий ремінь, по­ставлений замість декількох тонких буде мати набагато більші напруження вигину при огинанні шківа.

У легких передачах завдяки закручуванню паса можна передавати обертання між паралельними, пересічними, обертовими в протилежні сторони валами. Це можливо тому, що жорсткість на крутіння пасів внаслідок їх малої товщини й малого модуля пружності мала.

Переваги пасових передач:

+ передача руху на середні відстані;

+ плавність роботи й безшумність;

+ можливість роботи при високих обертах;

+ дешевина.

Недоліки пасових передач: більші габарити передачі;

        +неминуче проковзування паса;

        +високі навантаження на вали й опори через натяг паса;

        +потреба в натяжних пристроях;

Основні критерії розрахунку пасових передач:

тягова здатність або міцність зчеплення паса зі шківом; довговічність паса. Якщо не буде витримана перша умова, пас почне буксува­ти, якщо не виконати друге - пас швидко розірветься. Тому осно­вним розрахунком пасових передач є розрахунок по тяговій здат­ності. Розрахунок на довговічність виконується, як перевіряльний.

        Шківи плоскопасові передач мають: обід, що несе ремінь, маточину, що саджається на вал і спиці або диск, що з'єднує обід і маточину.

       Шківи зазвичай виготовляють чавунними литими, сталевими, звареними або збірнями, литими з легких сплавів і пластмас. Діаметри шківів визначають із розрахунку пасової передачі, а потім округ­ляють до найближчого значення з ряду К40 (ГОСТ 17383-73*). Ширину шківа вибирають залежно від ширини паса.

           Щоб уникнути сповзання паса їхні робочі поверхні роблять опуклими.       

    Плоскі паси повинні забезпечувати:

 міцність при змінних напруженнях;

 зносостійкість;

 високе тертя зі шківами;

 малу згинну жорсткість.

 

ПЛОСКОПАСОВІ ШКИВИ

     Цим умовам задовольняють високоякісна шкіра й синтетичні матеріали (гума), армовані белтин- говим тканевим (ГОСТ 6982-54), полімерним (капрон, поліамід З-6, каучук СКН-40, латекс) або метале­вим кордом. Застосовуються прогумовані тканеві паси (ГОСТ 101-54), шаруваті нарізні паси з гумовими прошарками, пошарово й спірально загорнені паси. У сирих приміщеннях і агресивних середовищах застосовують паси з гумовими прокладками.

Паси випускають скінченними й поставляють у рулонах.

З'єднання кінців пасів дуже впливає на роботу передачі, особливо при більших швидкостях. Вибира­ючи тип з'єднання варто враховувати рекомендації спеціальної літератури. Самий зроблений спосіб з'єд­нання - склеювання, що роблять для однорідних пасів по косому зрізі (а), для листкових по східчастій повер­хні (б). Надійним способом уважають зшивку встик жильними струнами (в,г). З механічних з'єднань кращими є дротові спіралі, які просмикуються в отвори й після пресування обжимають кінці пасів (д).

У шківів клиноремінних передач робочою поверхнею є бічні сторони клинових канавок. Ді­аметр, по якому визначають розрахункову дов­жину паса, називають розрахунковим діаметром, за ДСТ 20898-75 він позначається й_р. По цьому ж ДСТ для правильного контакту паса зі шківом кут канавки призначають залежно від діаметра шківа.

Клинопасові шківи виконують з тих же матеріалів, що й плоскопасові. Відомі збірні шківи зі сталевих тарілок.

Швидкохідні шківи вимагають балансування.

Матеріали клинових пасів в основному ті ж, що й для плоских. Виконуються прогумовані паси з тихорєцькою обгорткою для більшого тертя, кордтканеві (багатошаровий корд) і кордшнурові паси (шнур, намотаний по гвинтовій лінії), паси з несучим шаром із двох канатиків. Іноді для зменшення згинних напружень застосовують гофри на внутрішній і зовнішній поверхнях паса. Клинові паси випус­кають нескінченними (кільця). Кут клина паса 40⁰

Натяг паса суттєво впливає на довговічність, тягову здатність і ККД передачі. Чим вище попере­дній натяг паса ¥_о , тим більше тягова здатність і ККД, але менше довговічність паса. Натяг паса в пере­дачах здійснюється:

          Пристроями періодичної дії, де ремінь натягається гвинтами. Ремінь періодично підтягується в мі­ру витяжки. Потрібне систематичне спостереження за передачею, інакше можливі буксування й швидке зношування паса. Пристроями постійної дії, де натяг створюється вантажем, вагою двигуна або пружиною. Частий натяг відбувається за рахунок маси двигуна на хитній плиті. До таких пристроїв ставляться натяж­ні ролики. Натяг паса автоматично підтримується постійним.

            Пристроями, що автоматично регулюють натяг залежно від навантаження з використанням сил і моментів, що діють у передачі. Шків 1 установлений на хитному важелі, що також є віссю веденого колеса зубчастої передачі. Натяг паса 2Р₀ дорівнює окружній силі на шестірні й пропорційно пере­даному моменту.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

·       За рахунок яких сил передають рух фрикційні передачі ?

·       Які переваги й недоліки фрикційних передач ?

·       Які основні види поломок фрикційних передач ?

·       Які матеріали застосовуються для фрикційних передач ?

·       Якою деталлю виділяються пасові передачі серед фрикційних ?

·       Які сили діють у пасі ?

·       Які навантаження діють на опори валів коліс  пасової передачі ?

·       Як з’єднуються кінці паса?

·       Які існують способи підтримки натягу пасів ?