Пути повышения надежности машин на стадии проектирования

- сравнительно малые нагрузки  на валы и опоры. 

 

К недостаткам зубчатых передач следует отнести:

- невозможность бесступенчатого  изменения передаточного числа;

- высокие требования к  точности изготовления и монтажа;

- шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;

- громоздкость при больших  расстояниях между осями ведущего  и ведомого валов;

- потребность в специальном  оборудовании и инструменте для нарезания зубьев;

- зубчатая передача не  предохраняет машину от возможных  опасных перегрузок. 

 

Зубчатые передачи и колеса классифицируют по следующим признакам (см. рис. 1):

- по взаимному расположению  осей колес — с параллельными  осями (цилиндрические, см. рис. 1, а—д), с пересекающимися осями (конические, см. рис. 1, ж—и), со скрещивающимися осями (винтовые, см. рис. 1, е, к);

- по расположению зубьев  относительно образующих колес  — прямозубые, косозубые, шевронные и с криволинейным зубом;

- по конструктивному оформлению  — открытые и закрытые;

- по окружной скорости  — тихоходные (до 3 м/с), для средних  скоростей (3—15 м/с), быстроходные (св. 15 м/с);

- по числу ступеней  — одно- и многоступенчатые;

- по расположению зубьев  в передаче и колесах — внешнее, внутреннее (см. рис. 1, д) и реечное зацепление (см. рис. 1, г);

- по форме профиля зуба  — с эвольвентными, круговыми;

- по точности зацепления. Стандартом предусмотрено 12 степеней  точности. Практически передачи  общего машиностроения изготовляют от шестой до десятой степени точности. Передачи, изготовленные по шестой степени точности, используют для наиболее ответственных случаев.

Из перечисленных выше зубчатых передач наибольшее распространение получили цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации.

Преимущественное распространение получили передачи с зубьями эвольвентного профиля, которые изготавливаются массовым методом обкатки на зубофрезерных или зубодолбежных станках. Достоинство эвольвентного зацепления состоит в том, что оно мало чувствительно к колебанию межцентрового расстояния.

Другие виды зацепления применяются пока ограниченно. Так, циклоидальное зацепление, при котором возможна работа шестерен с очень малым числом зубьев (2-3), не может быть, к сожалению, изготовлено современным высокопроизводительным методом обкатки, поэтому шестерни этого зацепления трудоемки в изготовлении и дороги; новое пространственное зацепление Новикова пока еще не получило массового распространения, вследствие большой чувствительности к колебаниям межцентрового расстояния.

Прямозубые колёса (около 70%) применяют при невысоких и средних скоростях, когда динамические нагрузки от неточности изготовления невелики, в планетарных, открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колёс.

Косозубые колёса (более 30%) имеют большую плавность хода и применяются для ответственных механизмов при средних и высоких скоростях.

Шевронные колёса имеют достоинства косозубых колёс плюс  уравновешенные осевые силы и используются в высоконагруженных передачах.

Конические передачи применяют только в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины; винтовые — лишь в специальных случаях.

Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.  

 

Силы, действующие в косозубом зацеплении

На рис. 3а обозначено: Fn – сила нормального давления, действующая по нормали к профилю зуба, условно приложена в полюсе Р зацепления зубчатых колес, на середине длины зуба.

На рис 3б показано общепризнанное обозначение сил, действующих в цилиндрической косозубой передаче с правым наклоном зубьев, ведущей шестерней и ведомым колесом. В этом случае знак ¤ обозначает окружную силу Ft, направленную к наблюдателю, а знак Ä обозначает окружную силу Ft, направленную от наблюдателя. В этом случае зацепления зубчатых колес условно отодвинуты друг от друга.

 

 

. Н – окружная сила, где  Hм, d1 – диаметр начальной окружности шестерни, Nд, nд – мощность и обороты двигателя.

В сечении n-n радиальная сила  , где  вспомогательная сила,  угол зацепления в нормальном сечении,  . Из основного рисунка  , откуда  . Таким образом,   Н. Осевая сила   Н. Возвращаясь к силе нормального давления, из сечения n-n находим  .

Окончательно   Н. (2)

Прямозубая передача является частным случаем косозубой.

Если  , то  ,  ,   Н.

В шевронных передачах и передачах с раздвоенным потоком мощности осевые силы уравновешиваются (Рис. 4), что позволяет применять большие углы наклона зуба  .

Рис. 4 Силы, действующие в зацеплении шевронной передачи. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Муфта упругая втулочно-пальцевая. Характеристика.Особенности

 

В технике муфты — это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.

Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Некоторые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.

Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью:

- получения длинных валов, изготовляемых из отдельных частей, компенсации небольших неточностей монтажа в относительном расположении соединяемых валов;

- придания валам некоторой  относительной подвижности во  время работы (малые смещения и перекос геометрических осей валов);

- включения и выключения  отдельных узлов;

- автоматического соединения  и разъединения валов в зависимости  от пройденного пути, направления  передачи вращения, угловой скорости, т. е. выполнения функций автоматического управления;

- уменьшение динамических нагрузок.         

Современные машины состоят из ряда отдельных частей с входными и выходными концами валов, которые соединяют с помощью муфт (рис.1). 

 

Рис. 1. Принципиальная схема машины 

 

Классификация муфт              

Многообразие конструкций муфт усложняет их классификацию. Простейшая муфта сделана из куска ниппельной трубочки и соединяет вал электромоторчика с крыльчаткой  автомобильного омывателя стекла.  Муфты турбокомпрессоров реактивных двигателей состоят из сотен деталей и являются сложнейшими саморегулирующимися системами.                

Группы муфт различают по характеру соединения валов.

- Муфты механического  действия:

а) жесткие (глухие) — практически не допускающие компенсации радиальных, осевых и угловых смещений валов;

б) компенсирующие — допускающие некоторую компенсацию радиальных, осевых и угловых смещений валов благодаря наличию упругих элементов (резиновых втулок, пружин и др.);

в) фрикционные  — допускающие кратковременное  проскальзывание при перегрузках.

- Муфты электрического (электромагнитного) действия.

- Муфты гидравлического  или пневматического действия.            

 

 

 В электрических и гидравлических муфтах, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидравлических сил. Эти муфты изучают в специальных курсах. Далее анализируются только механические муфты. Большинство применяемых муфт стандартизованы. Основной характеристикой при подборе муфт по каталогу или справочнику является передаваемый момент, учитывающий наиболее тяжелое условие ее нагружения. 

 

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

- Нерасцепляемые (постоянные, соединительные) – соединяют валы  постоянно, образуют длинные валы.

- Управляемые (сцепные) –  соединяют и разъединяют валы  в процессе работы, например, широко  известная автомобильная муфта  сцепления.

- Самодействующие (самоуправляемые, автоматические) – срабатывают автоматически  при заданном режиме работы (обгонные, центробежные, предохранительные).

- Предохранительные муфты, разъединяющие  валы при  нарушении нормальных эксплуатационных условий работы.

- Прочие. 

 

 

             По степени снижения динамических нагрузок муфты бывают:

- жесткие, не сглаживающие  при передаче вращающего момента  вибрации, толчки и удары;

- упругие, сглаживающие вибрации, толчки и удары благодаря наличию  упругих элементов — пружин, резиновых  втулок и др. 

 

Основная характеристика муфты – передаваемый вращающий момент.

Существенные показатели – габариты, масса, момент инерции.

Муфта, рассчитанная на передачу определённого вращающего момента, выполняется в нескольких модификациях для разных диаметров валов. Муфты – автономные узлы, поэтому они легко стандартизируются.

Муфты рассчитывают по  их критериям работоспособности:

- прочности при циклических  и ударных нагрузках,

- износостойкости,

- жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого вращающего момента  Т = ТВалаK,   где ТВала – номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма (наибольший из длительно действующих), К – коэффициент режима работы.

В приводах от электродвигателя принимают:

- при спокойной работе  и небольших разгоняемых массах (приводы конвейеров, испытательных  установок и др.) К = 1,15...1,4;

- при переменной нагрузке  и средних разгоняемых массах (металлорежущие станки, поршневые компрессоры и др.) К= 1,5...2;

- при ударной нагрузке  и больших разгоняемых массах (прокатные станы, молоты и др.) К= 2,5...3.               

Диаметры посадочных отверстий муфты согласуют с диаметрами концов соединяемых валов, которые могут быть различными при одном и том же вращающем моменте вследствие применения разных материалов и различной нагруженности изгибающими моментами.                

Основные типы муфт регламентированы стандартом для некоторого диапазона диаметров валов и рассчитаны на передачу определенного момента.               

Наиболее слабые звенья выбранной муфты проверяют расчетом на прочность по расчетному моменту Тр.

Работа муфт сопровождается потерями. По опытным данным при расчетах КПД муфт обычно принимают η = 0,985...0,995.

Многообразие узловых конструкций машин способствует широкому распространению муфт в машиностроении.               

 

 
 

 

Жёсткие (глухие) муфты

С помощью этих муфт осуществляется жесткое соединение валов. Могут быть втулочными или фланцевыми.   

Втулочная муфта является простейшей из жестких муфт. Она представляет собой втулку 3 (рис.2), посаженную с помощью шпонок, штифтов или шлицев на выходные концы валов 1 и 2.

Рис.2. Втулочная муфта: а — крепление на шпонке; б — крепление штифтом 

 

Втулочные муфты находят применение в тихоходных и неответственных конструкциях машин при диаметрах валов d < 70 мм.

Достоинство таких муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостатки — необходимость при монтаже и демонтаже раздвигать концы валов на полную длину муфты либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины; необходимость очень точного совмещения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов (рис.3).

Материал для изготовления втулки — сталь 45; для муфт больших размеров — чугун СЧ25. 

 

Рис.3. Возможные смещения валов                                                                                                                                            

 

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 (рис.4), соединенных болтами 4. Для передачи вращающего момента используют шпоночные или шлицевые соединения. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12...250 мм и передают моменты  8...45000 Нм. В тяжёлых машинах полумуфты приваривают к валам.

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными. Для лучшего центрования фланцев на одной полумуфте делают круговой выступ, на другой — выточку того же диаметра (рис.4, а) или предусматривают центрующее кольцо 3 (рис.4, б).

Рис.4. Фланцевые муфты: а - центровка за счет выступа; б — центровка кольцом 

 

Фланцевые муфты могут передавать значительные вращающие моменты; имеют широкое распространение в машиностроении. Употребляются для валов диаметром d < 350 мм. Достоинство этих муфт — простота конструкции и легкость монтажа; недостаток — необходимость точного совмещения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающихся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.