Типы передач вращательного движения

В механизмах станков для передачи движения от одного звена к другому служат ременные, цепные, зубчатые, винтовые, реечные передачи, муфты и др. Условные обозначения механических передач и других элементов в приводах станков даны в табл. 5.

Ременная передача состоит из двух шкивов, установленных на двух валах и соединенных между собой гибким ремнем. Один шкив называют ведущим, второй шкив получает вращение от первого в результате сил трения между ремнем и шкивами и является ведомым. В зависимости от формы сечения ремня передачи бывают клино-, плоско- и круглоременные. Ремни служат также для непосредственной передачи вращения от электродвигателя к шпинделю станка, когда требуется сообщить высокие частоты вращения и должна быть достигнута плавная безвибрационная работа станка (в быстроходных станках токарной группы и на шлифовальных станках и т. д.). В механизмах вспомогательных движений кроме клиновых применяют передачи плоским ремнем, передачи круглым ремнем и шнуром.

В клиноременной передаче (рис. 32, а) прорезиненный ремень имеет трапецеидальный профиль, а шкив — соответствующие кольцевые канавки. Поликлиновые ремни (рис. 32, б) имеют несколько продольных клиновых выступов на внутренней стороне. Нагрузка в таких передачах распределяется равномерно по ширине шкива. Поликлиновые ремни обеспечивают по сравнению с клиновыми ремнями большее постоянство передаточного числа, меньшие вибрации и допускают применение шкивов меньших диаметров. Для большей гибкости, особенно необходимой при работе с большими скоростями и малыми диаметрами шкивов, применяют клиновые ремни с зубьями, расположенными поперек ремня, а иногда и на наружных его частях (рис. 32, в, г).

В передаче зубчатой, где ремень и шкив зубчатые, отсутствует проскальзывание, ремень не вытягивается и имеет высокую прочность за счет основного несущего элемента (металлического или синтетического троса, который заформован с резиной).

Передаточное отношение ременной передачи определяется как отношение частоты вращения n₂ ведомого вала к частоте вращения n₁ ведущего вала:

где d₁ — диаметр ведущего шкива, мм; d₂ — диаметр ведомого шкива, мм; ƞ — коэффициент сцепления, учитывающий проскальзывание ремня (обычно ƞ ≈ 0,985).

Для ступенчатого регулирования передачи используют ступенчатые шкивы, закрепленные на валах I и II (рис. 32, д). Переключение передачи осуществляется перестановкой ремня с одной ступени на другую. Сумму диаметров сопряженных шкивов делают постоянной на всех ступенях, т. е. d₁ + d₂ = d₃ + d₄.

Сравнивая передачи плоские и клиноременные, следует отметить, что клиноременные передачи имеют преимущества: отсутствует сшивка ремня, которая служит источником вибраций; наличие меньших сил, действующих на валы и подшипники.

Эти преимущества привели к замене плоскоременных передач клиноременными. Для быстроходных передач, работающих при скоростях до 75 м/с, применяют ремни из синтетических материалов.

Цепные передачи, по характеру выполняемой работы делятся на приводные, грузовые, тяговые. В отличие от ременных они не имеют проскальзывания и могут надежно передавать большой крутящий момент при различных передаточных отношениях. Цепные передачи применяются ограниченно в приводах главного движения. Они могут работать с большими скоростями (до 30 м/с) как при малых, так и при больших межцентровых расстояниях. Приводные цепи могут соединять и приводить в движение одновременно несколько валов. КПД цепных передач ƞ = 0,87 ÷ 0,98.

В механизмах станков зубчатые передачи преимущественно применяют для передачи движения между валами в широком диапазоне частот вращения и крутящих моментов. В сравнении с ременными передачами зубчатые передачи сложны в изготовлении и менее плавны в работе, что приводит к появлению шума. Виды зубчатых передач, применяемые на станках, показаны на рис. 33. По типу зубчатых колес различают передачи цилиндрические, конические, винтовые и червячные; по направлению зуба—прямозубые, косозубые и шевронные. По числу ступеней передачи делят на одноступенчатые и многоступенчатые. При этом они могут иметь постоянные (редукторы) и изменяющиеся ступенями (коробки передач) передаточные отношения. По характеру относительного движения зубчатых колес различают передачи с неподвижными и подвижными осями вращения (к последним относятся планетарные и дифференциальные передачи); по виду зацепления — передачи с внешним, внутренним и реечным зацеплением. По назначению (зубчатые) передачи разделяют на неотсчетные и отсчетные (скоростные, силовые и передачи общего назначения).

К силовым передачам предъявляют требования износоустойчивости, прочности, легкости и плавности вращения, бесшумности работы (для скоростных передач). К отсчетным передачам предъявляются повышенные требования: кинематическая точность, плавность работы передачи, величина мертвого хода степень контакта зубьев, износоустойчивость. На рис. 33, а показана зубчатая передача, прямозубая с цилиндрическими зубчатыми колесами. В зависимости от условий работы зубчатые колеса могут закрепляться на валах жестко или могут быть подвижными. Зубчатая передача с винтовыми цилиндрическими зубчатыми колесами (рис. 33, б) обеспечивает более плавную работу: эти зубчатые колеса в отличие от прямозубых не допускают осевого перемещения. Передача с шевронными зубчатыми колесами (рис. 33, в) применяется для передачи больших крутящих моментов, шевронные передачи исключают осевые нагрузки на опоры валов.

На рис. 33, г показана передача из цилиндрических зубчатых колес с винтовым зубом и скрещивающимися осями; на рис. 33, д — передача с коническими прямозубыми колесами, применяемая для передачи вращения между валами с пересекающимися осями на рис. 33, е, ж — конические зубчатые колеса с криволинейным зубом (в отличие от прямозубых, они обеспечивают плавность работы, меньший шум и больший КПД и поэтому применяются для быстроходных передач). На рис. 33, з показана передача с внутренним зацеплением.

Зубчатые колеса для ответственных зубчатых передач станков изготавливают из конструкционных углеродистых и легированных сталей и термически обрабатывают.

Для малонагруженных, тихоходных и безударных передач зубчатые колеса изготовляют из серого чугуна. Для быстроходных передач хорошие результаты (по бесшумности и долговечности) дают полимерные материалы.

Максимально допустимые числа зубьев z зубчатых колес выбирают с учетом подрезания ножки зуба, а также требуемой плавности вращения. Для зубчатых колес в приводах главного движения при некорригированном зацеплении и угле зацепления α = 20° допускается z_MIN = 18 ÷ 20. В передачах, где плавность вращения не имеет существенного значения (например, в механизмах управления), принимают z = 14, а для реечных зубчатых колес z_MIN = 10 ÷ 12.

Если между ведущим и ведомым зубчатыми колесами установлено одно или несколько промежуточных колес, то такие колеса изменяют не передаточное отношение, а лишь направление вращения ведомого вала. Такие колеса называют «паразитными».

Червячные передачи с цилиндрическим червяком (рис. 33, и) применяют в станках для значительной редукции (замедления) частоты вращения в приводах подач, для вспомогательных движений и в редких случаях для непосредственной передачи вращения шпинделю, например, в делительных головках. Основные достоинства червячных передач:

• возможность значительной редукции частоты вращения;
• плавность вращения;
• способность оказывать задерживающее действие на вибрации в кинематической цепи, где имеется червячная передача.

Это свойство имеет особое значение для механизмов подач, где в случае недостаточной жесткости механизма наблюдаются явления скачкообразной подачи суппорта или стола.

Основной недостаток червячных передач — сравнительно низкий КПД и, как следствие, большое выделение тепла. Наименьшие допустимые числа зубьев червячных колес в механизмах подач принимаются: при однозаходных червяках 17—18; при двухзаходных 26—28. Для ответственных силовых передач оптимальное число зубьев 50—70.

Число заходов червяков выбирают исходя из требуемого передаточного отношения с учетом КПД. Выбор материала червячной пары зависит от скорости скольжения и габаритов передачи. Червяк чаще всего изготовляют стальным, термически обработанным, зубчатое червячное колесо для скоростей скольжения до 2—2,5 м/с — из чугуна; до 3 м/с — из антифрикционных сплавов, например, алюминиевой бронзы БрАЖ 9—4; свыше 3 м/с — из оловянистых бронз. Червяки рекомендуется полировать, так как это повышает работоспособность передачи.

Передаточное отношение червячной передачи:

где z — число зубьев червячного колеса; k — число заходов червяка.

Дифференциальные зубчатые механизмы являются разновидностью планетарных механизмов. Дифференциал имеет две степени свободы (подвижности) и применяется для сложения вращений от двух независимых источников на одно ведомое звено, а также для расчленения одного вращательного движения на два, например, для передачи движения от одного двигателя к двум потребителям. Дифференциал, состоящий из сателлитов z₂ и z₃, центральных колес z₁ и z₄ и водила 3 представлен на рис. 34. Зубчатое колесо z₁ вращается о основной скоростью, передаваемой входным валом 1, зубчатое колесо z₄ вращается с дополнительной скоростью, передаваемой валом 2, червяком К и червячным колесом z₅. Передаточное число дифференциала определяют по формуле Виллиса:

где n₁, n_B, n₄ — частота вращения соответственно входного вала, водила и зубчатого колеса 4, об/мин.

Знак минус означает, что колеса z₁ и z₄ вращаются в разные стороны, а знак плюс — в одну сторону.

Обычно числа зубьев конических колес одинаковы, колеса z₂ и z₃ — паразитные. Подставляя в формулу значения, получим для нашего случая уравнение:

откуда скорость вращения водила 3:

Если зубчатое колесо z₄ неподвижно, т. е. когда дополнительное вращение вала 2 отсутствует, то n₄ = 0 и n_B = n₁/2.