ТЕМА 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ. ЛЕКЦИЯ 2. РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. Вопросы, изложенные в лекции: 1. Общие сведения о передачах. 2. Ременные передачи. Учебная литература: Детали машин и подъемное оборудование. Под рук. Г.И. Мельникова - М.: Воениздат, стр Н.Г. Куклин и др. Детали машин: Учебник для техникумов / Н.Г. Куклин, Г.С. Куклина, В.К. житков.- 5-е изд., перераб. и допол.- М.: Илекса, стр ; Соловьев В.И. Детали машин (Курс лекций. II часть). - Новосибирск: НВИ, стр
Общие сведения о передачах Определение: Передача устройство, предназначенное для передачи энергии из одной точки пространства в другую, расположенную на некотором расстоянии от первой. В зависимости от вида передаваемой энергии передачи: механические, электрические, гидравлические, пневматические и т.п. Механическая передача устройство (механизм, агрегат), предназначенное для передачи энергии механического движения, как правило, с преобразованием его кинематических и силовых параметров, а иногда и самого вида движения. Наибольшее распространение в технике получили механические передачи вращательного движения, которым в курсе деталей машин уделено основное внимание (далее под термином передача подразумевается, если это не оговорено особо, именно механическая передача вращательного движения).
Классификация механических передач вращательного движения (2 слайда): 1. По способу передачи движения от входного вала к выходному: 1.1. Передачи зацеплением: с непосредственным контактом тел вращения зубчатые, червячные, винтовые; с гибкой связью цепные, зубчато-ременные Фрикционные передачи: с непосредственным контактом тел вращения – фрикционные; с гибкой связью - ременные. 2. По взаимному расположению валов в пространстве: 2.1. с параллельными осями валов зубчатые с цилиндрическими колесами, фрикционные с цилиндрическими роликами, цепные; 2.2. с пересекающимися осями валов - зубчатые и фрикционные конические, фрикционные лобовые; 2.3. с перекрещивающимися осями - зубчатые - винтовые и коллоидные, червячные, лобовые фрикционные со смещением ролика. 3. По характеру изменения угловой скорости выходного вала по отношению к входному: редуцирующие (понижающие) и мультиплицирующие (повышающие).
4. По характеру изменения передаточного отношения (числа): передачи с постоянным (неизменным) передаточным отношением и передачи с переменным передаточным отношением, изменяемым или по величине, или по направлению или и то и другое вместе. 5. По подвижности осей и валов: с неподвижными осями валов рядовые передачи (коробки скоростей, редукторы), передачи с подвижными осями валов (планетарные передачи, вариаторы с поворотными роликами). 6. По количеству ступеней преобразования движения: одно-, двух-, трех-, и многоступенчатые. 7. По конструктивному оформлению: закрытые и открытые (бескорпусные).
Главные характеристики передач (2 слайда): мощности на входном и выходном валах - P вх, P вых ; и их скорости вращения вх, вых или частоты вращения - n вх и n вых. Соотношение между частотой вращения n (общепринятая размерность 1/мин) и угловой скоростью (размерность в системе SI 1/с) выражается следующим образом: и (2.1) Отношение мощности на выходном валу передачи P вых (полезной мощности) к мощности P вх, подведенной к входному валу (затраченной), называют коэффициентом полезного действия (КПД): (2.2) Отношение потерянной в механизме (машине) мощности ( P в хр вых ) к ее входной мощности называют коэффициентом потерь: (2.3)
Сумма коэффициентов полезного действия и потерь всегда равна единице: (2.4) Для многоступенчатой передачи, включающей k последовательно соединенных ступеней, общий КПД равен произведению КПД отдельных ступеней:.(2.5) Следовательно КПД машины, содержащей ряд последовательных передач, всегда будет меньше КПД любой из этих передач. Силовые показатели передачи определяются по известным из теории механизмов и машин (ТММ) формулам. усилие, действующее по линии движения на поступательно движущейся детали F=P/v, где P мощность, подведенная к этой детали, а v ее скорость; момент, действующий на каком-либо из валов передачи T=P/, где P мощность, подведенная к этому валу, а скорость его вращения. Используя соотношение (2.1), получаем формулу, связывающую момент, мощность и частоту вращения:.(2.6)
Окружная (касательная) скорость в любой точке вращающегося элемента (колеса, шкива, вала), лежащей на диаметре D этого, будет равна : Окружная (касательная) скорость в любой точке вращающегося элемента (колеса, шкива, вала), лежащей на диаметре D этого элемента, будет равна :. (2.7) При этом тангенциальную (окружную или касательную) силу можно вычислить по следующей формуле:. (2.8) Передаточное отношение - это отношение скорости входного звена к скорости выходного звена, что для вращательного движения выразится следующим образом:,(2.9) где верхний знак (плюс) соответствует одинаковому направлению вращения входного и выходного звеньев (валов), а нижний - встречному.
В технических расчетах (особенно прочностных) направление вращения чаще всего не имеет решающего значения. В таких расчетах используется передаточное число, которое представляет собой абсолютную величину передаточного отношения:.(2.10) В многоступенчатой передаче с последовательным расположением k ступеней (что чаще всего наблюдается в технике) передаточное число и передаточное отношение определяются следующими выражениями:.(2.11) Среди множества разнообразных передач вращательного движения достаточно простыми конструктивно (по устройству) являются передачи с гибкой связью, принцип работы которых строится на использовании сил трения или зубчатого зацепления это ременные передачи.
Определение: Ременная передача – это механизм, предназначенный для передачи вращательного движения посредством фрикционного взаимодействия или зубчатого зацепления замкнутой гибкой связи – ремня с жесткими звеньями – шкивами, закрепленными на входном и выходном валах механизма. Ременные передачи. Рис Принципиальная схема ременной передачи и основные виды фрикционных ремней: а) плоский; б) клиновой; в) круглый; г) поликлиновой.
Достоинства ременных передач: 1. Простота конструкции и низкая стоимость. 2. Возможность передачи движения на достаточно большие расстояния (до 15 м). 3. Возможность работы с большими скоростями вращения шкивов. 4. Плавность и мало шумность работы. 5. Смягчение крутильных вибраций и толчков за счет упругой податливости ремня. 6. Предохранение механизмов от перегрузки за счет буксования ремня при чрезмерных нагрузках. Недостатки ременных передач: 1. Относительно большие габариты. 2. Малая долговечность ремней. 3. Большие поперечные нагрузки, передаваемые на валы и их подшипники. 4. Непостоянство передаточного числа за счет проскальзывания ремня. 5. Высокая чувствительность передачи к попаданию жидкостей (воды, топлива, масла) на поверхности трения.
Классификация ременных передач (2 слайда): 1. По форме поперечного сечения ремня: 1.1 плоскоременные (поперечное сечение ремня имеет форму плоского вытянутого прямоугольника, рис. 2.1.а); 1.2 клиноременные (поперечное сечение ремня в форме трапеции рис. 2.1.б); 1.3 поли клиноременные (наружная поверхность ремня плоская, а внутренняя, взаимодействующая со шкивами, поверхность ремня снабжена продольными гребнями, в поперечном сечении имеющими форму трапеции, рис. 2.1.г); 1.3 поли клиноременные (наружная поверхность ремня плоская, а внутренняя, взаимодействующая со шкивами, поверхность ремня снабжена продольными гребнями, в поперечном сечении имеющими форму трапеции, рис. 2.1.г); 1.4 круглоременные (поперечное сечение ремня имеет форму круга, рис. 2.1.в); 1.5 зубчато ременная (внутренняя, контактирующая со шкивами, поверхность плоского ремня снабжена поперечными выступами, входящими в процессе работы передачи в соответствующие впадины шкивов). 1.5 зубчато ременная (внутренняя, контактирующая со шкивами, поверхность плоского ремня снабжена поперечными выступами, входящими в процессе работы передачи в соответствующие впадины шкивов). 2. По взаимному расположению валов и ремня: 2.1 открытая передача – передача с параллельными геометрическими осями валов и ремнем, охватывающим шкивы в одном направлении (шкивы вращаются в одном направлении); 2.2 перекрестная передача – передача с параллельными валами и ремнем, охватывающим шкивы в противоположных направлениях (шкивы вращаются во встречных направлениях); 2.3 полуперекрестная передача – оси валов которой перекрещиваются под некоторым углом (чаще всего 90 ).
3. По числу и виду шкивов, применяемых в передаче: 3.1 с одношкивными валами; 3.1 с одношкивными валами; 3.2 с двушкивным валом, один из шкивов которого холостой; 3.3 с валами, несущими ступенчатые шкивы для изменения передаточного числа (для ступенчатой регулировки скорости ведомого вала). 4. По количеству валов, охватываемых одним ремнем: двухвальная, двухвальная, трех-, четырех- и многовальная передача. 5. По наличию вспомогательных роликов: без вспомогательных роликов, с натяжными роликами; с направляющими роликами.
При расчетах клиноременных передач для ведущего и ведомого шкивов используются расчетные диаметры d р 1 и d р 2. Угол между ветвями охватывающего шкивы ремня - 2, а угол охвата ремнем малого (ведущего) шкива (угол, на котором ремень касается поверхности шкива) 1. Как видно из чертежа (рис. 2.2) половинный угол между ветвями составит,(2.12) Геометрические соотношения в ременной передаче рассмотрим на примере открытой плоскоременной передачи (рис. 2.2). Межосевое расстояние a – это расстояние между геометрическими осями валов, на которых установлены шкивы с диаметрами D 1 (он, как правило, является ведущим) и D2 (ведомый шкив). Рис Геометрия открытой ременной передачи.
а так как этот угол обычно невелик, то во многих расчетах допустимым является приближение sin, то есть.(2.13) Используя это допущение, угол охвата ремнем малого шкива можно представить в следующем виде (2.14) в радианной мере, или (2.15) в градусах. Длину ремня при известных названных выше параметрах передачи можно подсчитать по формуле.(2.16) Однако, весьма часто ремни изготавливаются в виде замкнутого кольца известной (стандартной) длины. В этом случае возникает необходимость уточнять межосевое расстояние по заданной длине ремня
.(2.17) С целью обеспечения стабильности работы передачи обычно принимают для плоского ремня, а для клинового –, где h p – высота поперечного сечения ремня (толщина ремня). В процессе работы передачи ремень обегает ведущий и ведомый шкивы. Долговечность ремня в заданных условиях его работы характеризует отношение V p / L p (в системе СИ его размерность– с -1 ), чем больше величина этого отношения, тем ниже при прочих равных условиях долговечность ремня. Обычно принимают для плоских ремней V p / L p = (3…5) с -1, для клиновых V p / L p = (20…30) с -1.
Силовые соотношения в ременной передаче. В ременной передаче силы нормального давления между поверхностями трения можно создать только за счет предварительного натяжения ремня. При неработающей передаче силы натяжения обеих ветвей будут одинаковыми (обозначим их F 0, как на рис 2.3,а). В процессе работы Рис Силы в ременной передаче. передачи за счет трения ведущего шкива о ремень набегающая на этот шкив ветвь ремня получает дополнительное натяжение (сила F 1 ), а, сбегающая с ведущего шкива, ветвь ремня несколько ослабляется (сила F 2, рис. 2.3,б). Окружное усилие, передающее рабочую нагрузку F t = F 1 -F 2, но, как для передачи вращения Ft = 2T 2 /D (см. (2.8)), а для поступательно движущихся ветвей ремня F t = P / V p, где P – мощность передачи, а V p средняя скорость движения ремня. Суммарное натяжение ветвей ремня остается неизменным, как в работающей, так и в неработающей передаче, то есть F 1 +F 2 =2F 0.
Для ремня, охватывающего шкив, по формуле Эйлера F 1 =F 2 e f, где e – основание натурального логарифма ( e 2,7183 ), f – коэффициент трения покоя (коэффициент сцепления) между материалами ремня и шкива, – угол охвата ремнем шкива. Тогда,,(2.19) где индексы « 1 » указывают на параметры, относящиеся к ведущему шкиву передачи. Отношение разности сил натяжения в ветвях ремня работающей передачи к сумме этих сил называется коэффициентом тяги ( )..(2.21) Оптимальная величина коэффициента тяги:.(2.22) Оптимальная величина коэффициента тяги зависит только лишь от конструктивных параметров передачи и качества фрикционной пары материалов ремня и шкива.
Кинематика ременной передачи. Удлинение каждого отдельно взятого элемента ремня меняется в зависимости от того, на какую его ветвь этот элемент в данный момент времени попадает (поскольку F 1 >F 2 ). Изменение длины этой элементарной части ремня может происходить только в процессе ее движения по шкивам. При этом, проходя по ведущему шкиву (при переходе с ведущей ветви на свободную), эта элементарная часть укорачивается, а при движении по ведомому шкиву (переходя со свободной ветви ремня на его ведущую ветвь) – удлиняется. Изменение длины части ремня, соприкасающейся с поверхностью шкива, возможно только с её частичным проскальзыванием. Следовательно: 1) работа ременной передачи без скольжения ремня по рабочей поверхности шкивов невозможна.; 2) скорости движения ведущей и свободной ветвей ремня различны, а следовательно, различны и скорости рабочих поверхностей ведущего и ведомого шкивов. Окружная скорость рабочей поверхности ведущего шкива больше окружной скорости на поверхности ведомого шкива ( V 1 > V 2 ). Отношение разности между окружными скоростями на рабочей поверхности ведущего и ведомого шкивов к скорости ведущего шкива называют коэффициентом скольжения передачи ( ).,(2.23)
где индекс « 1 » соответствует ведущему, а индекс « 2 » ведомому шкивам. Передаточное число ременной передачи, представленное через ее конструктивные параметры:.(2.24) Тяговая способность и долговечность ремня являются основными критериями работоспособности ременной передачи. Её проектный расчет обычно выполняется по тяговой способности, а расчет долговечности при этом является проверочным. Рис Кривые скольжения и КПД. Поведение ременной передачи характеризует график рис На нем выявляются 3 зоны: 1 зона упругого скольжения ( 0 0 ; меняется линейно ) ; 2 зона частичного буксования ( 0 max, быстро нарастает ); 3 зона полного буксования ( max скольжение полное).
Напряжения в ремне. В ремне возникают напряжения от действия рабочей нагрузки, от изгиба вокруг шкива, от действия центробежных сил при обегании шкива. напряжения растяжения от рабочей нагрузки ;(2.25) напряжения изгиба ;(2.26) напряжения от действия центробежных сил ;(2.29) где средняя плотность материала ремня, а V р – средняя скорость движения ремня, обегающего шкив. На внешней стороне ремня все три вида названных напряжений являются растягивающими и потому суммируются. Таким образом, максимальные растягивающие напряжения в ремне.(2.31)
Особенности конструкции, работы и расчета клиноременных и поликлиноременных передач. Клиновые ремни имеют трапециевидное поперечное сечение, а поликлиновые – выполненную в форме клина рабочую часть (рис. 2.5). Угол клина для обоих видов ремней одинаков и составляет 40. На шкивах такой передачи выполняются канавки, соответствующие сечению рабочей части ремня и называемые ручьями. Профили ремней и ручьёв шкивов контактируют только по боковым (рабочим) поверхностям (рис. 2.6). Рис Расположение клинового ремня в ручье шкива. Рис сечения клинового (а, б) и поликлинового (в) ремней.
Размеры сечений клиновых ремней стандартизованы (ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ ). Стандартом предусмотрено 7 ремней нормального сечения (Z, A, B, C, D, E, E0), у которых b 0 /h 1,6, и 4 – узкого сечения (YZ, YA, YB, YC), у которых b 0 /h 1,25. Ремни изготавливаются в виде замкнутого кольца, поэтому их длины тоже стандартизованы. Таким образом, ремень со шкивом образуют клиновую кинематическую пару, для которой приведенный коэффициент трения f* выражается зависимостью,(2.36) где f – коэффициент трения между контактирующими поверхностями ремня и шкива, а угол между боковыми рабочими поверхностями ремня. При = 40 получаем, что f* = 2,92 f, то есть при одном и том же диаметре ведущего шкива несущая способность клиноременной передачи будет примерно втрое выше в сравнении с плоскоременной. Проектный расчет клиноременных передач выполняется достаточно просто методом подбора, поскольку в стандартах указывается мощность, передаваемая одним ремнем при определенном расчетном диаметре меньшего шкива и известной средней скорости ремня или частоте вращения шкива.
Лекция окончена. Спасибо за внимание!