Общие положения раздела, требования и тенденции развития машиностроения. Назначение передач. Тема 3.1

1.

Тема 3.1 Общие положения раздела, требования и тенденции
развития машиностроения. Назначение передач. Их
использование в автомобилях.

2.

Цели и задачи курса «Детали машин», его связь с другими
предметами
Курс «Детали машин» является заключительным разделом дисциплины
«Техническая механика», изучаемого в средних специальных учебных
заведениях. Курс «Детали машин» является связующим звеном между
общетехническими
и
специальными
дисциплинами.
В
пределах,
предусмотренных учебным планом и программой, в этом курсе изучаются
основы расчета на прочность и жесткость деталей машин общего назначения,
выбор материалов, конструирование деталей с учетом технологии изготовления и
эксплуатации машин. Теоретические знания закрепляются курсовым проектом.

3.

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены теоретические основы
расчета и конструирования деталей и сборочных единиц (узлов) общего
назначения. Изучаемые детали и узлы общего назначения делятся на три
основные группы:
• детали соединений (болты, шпильки, винты и др.);
• механические передачи (зубчатые, червячные, винт-гайки, цепные, ременные,
фрикционные и др.);
• детали и узлы передач (валы, подшипники, муфты и др.).
Детали и узлы, которые встречаются только в специальных типах машин,
называют деталями и узлами специального назначения (клапаны, поршни,
шатуны, шпиндели станков и т. п.); их изучают в специальных курсах
(«Двигатели внутреннего сгорания», «Металлорежущие станки» и т. д.).

4.

Машина — механическое устройство, предназначенное для выполнения требуемой
полезной работы, связанной с процессом производства или транспортирования или
же с процессом преобразования энергии, или информации.
Машину собирают из механизмов, деталей и узлов. Из ответа на вопрос, поставленный
в шаге 0.2 (см. стр. 17), Вы знаете, что называется деталью.
Механизмом называется система подвижно соединенных тел, предназначенная для
преобразования движения одного или нескольких тел в целесообразные движения
других тел (например, кривошипно-ползунный механизм, механические передачи и т.
п.).
Узел — сборочная единица, которую можно собирать отдельно от изделия в целом,
выполняющая определенную функцию в изделиях одного назначения только
совместно с другими составными частями изделия (муфты, подшипники качения и др.).
По характеру рабочего процесса и назначению машины можно разделить на три
класса:
I класс — машины-двигатели, преобразующие тот или иной вид энергии в
механическую работу (двигатели внутреннего сгорания, турбины и др.);
II класс — машины-преобразователи (генераторы), преобразующие механическую
энергию (полученную от машины-двигателя) в другой вид энергий (например,
электрические машины — генераторы тока);
III класс — машины-орудия (рабочие машины), использующие механическую энергию,
получаемую от машины-двигателя, для выполнения технологического процесса,
связанного с изменением свойств, состояния и формы обрабатываемого объекта
(металлообрабатывающие станки, сельскохозяйственные машины и др.), а также
машины, предназначенные для выполнения транспортных операций (конвейеры,
подъемные краны, насосы и т. д.). К этому же классу можно отнести машины, частично
заменяющие интеллектуальную деятельность человека (например, ЭВМ).

5.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕДАЧАХ
Назначение и роль передач в машинах
Для приведения в движение машин-орудий необходима механическая
энергия: эта энергия получается в электрических, тепловых и других машинахдвигателях. Чаще всего механическая энергия, используемая для привода в
движение машины-орудия, представляет собой энергию вращательного
движения вала двигателя.
Как правило, вал двигателя имеет иную, обычно большую, угловую скорость
(частоту вращения), чем вал приводимой машины. В сравнительно редких
случаях ведомый вал может быть непосредственно связан с ведущим валом
(примером является вентилятор); обычно между валами двигателя /, машиныорудия 3 вводят промежуточные устройства 2, которые называют передачами
(рис. 1.1).
Рис. 1.1. Механизм барабанной лебедки

6.

В современных машинах передача энергии может осуществляться
механическими, гидравлическими, пневматическими и другими устройствами. В
курсе «Детали машин» рассматривают только механические передачи.
Механическими передачами, или просто передачами, называют механизмы для
передачи энергии от машины-двигателя к машине-орудию, как правило, с
преобразованием скоростей, моментов, а иногда — с преобразованием видов
движения.
Передачи между машиной-двигателем и машиной-орудием вводят по следующим
причинам:
• энергию целесообразно передавать при больших частотах вращения;
• скорость исполнительного органа в процессе работы машины-орудия необходимо
изменять (например, у автомобиля, грузоподъемного крана, токарного станка),
а скорость машины-двигателя чаще постоянна (например, у электродвигателей);
• нередко от одного двигателя необходимо приводить в движение несколько
механизмов с различными скоростями;
• в отдельные периоды работы исполнительному органу машины требуется передать
вращающие моменты, превышающие моменты на валу машины-двигателя, а это
возможно выполнить за счет уменьшения угловой скорости вала машины-орудия;
• в тех случаях, когда рабочие органы машины совершают возвратно-поступательное
движение (например, суппорт строгального станка), а двигатель имеет
вращающийся вал (электродвигатель и др.).
В отличие от рассмотренной на рис. 1.1 схемы машины возможны и другие схемы.

7.

Классификация механических передач
Механические передачи, применяемые в машиностроении, классифицируют
(рис. 1.3 и 1.4):
по принципу передачи движения:
• передачи трением (фрикционная — рис. 1.3, а и ременная — рис.
1.4, а);
• зацеплением (зубчатые — рис. 1.3, б, червячные — рис. 1.3, в; цепные —
рис. 1.4, б; передачи винт-гайка — рис. 1.3, г, д);
Рис. 1.3. Механические передачи с непосредственным контактом тел вращения:
а — фрикционная передача; б — зубчатая передача; в — червячная передача;
г, д — передачи винт-гайка
б)
Рис. 1.4. Передачи с гибкой связью: а — ременная; б — цепная

8.

по способу соединения деталей:
• передачи с непосредственным контактом тел вращения (фрикцион
ные, зубчатые, червячные, передачи винт-гайка — см. рис. 1.3);
• передачи с гибкой связью (ременная, цепная — см. рис. 1.4).
Кинематические схемы механических передач приведены на рис. 1.5 и рис.
1.6.
Краткая характеристика этих передач (рис. 1.5): передачи зубчатые
цилиндрические между параллельными валами (а — с прямыми и косыми
зубьями; б — с шевронными зубьями; в — внутреннего зацепления; г —
реечные); передачи зубчатые конические между пересекающимися валами
(д — с прямыми, косыми и круговыми зубьями; е — коническая —
гипоидная);
передачи
зубчатые
(цилиндрические)
между
скрещивающимися валами (ж — винтовая).
На рис. 1.6, а показано схематичное изображение червячной передачи; 1.6,
б — цепной передачи; 1.6, в — передачи винт-гайка; 1.6, г — ременной
передачи.

9.

Рис. 1.5. Кинематические схемы механических передач: а — цилиндрические зубчатые передачи с внешним
зацеплением; б — цилиндрические передачи с внутренним зацеплением; в — передача шестерня—рейка; г
— конические зубчатые передачи с пересекающимися осями валов; д — гипоидная передача; е — передачи
зубчатые цилиндрические со скрещивающимися валами

10.

Рис. 1.6. Кинематические схемы механических передач: а — червячная передача; б — цепная передача; в — передача
винт-гайка; г — ременная передача

11.

Основные кинематические и силовые отношения в
передачах
В механических передачах ведомыми звеньями называют детали
передач (катки, шкивы, зубчатые колеса и т. п.), получающие движение от
ведущих звеньев.
Рис. 1.8. Трехступенчатая передача
Рис. 1.9. Кинематика цилиндрической передачи

12.

В машиностроении принято обозначать угловые и окружные скорости, частоту
вращения, диаметры вращающихся деталей ведущих валов индексами
нечетных цифр, ведомых — четными. Например, для колес трехступенчатой
передачи (рис. 1.8) обозначения частот вращения следующие: л, — ведущего
вала I; п3 — ведущей шестерни вала II; п5 — ведущей шестерни вала III; п2 —
промежуточного ведомого вала II; п4 — ведомого колеса вала III; п6 —
ведомого колеса вала IV.
Все механические передачи характеризуются передаточным числом или
отношением. Рассмотрим работу двух элементов передачи (рис. 1.9), один из
которых будет ведущим, а второй — .ведомым.
Введем следующие обозначения: ω1 и п1 — угловая скорость и частота
вращения ведущего вала, выраженные соответственно рад/с и об/мин; ω2 и п2
— угловая скорость и частота вращения ведомого вала; D1 и D2 - диаметры
вращающихся деталей (шкивов, катков и т. п.); v1 и v2 — окружные скорости,
м/с.
Отношение диаметров ведомого элемента передачи к ведущему называют
передаточным числом
u = D2/D1
Если известны параметры передачи — диаметры D1 и D2 или числа зубьев z1 и
z2, передаточное число и определяем следующим образом.
Для зубчатых передач передаточное число и — отношение числа зубьев
ведомого колеса к числу зубьев ведущего колеса, т. е. и = z2 /z1, где z2 и z1 —
числа зубьев соответственно ведомого и ведущего колеса.

13.

Итак, передаточное число
U=ω1/ω2=n1/n2=D2/D1=z2/z1
(обратите внимание на индексы у букв ω, п, D и z.); относится к
фрикционной передаче без учета скольжения.
Если и> 1, передачу называют понижающей, если и < 1 — повышающей.
В приводах с большим передаточным числом (до и= 1000 и выше), составленных
из нескольких последовательно соединенных передач (многоступенчатые
передачи), передаточное число равно произведению передаточных чисел каждой
ступени передачи, т. е.
Uобщ=u1·u2·…un.
Передача мощности от ведущего вала к ведомому всегда сопровождается
потерей части передаваемой мощности вследствие наличия вредных
сопротивлений (трения в движущихся частях, сопротивления воздуха и др.).
Если Р, — мощность на ведущем валу, Р2 — на ведомом валу, то Р1 > Р2.
Отношение значений мощности на ведомом валу к мощности на ведущем валу
называют механическим коэффициентом полезного действия (КПД) и обозначают
буквой η:
η = Р2/Р1
Общий КПД многоступенчатой последовательно соединенной передачи
определяют по формуле
ηобщ=η1·η2·…·ηn,
где η1·η2·…·ηn — КПД, учитывающие потери в отдельных кинематических парах
передачи.

14.

Механизмы преобразования одного вида движения в другой
(общие сведения)
Рычажные механизмы.
Рычажные механизмы предназначены для преобразования одного вида
движения в другое, колебательное вдоль или вокруг оси. Наиболее
распространенные
рычажные
механизмы
—
шарнирный
четырехзвенный, кривошипно-ползунный и кулисный.
Шарнирный четырехзвенный механизм (рис. 1.10) состоит из кривошипа
7, шатуна 2 и коромысла 3. В зависимости от соотношения длин рычагов
1, 2, 3 механизм и его звенья будут выполнять разные функции.
Механизм, изображенный на рис. 1.10, со звеном 1, наиболее коротким
из всех, называется однокривошипным. При вращении кривошипа. 1
вокруг оси О, коромысло 3 совершает колебательное движение вокруг
оси О2, шатун 2 совершает сложное плоскопараллельное движение.
Кривошипно-ползунный механизм получают из шарнирного четырехзвенника при замене коромысла 3 ползуном 3 (рис. 1.11). При этом вращение
кривошипа 1, ползун 3 совершает колебательное прямолинейное
движение вдоль направляющей ползуна. В двигателях внутреннего
сгорания, таким ползуном, является поршень, а направляющей —
цилиндр.

15.

Кулисные механизмы служат для преобразования равномерно-вращательного
движения кривошипа в качательное движение кулисы или неравномерное
прямолинейное колебательное (возвратно-поступательное) движение ползуна.
Кулисные механизмы используются в строгальных станках, когда рабочий ход
(снятие стружки) происходит медленно, а нерабочий ход (возвращение резца) —
быстро. На рис. 1.12 показана схема кулисного механизма с входным поршнем на
шатуне. Такая схема используется в механизмах гидронасосов ротационного типа
с вращающимися лопастями, а также в различных гидро- или пневмоприводах
механизма с входным поршнем 3 на шатуне, скользящем в качающемся (или
вращающемся) цилиндре.
Рис. 1.11. Кривошипно-шатунный
механизм: 1 — кривошип; 2—
шатун; 3 — ползун
Рис. 1.10. Шарнирный четырехзвенный механизм:
1 — кривошип; 2 — шатун; 3 — коромысло
Рис. 1.12. Кулисный механизм: / — кривошип; 2 — шатун; 3 — поршень

16.

Кулачковые механизмы.
Кулачковые механизмы предназначены для преобразования вращательного
движения ведущего звена (кулачка) в заведомо заданный закон возвратнопоступательного движения ведомого звена (толкателя). Широко применяются
кулачковые механизмы в швейных машинах, двигателях внутреннего сгорания,
автоматах и позволяют получить заведомо заданный закон движения толкателя, а
также обеспечить временные остановы ведомого звена при непрерывном
движении ведущего.
На рис. 1.13 приведены плоские кулачковые механизмы. Кулачковый механизм
состоит из трех звеньев: кулачка /, толкателя 2 и стойки (опоры) 3. Для
уменьшения трения в кулачковый механизм вводится ролик. Ведущим звеном в
кулачковом механизме является кулачок. Кулачок может совершать как
вращательное движение, так и поступательное. Движение ведомого звена —
толкателя — может быть поступательным и вращательным.
Рис. 1.13. Кулачковые механизмы: / — кулачок; 2 — толкатель; 3 — стойка (опора)
Недостатки кулачковых механизмов: высокие удельные давления, повышенный
износ звеньев механизма, необходимость обеспечения замыкания звеньев, что
приводит к дополнительным нагрузкам на звенья и к усложнению конструкции.

17.

Храповые механизмы.
Храповые механизмы относятся к механизмам прерывистого действия,
которые обеспечивают движения ведомого звена в одном направлении с
периодическими остановками. Конструктивно храповые механизмы
делятся на нереверсивные с внутренним зацеплением и с храповым
колесом, а также реверсивные в виде зубчатой рейки.
Нереверсивный храповый механизм с внутренним зацеплением (рис. 1.14).
Ведущим звеном может быть как храповое колесо внутреннего зацепления
/, соединенное с зубчатым колесом внешнего зацепления, так и втулка 4 с
закрепленной на ней собачкой 3, подпружиненной к зубьям храпового
колеса 1 пружиной 2.
Рис. 1.14. Нереверсивный храповый механизм с внутренним зацеплением:
1 — храповое колесо; 2 — пружина; 3 — собачка; 4 — втулка

18.

В нереверсивных механизмах (рис. 1.15) храповое колесо выполняют
в виде рейки 1 в направляющих, и тогда собачка 2 сообщает рейке с
храповым зубом прерывистое прямолинейное движение. В этом
случае предусматривает устройство, которое возвращает рейку в
начальное положение.
Рис. 1.15. Нереверсивный храповый механизм:
1 — рейка; 2 — собачка
Рис. 1.16. Реверсивный храповый механизм:
1- храповик; 2 — ведущий рычаг; 3 - собачка
Реверсивные храповые механизмы (рис. 1.16) имеют: храповое
колесо 1 с зубьями эвольвентного профиля, а на ведущем рычаге 2
шарнирно устанавливают собачку 3, которую при необходимости
реверса перебрасывают вокруг оси Ох.
В машино- и приборостроении применяют храповые механизмы, в
которых механизм (ведомое звено) двигается в одном направлении с
периодическими остановками (металлообрабатывающие станки,
задняя ведущая втулка у велосипеда и др.).

19.

Мальтийский механизм (крест).
Мальтийские кресты широко применяются в машинных автоматах. Они относятся к
механизмам прерывистого действия и предназначены для преобразования
равномерного вращения ведущего звена в периодические с остановками ведомого
звена, работают плавно без ударов (в отличие от храповых механизмов).
Наиболее распространенные мальтийские механизмы с внешним зацеплением (рис.
1.17). Такой механизм состоит из ведущего кривошипа 7, ролика 2 на его конце,
мальтийского креста 3. При вращении кривошипа 1 ролик 2 входит в паз 4
мальтийского креста 3 и возвращает его на заданный угол. После выхода ролика 2 из
паза 4 угловое положение мальтийского креста фиксируется цилиндрической
поверхностью диска.
Мальтийские механизмы проектируются с числом пазов мальтийского креста, равным
3 + 12. Расчеты храповых механизмов на прочность проводятся в зависимости от
вращающего момента на вале храпового колеса.
Рис. 1.17. Мальтийский механизм: 1 — ведущий кривошип;
2 — ролик; 3 - мальтийский крест; 4 - паз мальтийского креста

20.

Контрольные вопросы и задания
1. На каких предметах базируется курс «Детали машин»?
2. С учетом ранее изученных общетехнических дисциплин дайте определение, что такое деталь.
3. По характеру рабочего процесса и назначению, к какому классу можно отнести такие машины, как компрессор,
электродвигатель, пресс?
4. Чем отличается машина-орудие от машины-двигателя?
5. Покажите на рис. 1.2 передачу.
Рис. 1.2. Кинематическая схема велосипеда:
7 — руль; 2 — рама; 3 — ведущая звездочка; 4 — ведомая звездочка;
5 — крыло; 6 — цепь; 7 — колесо; 8 — ось
6. Как классифицировать передачу, показанную на рис. 1.2? Полный ответ запишете в конспект.
7. Ответьте на вопросы тестового задания.
II
III
Рис. 1.7. Кинематическая схема многоступенчатой передачи
IV

21.

Контрольные вопросы и задания (продолжение)
8. Начертите в конспекте трехступенчатую передачу (рис. 1.8) и обозначьте
диаметры ведущих и ведомых катков буквой D с соответствующим индексом.
9. Запишите в конспект формулу для определения передаточного числа
одноступенчатой передачи, если известны диаметры колес передачи и их
угловые скорости.
10. Исходя из условия (1.4), Р2 = Р1η, определите зависимость между вращающими
моментами Т1 и T2 (запишите в конспект формулу).
11. Ответьте на вопросы тестового задания.

22.

Темы 3.1. Принцип работы и классификации механических передач
Вопрос
Ответы
Код
Опишите взаимное положение валов в передаче
10—11, см. рис. 1.7
Передача с параллельными осями валов
Передача с пересекающимися осями валов
Передача с перекрещивающимися осями валов
Определить нельзя
Показать на рис. 1.7 червячную передачу
Поз. 2 -3
По з. 4 -5
По з. 6 -7
Поз. 10-11
Поз. 12-13
5
6
7
8
9
Покажите на рис. 1.7 машину-орудие (поз. I, II, III,
IV)
I
II
III
IV
10
11
12
13
Какое назначение механических передач
Как классифицируют зубчатую передачу по прин-|
ципу передачи движения?
Вырабатывать энергию
Воспринимать энергию
Затрачивать энергию на преодоление внешних сил, непосредственно связанных с процессом производства
Преобразовывать скорость, вращающий момент, направление
вращения
Трением
Зацеплением
Непосредственно контактом деталей, сидящих на ведущем и ведомом валах
Передача гибкой связью
1
2
3
4
14
15
16
17
18
19
20
21

23.

Темы 3.1. Кинематические и силовые отношения в передачах
Вопрос
Ответы
Код
Покажите на рис. 1.7 ведущее колесо третьей пары
Поз. 3
Поз. 4
Поз. 5
Поз. 6
Поз. 7
1
2
3
4
5
Передача 4—5 (см. рис. 1.7) понижающая или повышающая?
Понижающая
Повышающая
6
7
Сколько ступеней имеет передача, показанная на рис. 1.7?
/
2
6
12
8
9
10
11
Определить передаточное число (без учета скольжения)
трехступенчатой передачи (см. рис. 1.8), если Б\ = 200 мм, О2 = 50 мм,
О?, = 70 ММ, О4 = 350 мм, Д5 = '00 мм, п6 = 400 мм
1
1/5
5
9,25
4,45
12
13
14
15
16
Какое из приведенных отношений называют передаточным
числом одноступенчатой передачи?
n2/n1
D2/D1
D1/D2
17
18
19

24.

Домашнее задание