Детали машин и основы конструирования. Механические передачи. Фрикционные передачи. (Лекция 5)

1.

Детали Машин
и Основы Конструирования
Преподаватель:
Дорофеев Леонид Вячеславович
Cт. преподаватель
каф. «Мехатроника и международный
инжиниринг» /ауд. 108,110/
Базовая структура курса
Лекции: 40 часов.
Практические занятия: 20 часов.
Лабораторные работы: 40 часов.
Самостоятельная работа: 80 часов.
Итоговый контроль
I семестр: РГР, отчет лабораторных работ,
тесты, зачет.
II семестр: отчет лабораторных работ,
тесты, защита курсового проекта, экзамен.
Детали машин и основы конструирования
1

2.

Условные обозначения в лекциях-презентациях
!
- очень важно для понимания всей темы в целом!
- необходимо записать!
- рисунок (схему) занести в конспект!
?
- спросить, если непонятно!
- знать вывод формулы!
Вт Н м
с
- проверить размерность формулы!
- 99% вероятность дополнительного вопроса на экзамене!
- просмотреть по теме другие литературные источники!
- самостоятельно повторить решение задачи!
http://labstend.ru/site/index/uch_tech/index_full.php?mode=full&id=190&id_cat=354
Детали машин и основы конструирования
2

3.

Механические передачи трением
Фрикционные механизмы
Общие сведения
Детали машин и основы конструирования
3

4.

ДМиОК
Ременные передачи Общие сведения
Ременная передача – фрикционный механизм, включающий в себя гибкую связь и
предназначенный для передачи вращательного движения на значительные
расстояния.
Ременная передача включает в себя:
• шкивы (ведущий и ведомый),
• ремень,
• натяжное устройство (может отсутствовать).
шкив
ремень
шкив
натяжное
устройство
Детали машин и основы конструирования
4

5.

ДМиОК
Ременные передачи Общие сведения
Поликлиновой ремень для привода
навесных агрегатов
Детали машин и основы конструирования
5

6.

ДМиОК
Ременные передачи Общие сведения
Достоинства ременных передач:
• Возможность
передачи
вращения
на
значительные расстояния (8…10 м).
• Простота конструкции.
• Малая стоимость.
• Быстроходность.
• Плавность и бесшумность работы.
• Малая чувствительность к перегрузкам,
толчкам и ударам.
Применение: трансмисии технологических машин,
силовые приводы машин и др.
Недостатки ременных передач:
• Малая долговечность ремня.
• Значительные радиальные габариты.
• Высокие нагрузки на валы и опоры.
• Непостоянство передаточного отношения.
Передаваемые мощности до 50 кВт; окружные
скорости до 50 м/с; максимальные передаточные
отношения u = 5…6 – для передачи без натяжного
ролика, u = 6…10 – для передачи с натяжным
роликом;
ременные
передачи
допускают
кратковременную перегрузку до 300%.
Классификация РП
Детали машин и основы конструирования
6

7.

ДМиОК
Классификация РП
Открытая передача – наиболее
распространена. Оба вала вращаются
в одном направлении. Передаточное
отношение ременной передачи i d2
/d1.
Перекрёстная передача – с
вращением валов в противоположных
направлениях.
Полуперекрёстные передачи
используют в случае валов с
перекрещивающимися осями
Передачи с натяжным роликом
Детали машин и основы конструирования
7

8. Механика ременной передачи Упругое скольжение ремня

ДМиОК
Движение ремня по шкиву сопровождается упругим скольжением.
При F1-F2 > Fтр равновесие нарушается, происходит буксование ремня.
Скольжение до начала работы
0
F0
EA
Ведущая ветвь. Усилия и деформации увеличиваются. Ведомая ветвь. Усилия и деформации уменьшаются.
F1 F0
1 0 1 t
F2 F0
2 0 2t
Полезная нагрузка (окружное усилие), развиваемое передачей за счет сил трения:
Ft F1 F2
2T1
d1
Детали машин и основы конструирования
8

9. Механика ременной передачи Упругое скольжение ремня

ДМиОК
Механика ременной передачи
Упругое скольжение ремня
1
F1
EA
2
F2
EA
Уменьшение натяжения
F2 F1
2 1
qf – удельные силы трения
Движение ремня по шкиву сопровождается упругим скольжением.
При уменьшении нагрузки от F1 до F2 ремень начинает скольжение до тех пор, пока
силы трения не будут уравновешивать разность сил (F1 – F2). Скольжение
прекращается в некоторой точке В. На дуге ВА ремень находится в покое. – угол
обхвата (соответствует дуге АС); С – угол скольжения (соответствует дуге СВ). 9
9

10. Механика ременной передачи Упругое скольжение ремня

ДМиОК
Механика ременной передачи
10
Упругое скольжение ремня
Работающая
передача
0– начальное натяжение ремня. F0
– начальное натяжение ветвей.
0
F0
EA
до начала работы
Ведущая ветвь. Усилия и деформации
увеличиваются.
Ведущая
(набегающая)
ветвь
ведомая
(сбегающая)
ветвь
F1 F0
1 0 1 t
Ведомая ветвь. Усилия и деформации
уменьшаются.
F2 F0
2 0 2t
Полезная нагрузка (окружное усилие), развиваемое передачей за счет сил трения:
Ft F1 F2
2T1
d1
10

11. Механика ременной передачи Кинематика

ДМиОК
Механика ременной передачи
11
Кинематика
v1
1d1
2
– линейная скорость ведущей
ветви ведущего шкива
В результате упругого скольжения ремень
сбегает с ведущего шкива с меньшей
скоростью v2 (с такой же скоростью ремень
набегает на ведомый шкив):
Ведущая
(набегающая)
ветвь
v2 v1
v2
2d 2
2
v2 1 v1
коэффициент упругого скольжения
ведомая
(сбегающая)
ветвь
v1 v2
v2
2 d 2
1 1
v1
v1
1d1
Передаточное отношение – отношение
угловых скоростей ведущего и ведомого шкивов:
1
d2
u
2 d1 1
Экспериментально установлено, что 0.1 – для плоскоременных
передач и 0.015…0.02 – для клиноременных передач.
11

12. Механика ременной передачи Кинематика

ДМиОК
Линейная скорость ведущей
ветви ведущего шкива
v1
1d1
2
v2
2d 2
2
v2 v1
v2 1 v1
В результате упругого скольжения ремень сбегает с ведущего шкива с меньшей скоростью v2 (с такой же
скоростью ремень набегает на ведомый шкив):
v v
v
d
коэффициент упругого
1 2 1 2 1 2 2
скольжения
v1
v1
1d1
Передаточное отношение – отношение угловых скоростей ведущего и ведомого шкивов:
u
1
d2
2 d1 1
Экспериментально установлено, что 0.1 – для плоскоременных передач и 0.015…0.02 –
для клиноременных передач.
12
Детали машин и основы конструирования

13. Механика ременной передачи Усилия в передаче

ДМиОК
F0 – Сила предварительного натяжения ремня; F1 и F2 – Силы в ведущей и ведомой ветвях ремня.
Окружная сила передачи:
Ft F1 F2
(1)
Геометрическая длина ремня не зависит от нагрузки (вытяжка ведущей ветви компенсируется
сокращением ведомой):
(2)
F2 F0 Ft / 2.
F1 F0 Ft / 2;
rF rfdR r ( F dF ) 0;
dR F sin( d / 2) ( F dF ) sin( d / 2) 0;
С учетом
sin( d / 2) d / 2;
dR Fd .
fdR dF ;
получаем:
dF / F fd
Детали машин и основы конструирования
13

14. Механика ременной передачи Усилия в передаче

ДМиОК
F1
F2
0
dF / F fd
Зная
Ft 2T1 / d1;
F1 F2e f .
и учитывая (1) и (2), получим соотношения для расчета сил натяжения
ветвей передачи:
e f
;
F1 Ft f
e 1
1
F2 Ft f
;
e 1
F
F0 t
2
e f 1
f
.
e 1
Влияние центробежных сил на работоспособность передачи существенно при скоростях более 20м/с
Сила, действующая на вал:
Fr F12 F22 2 F1 F2 cos .
Условие буксования ремня
F
F0 t
2
e f 1
f
.
e 1
Увеличение значений
благоприятно сказывается на работоспособности ременной
f ,
передачи, этот вывод положен в основу при создании клиноременной передачи и передачи с
натяжным роликом
Детали машин и основы конструирования
14

15. Механика ременной передачи Напряжения в ремне передачи

ДМиОК
Напряжения в сечениях ведущей и ведомой ветвей ремня находятся в предположении, что ремень
– стержень постоянного сечения.
0
F0
A
1
F1
A
2
F2
A
Кроме основных напряжений растяжения, действуют дополнительные напряжения – от
центробежных сил ц и изгиба и.
Растягивающие напряжения от центробежных сил (в МПа) равны:
ц 10 3 v 2 ;
– плотность материала ремня (г/см3). = 1.2…1.25 г/см3 для
прорезиненных ремней.
Детали машин и основы конструирования
15

16. Механика ременной передачи Напряжения в ремне передачи

ДМиОК
Максимальные напряжения изгиба в крайних волокнах плоского ремня зависят от диаметра
шкива и толщины ремня. Они будут большими на шкиве меньшего диаметра.
1 и
Eymax Eh
r
d
ymax 0.5h – расстояние от нейтральной линии до крайнего волокна
r 0.5 d1 h 0.5d1 – радиус кривизны ремня
Для клинового ремня максимальные напряжения изгиба равны:
1 и 2
Ey0
d1
y0 – расстояние от нейтрального слоя до большего основания сечения ремня.
Е – приведенный модуль упругости ремня. Для прорезиненных ремней Е = 200…300 МПа, для капроновых
ремней Е = 600 МПа, для клиновых кордтканевых ремней Е = 500…600 МПа.
Напряжения изгиба и являются переменными, они вызывают усталостное разрушение ремня, не влияя на
тяговую способность. Для уменьшения изгибных напряжений ограничивают минимальные значения диаметра
малого шкива.
d1
25...45
h
Максимальное напряжение действует в точке набегания ремня на шкив меньшего диаметра.
1 max 1 и ц
Детали машин и основы конструирования
16

17. Механика ременной передачи Быстроходность передачи

ДМиОК
Если окружные напряжения будут равны центробежным напряжениям 0 = ц, то давления на
всей дуге обхвата будут равны нулю и передача не сможет передавать нагрузку.
vкр
0
Для капроновых ремней 0 = 50 МПа и v = 150 м/с.
Обычно скорость ремней 20…25 м/с, а наибольшая допустимая скорость – 30…35 м/с.
Детали машин и основы конструирования
17

18. Критерии работоспособности ременных передач

ДМиОК
Опыт эксплуатации показывает, что работоспособность ременных передач ограничивается, в
основном, тяговой способностью и долговечностью.
Виды повреждений
ременных передач
Снижение
тяговой
способности
приводит
к
буксованию
из-за
недостаточного сцепления ремня со
шкивом.
При
буксовании
ремень
нагревается и может соскочить со шкива
или обгореть.
Низкая
долговечность
ремня
недопустима из-за возможности потери
работоспособности ременной передачи
вследствие усталостного разрушения
ремня.
Усталостное
разрушение
Буксование
Полезное напряжение
[ t]
Тяговая
способность
Долговечность
Критерии
работоспособности
Детали машин и основы конструирования
18

19. Тяговая способность ременных передач

ДМиОК
Тяговая способность ременной передачи характеризуется окружной силой Ft (или вращающим
моментом T1 на ведущем шкиве). Так как:
Ft
F0
2
e f 1
f
,
e 1
где
e f 1
T1 f
F0 d1 F0 d1
e 1
e f 1
f
e 1
– коэффициент тяги (уровень нагрузки передачи)
Наиболее просто повысить тяговую способность ременной передачи даже в несколько раз путем
пропорционального увеличения усилия начального натяжения ремня.
Поэтому для увеличения нагрузочной способности используют более прочные ремни (капрон, нейлон,
…). Однако в этом случае возрастают нагрузки на опоры. Менее эффективным оказывается
использование материалов, обеспечивающих высокий коэффициент трения, так как это приводит к
росту потерь на трение и нагреву ремня.
Для получения высокой тяговой способности передач с плоским ремнем рекомендуется обеспечивать угол обхвата
150 , для клиноременных – 80 .
Способы повышения тяговой способности:
• увеличение усилия начального натяжения;
• увеличение угла обхвата;
• увеличение коэффициента трения;
• увеличение диаметра ведущего шкива.
Детали машин и основы конструирования
19

20. КПД ременных передач

ДМиОК
КПД ременных передач
Работа ременных передач сопряжена с потерями механической энергии на: упругие деформации ремня
(растяжение – сжатие, изгиб, сдвиг), скольжение ремня, аэродинамическое сопротивление, трение ремня,
трение в подшипниках. В клиноременной передаче добавляются потери на трение при входе ремня в канавку
шкива и выход из нее.
КПД ременной передачи зависит от коэффициента тяги и соответствующего ему относительного скольжения
ремня . Наибольший КПД соответствует некоторому значению 0 на линейном участке кривой скольжения.
При увеличении > 0 происходит снижение КПД из-за нарастания потерь энергии на трение.
Буксование: С увеличением передаваемого момента возрастает тяговое усилие Ft.
Следовательно, натяжение ведущей ветви ремня F1 =F0 + Ft / 2 повышается, а ведомой ветви F2 =F0 - Ft / 2
снижается. В результате разность F1 -F2 = Ft возрастает. Угол, соответствующей участку упругого
скольжения, может достичь значения угла обхвата ремнём малого шкива . В этом случае происходит
скольжение ремня при полной остановке ведомого шкива. Это явление названо буксованием.
Эффективным считают нагружение
передачи,
соответствующее
наибольшему КПД и некоторому
запасу по сцеплению ( 0 = 0.4…0.5 –
для плоскоременных передач и 0 =
0.6…0.7 – для клиноременных
передач). При этом КПД =
0.97…0.98 – для плоскоременных
передач и = 0.92…0.97 – для
плоскоременных передач.
Детали машин и основы конструирования
20

21. Расчет ременных передач на тяговую способность

способность
ДМиОК
Расчет основан на показателях тяговой
работоспособности ременной передачи:
t
способности
и
долговечности.
Условие
Ft
t
A
где: t – полезное напряжение; [ t] – допускаемое полезное напряжение.
Расчет передач с клиновыми ремнями сводится к определению требуемого числа ремней z:
Ft C z
z
A1 t
Сz – коэффициент, учитывающий неравномерное распределение окружной силы между ремнями
в комплекте (табличное значение); А1 – площадь поперечного сечения одного ремня.
На практике часто расчет выполняют по передаваемой мощности P = Ftv и требуемое число
ремней определяется как:
[P] – мощность, допускаемая на один
PC z
z
ремень передачи.
P
Расчет передач с плоскими ремнями сводится к определению требуемой ширины ремня b:
b
Ft C P
h t
СP – коэффициент динамичности,
учитывающий
режимконструирования
работы передачи (табличное значение). 21
Детали
машин и основы

22. Допускаемое полезное напряжение и допускаемая мощность

ДМиОК
Допускаемое полезное напряжение ременной передачи устанавливают из условия прочностной
надежности ремня:
1 max E
1max – максимальное напряжение в ремне; Е – максимальное эффективное переменное
напряжение, которое ремень может выдержать в течение NE циклов нагружения (ресурса работы)
(определяется исходя из анализа кривой усталости).
N E 3600 Lh zш
Lh– срок службы (в часах); = v/l – число пробегов в секунду ремня длиной l; zш – число
шкивов.
Определяем допускаемое полезное напряжение для «стандартной» передачи t0:
5.55
b01.57
t 0 0.09 6
10 3 v 2
de
de = kud1 – эквивалентный диаметр, учитывающий различную степень изгиба ремня на малом и
большом шкивах в передачах с передаточным отношением u 1. Коэффициент приведения ku
определяется из эмпирического соотношения (табличное значение) в зависимости от
передаточного соотношения.
Детали машин и основы конструирования
22

23. Допускаемое полезное напряжение и допускаемая мощность

ДМиОК
Допускаемое полезное напряжение проектируемой передачи:
t t 0C P C
СP – коэффициент динамичности (табличное значение), С – коэффициент, учитывающий
влияние угла обхвата на тяговую способность (табличное значение).
Мощность Р0, допускаемую на один ремень «стандартной» передачи:
P0 t 0 A1v
Мощность [Р] (в кВт), допускаемую на один ремень проектируемой передачи:
P P0C C l T1n1 C P
9554
Сl – коэффициент длины ремня (табличное значение), учитывает что при l > l0 уменьшается
частота циклов и увеличивается ресурс работы ремня; T1 – поправка к моменту на ведущем валу,
учитывающая дополнительную нагрузку, которую может передать ремень за счет снижения
напряжения изгиба на ведомом (большем) шкиве (табличное значение).
Значения допускаемых напряжений [ t] и соответствующих им допускаемых мощностей [Р]
приводятся в справочниках по деталям машин (см., например Анурьев В.Н. Справочник
конструктора-машиностроителя).
Детали машин и основы конструирования
23

24. Усилие начального натяжения

ДМиОК
Фактический коэффициент тяги:
0С С P
Определяем величину
e
f
0 = 0.67 – коэффициент тяги «стандартной» передачи.
1
1
Определяем силы в ветвях передачи:
e f
F1 f
Ft
e 1
F2 F1 Ft
F0 0.5 F1 F2
Усилие начального натяжения:
Fнач 2F0 cos
Детали машин и основы конструирования
24

25. Геометрические параметры ременной передачи

ДМиОК
Геометрические параметры ременной передачи
Основные геометрические параметры: диаметры шкивов d1 и d2, межосевое расстояние a, длина
ремня l, и угол обхвата на меньшем шкиве 1.
Для ограничений изгибных напряжений минимальное значение диаметра меньшего шкива
регламентировано стандартом для каждого сечения клинового ремня. Диаметр меньшего шкива
равен:
d1 1.2dmin
Для передач с плоским ремнем:
d1 50...70 h
Минимальное межосевое расстояние ременной передачи принимают, исходя из
опыта проектирования и эксплуатации, а максимальное ограничивают во
избежание увеличения габаритов передачи и стоимости ремней:
amin 0.55 d1 d 2 h
Угол обхвата меньшего шкива:
amax 1.5...2 d1 d 2
180 57
d 2 d1
a
Требуемая длина ремня при требуемом межосевом расстоянии и угле обхвата:
d d 2 d 2 d1
L 2a 1
2
4a
2
Детали машин и основы конструирования
25

26. Ремни и шкивы

ДМиОК
Ремни и шкивы
Ремни должны обладать высокой прочностью при действии переменных нагрузок, иметь
высокий коэффициент трения при движении по шкиву и высокую износостойкость.
Плоские ремни – применяют в машинах, к которым предъявляют жесткие требования по
вибрации. Получают путем склеивания концов ткани или кожи (тканые, кордшнуровые
прорезиненные, синтетические).
Круглые ремни – применяют в машинах малой мощности (швейные машины, бытовая техника).
Клиновые ремни – имеют основное применение. Обеспечивают большую тяговую способность и
долговечность по сравнению с обычными плоскими ремнями. Выпускаются двух конструкций:
кордтканевые и кордшнуровые. При малых диаметрах шкивов используются ремни с гофрами.
Поликлиновые ремни – более компактны и быстроходны. По конструкции схожи с клиновыми.
Детали машин и основы конструирования
26

27. Ремни и шкивы

ДМиОК
Шкивы изготовляют из чугуна, легких сплавов и пластмасс при работе с небольшими скоростями и из сталей – при работе с
окружными скоростями свыше 30 м/с. Форма обода зависит от профиля ремня.
Детали машин и основы конструирования
27

28. Способы натяжения ремней

ДМиОК
Проектирования и его структура
Способы натяжения ремней
Детали машин и основы конструирования
28

29. Способы натяжения ремней

ДМиОК
Проектирования и его структура
Способы натяжения ремней
Детали машин и основы конструирования
29

30. Основные размеры клиновых и поликлиновых ремней

ДМиОК
Основные размеры клиновых
и поликлиновых ремней
30
30

31. Коэффициент динамичности

ДМиОК
Коэффициент динамичности
31
31

32. Мощности Р0, передаваемые одним ремнем стандартной передачи

ДМиОК
Мощности Р0, передаваемые одним
ремнем стандартной передачи
32
32

33. Мощности Р0, передаваемые одним ремнем «стандартной» передачи

ДМиОК
Мощности Р0, передаваемые одним
ремнем «стандартной» передачи
33
33

34. Значения поправки Т1

ДМиОК
Значения поправки Т1
34
34