2.1.2. Трансмиссии строительных машин
Трансмиссии – это устройства, обеспечивающие передачу движения от силовой установки к исполнительным механизмам и рабочим органам машины. Они позволяют изменять по величине и направлению скорости, крутящие моменты и усилия. Трансмиссии также содержат элементы, предохраняющие двигатель и отдельные узлы от перегрузок. По способу передачи энергии трансмиссии подразделяют на механические, электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные. Наиболее распространены механические, гидравлические и комбинированные трансмиссии.
Одним из основных показателей эффективности работы трансмиссии является их КПД
η = Nи.м./Nс.у.,
где Nи.м.,Nс.у. – мощность исполнительного механизма и силовой установки.
Передаточное отношение
i = ωс.у./ωи..м.,
где ωс.у.,ωи..м. – угловые скорости вращения силовой установки и исполнительного механизма рабочего органа.
К важным показателям трансмиссии относится степень их прозрачности, под которой понимается способность трансмиссии передавать колебания внешней нагрузки силовой установке.
Механические трансмиссии включают в себя механические передачи, муфты, тормоза и другие элементы, обеспечивающие передачу движения. Механические передачи по принципу работы делятся на передачи трением с непосредственным контактом тел качения (фрикционные) и с гибкой связью (ременные); передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые и червячные) и с гибкой связью (цепные) (см. рис. 2…11).
К положительным свойствам механических трансмиссий в целом можно отнести сравнительную простоту конструкций, небольшую массу и стоимость, малую чувствительность к внешним температурам, возможность обеспечения достаточной надежности в работе для большинства элементов. Их недостаткам являются значительные потери энергии в фрикционных муфтах и тормозах, достаточно быстрый износ, ступенчатое изменение скоростей и усилий, сложность компоновки передач при большом числе скоростей и трудности автоматизации управления рабочим процессом.
Устранению многих из указанных недостатков способствовало совершенствование конструкций и широкое внедрение в строительных машинах гидромеханических трансмиссий, являющихся соединением механических и гидравлических трансмиссий.
В фрикционных передачах движение осуществляется с помощью сил трения, возникающих в месте контакта цилиндрических, конических и клиновых катков (рис. 2.), при их взаимном прижатии друг к другу с усилием Q. Величина силы трения между катками
F = Q · f,
где f – коэффициент трения.
Передаточное число фрикционной передачи без учета проскальзывания катков
u ≈ D1/D2,
где D1 и D2 – диаметры катков, вращающихся с частотой соответственно n1 и n2.
Фрикционные передачи просты по конструкции, обеспечивают плавность и бесшумность работы, безударное включение на ходу, бесступенчатое регулирование передаточного числа и реверсивность движения. Основные их недостатки – проскальзывание катков и ограниченный диапазон передаваемых мощностей (до 20 кВт).
Рис. 2. Фрикционные передачи
Ременные передачи состоят из ведущего и ведомого шкивов (рис. 3, а) диаметрами D1 и D2, расположенных на расстоянии a друг от друга и охватываемых между собой одним или несколькими бесконечными ремнями. Угол обхвата ремнем ведущего шкива – α. Усилие от ведущего шкива к ведомому передается за счет сил трения, возникающих между шкивами и ремнем вследствие натяжения последнего (F1 и F2 – натяжения в сбегающей и набегающей ветвях ремня). В соответствии с формой поперечного сечения ремня различают плоскоременные (рис. 3, б), клиноременные (рис. 3, в), поликлиновые (рис. 3, г) и круглоременные передачи (рис. 3, д). К ременным передачам условно относят передачи с зубчатыми ремнями (рис. 3, е), работающие по принципу зацепления. Плоский ремень таких передач имеет на внутренней поверхности зубья трапецеидальной формы, входящие в зацепление с впадинами на шкиве.
Наибольшее распространение в строительных машинах получили клиноременные передачи, обеспечивающие передачу больших мощностей при сравнительно малых межосевых расстояниях и больших передаточных числах.
Достоинства ременных передач – простота конструкции и эксплуатации, небольшая стоимость, плавность и бесшумность работы, предохранение механизмов от перегрузок за счет проскальзывания ремня. Основной недостаток – непостоянство передаточного числа.
Рис. 3. Ременные передачи
Зубчатые передачи в общем случае состоят из двух зубчатых колес, находящихся в зацеплении. Ведущее, обычно меньшее колесо, называется шестерней, а ведомое большое – колесом. По взаимному расположению колес зубчатые передачи подразделяются на передачи с внешним (рис. 4, а,в-з) и внутренним (рис. 4, б) зацеплением.
По расположению геометрических осей валов, на которых установлены зубчатые колеса, различают передачи: с параллельными осями – цилиндрические зубчатые колеса внешнего или внутреннего зацепления (рис. 4, а-г), с пересекающимися осями – конические зубчатые колеса (рис. 4, д, е), с перекрещивающимися осями – цилиндрические винтовые (рис. 4, з), конические гипоидные (рис. 4, ж) и червячные.
По расположению зубьев на колесах передачи бывают прямозубые (рис. 4, а, б, д), косозубые (рис. 4, в, е), с круговыми зубьями (рис. 4, ж) и шевронные (рис. 4, г).
В строительных машинах наиболее широко применяют цилиндрические зубчатые передачи. По сравнению с ременными, зубчатые передачи способны передавать бóльшие мощности. Они обеспечивают точность, постоянство и большие величины передаточного числа, имеют малые габариты, обладают более высоким КПД, долговечностью, надежностью и простотой эксплуатации.
В механических трансмиссиях строительных машин широко используют редукторы – механизмы, предназначенные для уменьшения частоты вращения выходного вала по сравнению с входным, и увеличения крутящего момента. Они состоят из одной или нескольких механических передач, помещенных в общем закрытом корпусе. Общее передаточное число редукторов
uобщ. = nб/nт,
где nб и nт – соответственно частоты вращения быстроходного Б (входного) и тихоходного Т (выходного) валов, с-1.
По числу передач, входящих в редуктор, различают одно-, двух- и многоступенчатые редукторы. Одноступенчатые цилиндрические редукторы (рис. 5, а) позволяют получить передаточные числа u ≤ 10, двухступенчатые (рис. 5, б-г) – u ≤ 60, трехступенчатые (рис. 5, д) – u > 60, одноступенчатые конические редукторы (рис. 5, е) – u ≤ 6,3, одноступенчатые червячные (рис. 5, ж) – u > 30. Для получения больших передаточных чисел и передачи движения между пересекающимися П, быстроходными Б и тихоходными Т валами применяют комбинированные редукторы, включающие различные виды передач: коническо-цилиндрические (рис. 5, з), червячно-зубчатые (рис. 5, u), планетарные и другие.
Широко используют в механических трансмиссиях зубчатые редукторы с переменным передаточным числом (коробки перемены передач), позволяющие ступенчато изменять скорость и крутящий момент выходного вала, а также направление его вращения.
Рис. 4. Зубчатые передачи
Рис. 5. Кинематические схемы редукторов
Цепные передачи (рис. 6, а) состоят из ведущей 1 и ведомой 3 звездочек и охватывающей их цепи 2. По конструкции приводные цепи делятся на роликовые, втулочные и зубчатые. Роликовая цепь состоит из внутренних пластин 8 (рис. 6, б), напрессованных на втулки 7, свободно вращающиеся на валиках 4, на которых напрессованы наружные пластины 6. Относительно валиков свободно поворачивается ролик 5, через который происходит зацепление цепи с зубом звездочки. Втулочная цепь не имеет роликов. Роликовые и втулочные цепи применяют при скоростях до 20 м/с. Зубчатая цепь (рис. 6, в) состоит из набора шарнирно соединенных между собой пластин двух видов с двумя зубообразными выступами 9, торцевые поверхности которых зацепляются с зубьями звездочки, и направляющих 10 без зубьев. Зубчатые цепи отличаются плавностью работы и применяются при скоростях более 20 м/с. Многорядные цепи (рис. 6, г) позволяют передавать большие нагрузки. Каждая цепь характеризуется шагом р (мм), шириной В (мм). Оптимальное межцентровое расстояние цепной передачи а = (30..50)р. Передаточное число цепных передач
и = z2/z1,
где z1, z2 – число зубьев ведущей и ведомой звездочек, имеющих частоту вращения соответственно n1 и n2, и мощность N1 и N2.
По сравнению с ременными, цепные передачи способны передавать значительно большие нагрузки, обеспечивать постоянное передаточное число, надежно работать при малых межосевых расстояниях, уменьшать нагрузки на валы и опоры. К их недостаткам относятся высокая стоимость, шум при работе, небольшая долговечность.
Вращающиеся детали машин устанавливаются на осях и валах, представляющих собой стержни различных сечений.
Рис. 6. Цепные передачи
Рис. 7. Оси и валы
Оси (рис. 7, а) предназначены для поддержания деталей и узлов, вращающихся вместе с ними, или относительно них (ось барабана, ходового колеса).
Валы служат для передачи крутящего момента и вращаются вместе с закрепленными на них деталями (зубчатые колеса, шкивы, маховики и т.п.). Различают валы прямые (рис. 7, б), коленчатые (рис. 7, в) и гибкие (рис. 7, г). Наиболее распространены прямые валы. Коленчатые валы служат в основном для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, или наоборот (двигатели и насосы). Гибкие валы применяют для передачи вращения между узлами машин, меняющими свое относительное положение в процессе работы (вал вибратора). Такие валы изготавливают из нескольких слоев стальной проволоки разного диаметра, плотно намотанных на сердечник. Для предохранения вала от повреждений и удержания на нем смазки его закрывают специальным кожухом.
Оси и валы выполняют в основном круглыми, сплошного или кольцевого поперечного сечения. Прямые валы и оси бывают постоянного диаметра по всей длине, или ступенчатыми, с различными диаметрами на отдельных участках. Ступенчатые валы и оси удобны для установки на них различных деталей, каждая из которых должна свободно перемещаться на своем месте. Для соединения с деталями на осях и валах нарезают шпоночные канавки, шлицы, резьбу, а иногда выполняют и профильные сечения.
Устройства, соединяющие валы и оси, называются муфтами. Они различаются между собой по конструкции, назначению, принципу действия и управления. Рассмотрим конструкции муфт для соединения валов. По назначению такие муфты служат для:
- соединения двух валов, расположенных на одной геометрической оси или под углом друг к другу;
- соединения вала с зубчатым колесом, шкивом ременной передачи и другими деталями;
- компенсации несоосности валов, что вызвано неточностью изготовления или монтажа;
- включения и выключения одного из валов при постоянном вращении другого;
- предохранения отдельных узлов машины от перегрузок;
- уменьшения динамических нагрузок;
- обеспечения возможности одному из валов перемещаться вдоль оси и т.д.
По принципу действия муфты делят на:
- механические (основные муфты в строительных машинах);
- электрические;
- гидравлические.
По виду управления механические муфты подразделяют на:
- неуправляемые (постоянно действующие);
- управляемые (сцепные);
- автоматические;
- специальные.
Наиболее распространенные неуправляемые муфты делят на жесткие, компенсирующие самоустанавливающиеся и упругие.
Жесткие муфты предназначены для жесткого соединения соосных валов и выполняются неразъемными (втулочными) и разъемными (фланцевые с плоскостью разъема, расположенной параллельно или перпендикулярно оси вала). Втулочная муфта состоит из втулки, закрепляемой на конце вала с помощью штифтов (рис. 8,а), шпонок (рис. 8,б) и шлиц. Она проста в изготовлении, но требует точного совмещения осей валов и осевого перемещения одного или обоих валов при сборке или разборке. Фланцевые муфты (рис. 8,в) состоят из двух полумуфт, соединенных болтами. В муфтах, где болты ставятся с зазором (вариантI), крутящий момент передается под воздействием момента трения, создаваемого затяжкой болтов, работающих на растяжение. Муфты, в которых болты ставятся без зазора и работают на срез (вариантII), способны передавать бóльшие моменты и применяются для соединения валов диаметром до 200 мм.
Рис. 8. Жесткие и компенсирующие муфты
Компенсирующие самоустанавливающиеся муфты применяют для соединения валов, имеющих некоторые неточности взаимного расположения геометрических осей, вызванные погрешностями изготовления, монтажа, а также упругими деформациями валов. К ним относятся зубчатые муфты (рис. 8,г), состоящие из двух полумуфт с наружными зубьями и наружной обоймы с внутренними зубьями. Полумуфты устанавливают на концах валов, а их зубья сцепляют с зубьями обоймы. Зубчатые муфты за счет смещения сопряженных зубьев компенсируют осевые, радиальные и угловые смещения валов. Эти же функции выполняют и цепные муфты (рис. 8,ж), состоящие из двух полумуфт в виде одинаковых цепных звездочек, которые одновременно охватывает однорядная, двухрядная роликовая или зубчатая цепь. Широкое применение имеют кулачково-дисковые крестовые муфты, состоящие из двух полумуфт с прямоугольными пазами и среднего (плавающего) диска с крестообразно расположенными выступами (рис. 8,д), а также муфты со скользящим вкладышем (рис. 8,е). К недостаткам крестовых муфт относятся ограниченная скорость вращения и быстрый износ пазов полумуфт. Для соединения валов, наклоненных друг к другу под углом 45о, служат шарнирные муфты. Они разделяются на одинарные, состоящие из двух полумуфт – вилок, соединенных с помощью двух взаимно перпендикулярных шарниров (рис. 8,з), и сдвоенные, позволяющие передавать вращение между параллельными и наклонными валами (рис. 8,и). При необходимости осевого смещения валов во время работы их соединяют шарнирной сдвоенной муфтой с телескопическим промежуточным валом.
Упругие муфты предназначены для уменьшения динамических нагрузок, передаваемых через соединяемые ими валы, а также для компенсации неточности расположения соединяемых валов. Различают муфты с неметаллическими (резина) и металлическими (стальные витые и пластинчатые пружины, пакеты пластин и пружин) упругими элементами. К первым относятся втулочно-пальцевая муфта (подобна по конструкции жесткой фланцевой муфте с установкой на болтах одной из полумуфт резиновых втулок) (рис. 9,а), муфта с резиновой звездочкой (рис. 9,б), муфта с упругой торообразной оболочкой (рис. 2.9,в) и ряд других. Муфты с металлическими упругими элементами применяют для передачи больших крутящих моментов. Они имеют незначительные габариты, долговечны, но сложны и дороги в изготовлении.
Рис. 9. Упругие муфты
Управляемые или сцепные муфты служат для соединения и разъединения валов в процессе работы машины с помощью механического, электрического, пневматического или гидравлического механизма управления. Различают муфты, в которых для передачи движения используется зацепление (кулачковые и зубчатые) и трение (фрикционные). Кулачковые и зубчатые муфты применяют для сцепления валов с практически равными угловыми скоростями. Кулачковая муфта (рис. 10, а), состоит из двух полумуфт – неподвижной, жестко закрепляемой на одном валу, и подвижной, имеющей возможность перемещаться по направляющим шпонкам или шлицам вдоль оси другого вала при включении или выключении. На торцовых поверхностях полумуфт расположены кулачки треугольного, трапецеидального или прямоугольного профиля, входящие в зацепление в рабочем положении. При несимметричном профиле кулачков муфта является нереверсивной. Зубчатая сцепная муфта подобна по конструкции зубчатой компенсирующей муфте, но у нее наружная обойма выполняется подвижной.
Фрикционные муфты служат для осуществления плавного соединения и разъединения нагруженных валов, которые могут вращаться с различными угловыми скоростями. В зависимости от формы рабочих поверхностей эти муфты разделяют на дисковые (одно- и многодисковые) (рис. 10, б), конусные (с одинарным или двойным конусом (рис. 10, в) и цилиндрические (колодочные, ленточные, пневмокамерные) (рис. 10, г). Соединение валов обеспечивается силой трения между рабочими поверхностями неподвижных 1 и подвижных 2 полумуфт. При перегрузках между полумуфтами возможна пробуксовка, что позволяет использовать их как предохранительное устройство. Сцепляющиеся поверхности муфт изготавливают из закаленной стали, чугуна, текстолита и металлокерамики. К фрикционным такжеотносят электромагнитные дисковые и порошковые муфты с пневматическим и гидравлическим управлением.