Карамышев Е. В. Прикладная механика (тексты лекции)

21

5.2. Ремённые передачи

Ремённая передача состоит из ведущего и ведомого шкивов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и соединённых ремнём (ремнями), надетым на шкивы с натяжением. Вращение ведущего шкива преобразуется во вращение ведомого благодаря трению, развиваемому между ремнём и шкивами.

Рис.13.

По форме поперечного сечения различают плоские, клиновые, поликлиновые и круглые приводные ремни. Плоские ремни в поперечном сечении имеют форму прямоугольника. Клиновые ремни в сечении представляют собой трапецию. Поликлиновые ремни – плоские ремни с продольными клиновыми выступами-рёбрами на рабочей поверхности, входящими в клиновые канавки шкивов.

Самая распространённая передача – открытая, осуществляющая передачу между параллельными валами, вращающимися в одну сторону. Это самая простая, надёжная и удобная передача. При вращении шкивов в противоположных направлениях применяют перекрёстную плоскоремёную передачу.

Для создания трения между шкивом и ремнём создают натяжение ремней путём предварительного упругого деформирования, перемещения одного из шкивов передачи и с помощью натяжного ролика.

К достоинствам ремённых передач относятся: возможность осуществления передачи между валами, расположенными на относительно большом расстоянии; плавность и безударность работы передачи; простота устройства, небольшая стоимость и лёгкость ухода за передачей. Недостатки: громоздкость, непостоянство передаточного отношения передачи из-за проскальзывания ремня; повышенные силы давления на валы и подшипники, так как суммарное натяжение ветвей ремня значительно больше окружной силы передачи.

Различают прорезиненные тканевые, кожаные, хлопчатобумажные цельнотканые и шерстяные ремни. Прорезиненные ремни – самые распространённые.

22

Ремни в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ним, рассчитывают по тяговой способности и на долговечность. Основным расчётом ремней считается расчёт по тяговой способности. Расчёт ремней на долговечность производится обычно как проверочный.

5.3. Зубчатые передачи

Простейшая зубчатая передача состоит из двух колёс с зубьями, посредством которых они сцепляются между собой. Вращение ведущего зубчатого колеса преобразуется во вращение ведомого колеса путём нажатия зубьев первого на зубья второго. Меньшее зубчатое колесо передачи называется шестерней, большее – колесом.

Зубчатые передачи могут преобразовывать вращательное движение между валами с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися геометрическими осями. По форме различают ци-

линдрические, конические, эллиптические, фигурные зубчатые колёса. По форме и расположению на зубчатом колесе различают пря-

мые, косые, шевронные, круговые и другие криволинейные зубья. В зависимости от взаимного расположения валов передачи формы зубчатых колёс и формы зубьев передачи бывают: цилиндрические – прямозубые, косозубые и шевронные; коническиепрямозубые, косозубые и с круговыми зубьями; винтовые, состоящие из двух цилиндрических косозубых колёс, установленных на перекрещивающихся валах; гипоидные, или конические винтовые, состоящие из двух колёс, которые установлены на перекрещивающихся валах.

Основными материалами зубчатых колёс служат термически обрабатываемые стали, так как они в наибольшей степени обеспечивают контактную прочность и прочность зубьев на изгиб. Реже зубчатые колёса выполняют из чугунов и пластмасс.

5.4. Червячные передачи

Червячная передача состоит из винта, называемого червяком, и червячного колеса, представляющего собой разновидность косозубого колеса. Червячные передачи относятся к зубчато-винтовым. Если в зубчато-винтовой передаче углы наклона зубьев принять такими, чтобы зубья шестерни охватывали её вокруг, то эти зубья превращаются в витки резьбы, шестерня - в червяк, а передача – из винтовой зубчатой в червячную. Преимущество червячной передачи по сравнению с винтовой зубчатой в том, что начальный контакт звеньев происходит по линии, а не в точке. Угол скрещивания валов червяка и червячного колеса может быть каким угодно, но обычно он равен 90о. Резьба червяка может быть однозаходной или многоза-

23

ходной, а также правой или левой. Наиболее распространена правая резьба с числом заходов 1…4.

Различают два основных вида червячных передач: цилиндрические, или просто червячные передачи (с цилиндрическими червяками) и глобоидные (с глобоидными червяками).

В зависимости от формы профиля резьбы цилиндрических червяков различают червяки: архимедовы, конволютные (с трапецеидальным профилем), эвольвентные и с вогнутым профилем витков. В машиностроении наиболее распространены архимедовы червяки, так как технология производства их проста и хорошо разработана. Ведущее звено червячной передачи в большинстве случаев – червяк, а ведомое – червячное колесо.

К недостаткам червячных передач можно отнести низкий КПД, а также склонность витков резьбы червяка и зубьев колеса к заеданию и необходимость применения для венцов червячных колёс дорогих антифрикционных материалов.

Червяки изготовляют из углеродистых или легированных ста-

лей.

5.5. Цепные передачи

Цепная передача состоит из расположенных на некотором расстоянии друг от друга двух колёс, называемых звёздочками, и охватывающей их цепи (рис.14.)

Рис.14.

Вращение ведущей звёздочки преобразуется во вращение ведомой благодаря сцеплению цепи с зубьями звёздочек. Иногда применяют цепные передачи с несколькими ведомыми звёздочками. В связи с вытягиванием цепей по мере их износа натяжное устройство цепных передач должно регулировать натяжение цепи. Это регулирование, по аналогии с ремёнными передачами, осуществляют либо

24

перемещением вала одной из звездочек, либо с помощью регулирующих звёздочек или роликов.

Достоинства цепных передач по сравнению с ремёнными – отсутствие проскальзывания, компактность (они занимают значительно меньше места по ширине), меньшие нагрузки на валы и подшипники (нет необходимости в большом начальном натяжении цепи). КПД цепной передачи довольно высокий, достигающий значения 0.98. Недостатки цепных передач: удлинение цепи вследствие износа её шарниров и растяжения пластин, в результате чего она имеет неспокойный ход; наличие в элементах цепи переменных ускорений, вызывающих динамические нагрузки тем большие, чем выше скорость движения цепи и чем меньше зубьев на меньшей звёздочке; шум при работе; необходимость внимательного ухода при её эксплуатации.

Цепные передачи применяют при больших межосевых расстояниях, когда зубчатые передачи невозможно использовать из-за громоздкости.

Приводные цепи по конструкции различают: втулочные, роли-

ковые, зубчатые и фасоннозвенные.

Основные геометрические характеристики цепи – шаг, т.е. расстояние между осями двух ближайших шарниров цепи, и ширина, а основная силовая характеристика – разрушающая нагрузка цепи, устанавливаемая опытным путём.

6. ОСИ И ВАЛЫ

Оси служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Вращение оси вместе с установленными на ней деталями осуществляется относительно её опор, называемых подшипниками. Оси воспринимают нагрузку от расположенных на них деталей и работают на изгиб.

Валы в отличие от осей предназначены для передачи вращающих моментов и в большинстве случаев для поддержания вращающихся вместе с ними относительно подшипников различных деталей машин. Валы, несущие на себе детали, через которые передаётся вращающий момент, воспринимают от этих деталей нагрузки и, следовательно, работают одновременно на изгиб и кручение. При действии на установленные на валах детали (конические зубчатые колёса, червячные колёса и т. д.) осевых нагрузок валы дополнительно работают на растяжение или сжатие. По назначению различают валы передач, на которых устанавливают зубчатые колёса, звёздочки, муфты и прочие детали передач, и коренные валы, на которых уста-

25

навливают не только детали передач, но и другие детали, например маховики, кривошипы и т.д.

Оси представляют собой прямые стержни, а валы различают прямые, коленчатые и гибкие. Широко распространены прямые валы. Коленчатые валы в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот и применяются в поршневых машинах (двигатели, насосы). Гибкие валы, представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими своё относительное положение в работе. Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям. Оси и валы в большинстве случаев бывают круглого сплошного, а иногда кольцевого поперечного сечения.

Участки осей и валов, которыми они опираются на подшипники, называют при восприятии радиальных нагрузок цапфами, при восприятии осевых нагрузок – пятами.

Основные критерии работоспособности осей и валов – прочность и жёсткость. Прочность осей и валов определяют размером и характером напряжений, возникающих под влиянием сил, действующих со стороны установленных на них деталей машин.

Неподвижные оси, в которых возникают постоянные напряжения, рассчитывают на статическую прочность. Из-за опасности усталостного разрушения оси и валы быстроходных машин рассчитывают на сопротивление усталости. Тихоходные оси и валы, работающие с перегрузками, рассчитывают не только на сопротивление усталости, но и на статическую прочность. При проектировании осей и валов для предварительного определения размеров и принятия соответствующей конструкции их рассчитывают на статическую прочность, а затем окончательно на сопротивление усталости. В отдельных случаях оси и валы рассчитывают не только на прочность, но и на жёсткость.

Причиной выхода из строя отдельных быстроходных валов могут быть колебания.

При расчёте на изгиб вращающиеся оси и валы рассматривают как балки на шарнирных опорах. Наиболее распространены двухопорные оси и валы.

7.ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ И КАЧЕНИЯ

Взависимости от рода трения в подшипнике различают подшипники скольжения, в которых опорная поверхность оси или вала скользит по рабочей поверхности подшипника, и подшипники качения, в которых развивается трение качения благодаря установке ша-

26

риков или роликов между опорными поверхностями оси или вала и подшипника. Подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения обладают рядом достоинств.

Взависимости от направления воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения различают: радиальные для восприятия радиальных нагрузок; упорные, или подпятники, для восприятия нагрузок, расположенных вдоль осевых линий осей и валов; радиально

–упорные для восприятия одновременно радиальных и осевых нагрузок.

Основные требования к подшипникам скольжения: конструкции и материалы подшипников должны обеспечивать минимальные потери на трение и износ валов, иметь достаточную прочность и жёсткость.

Корпуса подшипников обычно выполняют из чугуна СЧ12-48, СЧ15-32 и СЧ18-36. Вкладыши подшипников скольжения изготовляют из бронз, чугунов, пластмасс и других материалов. Широко применяют чугунные или бронзовые вкладыши с баббитовой заливкой. Такие вкладыши хорошо прирабатываются, стойки против заедания. Эти вкладыши особенно хорошо зарекомендовали себя при больших скоростях и постоянном вращении осей и валов в одну сторону. При работе с ударами и реверсивном вращении оси или вала рекомендуют бронзовые вкладыши. При длительных перерывах в работе и малой окружной скорости оси или вала применяют вкладыши из антифрикционных чугунов, которые значительно дешевле бронзовых, или вкладыши с баббитовой заливкой.

Внекоторых подшипниках скольжения применяют металлокерамические вкладыши из порошков железа или бронзы с добавлением графита и других примесей путём прессования под высоким давлением и последующего спекания при высокой температуре. Достоинство металлокерамических вкладышей – высокая пористость их материалов, благодаря чему они пропитываются маслом и могут в течение продолжительного времени работать без смазки. Пластмассовые вкладыши подшипников скольжения изготовляют из древеснослоистых пластиков, текстолита, текстоволокнита. Основные достоинства пластмассовых вкладышей - отсутствие заедания вала, хорошая прирабатываемость, возможность смазки водой или другой жидкостью. Наиболее распространены вкладыши из текстолита и древеснослоистых пластиков (ДСП), которые широко применяют в прокатных станах, шаровых мельницах, гидравлических и других машинах с тяжёлым режимом работы. Вкладыши из текстолита и ДСП изготовляют наборными из отдельных элементов, которые устанавливают в металлических кассетах. Текстоволокнитовые, а иногда и текстолитовые вкладыши, изготовляют цельнопрессован-

27

ными. Нейлоновые, капроновые и тефлоновые вкладыши выполняют на металлической основе, на которую наносят тонкий слой нейлона, капрона или тефлона. Эти вкладыши в паре со стальной цапфой имеют очень низкий коэффициент трения и могут работать без смазки.

В некоторых подшипниках применяют вкладыши из дерева (бакаута, самшита и других твёрдых пород), резины и некоторых других материалов.

Резиновые вкладыши применяют главным образом в подшипниках, работающих в воде, например в подшипниках роторов гидротурбин. Достоинства резиновых вкладышей – высокая податливость, компенсирующая неточность изготовления; пониженная чувствительность к попаданию на рабочую поверхность вкладыша твёрдых частиц; возможность смазки водой. В резиновых вкладышах слой резины помещают внутри стальной втулки и снабжают продольными канавками для усиления охлаждения подшипника и удаления из него абразивных частиц.

8. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Для выполнения своих функций детали машин соответствующим образом соединяют между собой, образуя подвижное или не-

подвижное соединение.

Различают разъёмные соединения, допускающие удобную разборку деталей машин без разрушения соединяющих или соединяемых элементов, и неразъёмные, которые можно разобрать только после их полного или частичного разрушения. К разъёмным соединениям относят резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, зубчатые (шлицевые) и профильные (бесшпоночные). К неразъёмным соединениям относят заклёпочные, сварные, паяные, клеевые и соединения с натягом.

Заклёпка представляет собой стержень круглого поперечного сечения с головками по концам, одна из которых, называемая закладной, изготовляется одновременно со стержнем, а другая, называемая замыкающей, выполняется в процессе клёпки.

Расчёт заклёпки на прочность производят по диаметру стержня поставленной заклёпки (т.е. по диаметру отверстия).

Во избежании хим. коррозии в соединениях заклёпки ставят из того же материала, что и соединяемые детали. По роду материала различают стальные, алюминиевые, латунные, медные и др. заклёпки. Материал заклёпок должен быть достаточно пластичным для обеспечения формирования головок.

28

Расчёт заклёпочного шва заключается в определении диаметра и числа заклёпок, шага заклёпочного шва, расстояния заклёпок до края соединяемой детали и расстояния между рядами заклёпок.

8.1. Сварные соединения

Сварка – это технологический процесс соединения металлических деталей, основанный на использовании сил молекулярного сцепления и происходящий при сильном местном нагреве их до расплавленного (сварка плавлением) или пластического состояния с применением механического усилия (сварка давлением).

В машиностроении применяют ручную дуговую сварку плавящимся электродом, автоматическую дуговую сварку плавящимся электродом под флюсом, электрошлаковую сварку и контактную сварку – стыковую, шовную и точечную.

Основное требование при проектировании сварных конструкций – обеспечение равнопрочности шва и соединяемых им деталей.

При расчёте на прочность стыковых швов утолщение (наплыв металла) не учитывают. В зависимости от работы стыкового шва его соответственно рассчитывают на растяжение:

σ,р = δFl ≤ [σ,р ] ;

и на сжатие:

σ,с = δFl ≤ [σ,с ],

где σ,р и σ,с - соответственно расчётное напряжение в шве при рас-

тяжении и сжатии F – сила, растягивающая или сжимающая соединяемые элементы; δ - толщина более тонкой свариваемой детали; l - длина шва; [σ,р ] и [σ,с ] - соответственно допускаемое напряжение

для шва при растяжении и сжатии.

8.2. Резьбовые соединения

Это соединения, осуществляемые крепёжными деталями посредством резьбы. Основными крепёжными деталями являются: болты, винты, шпильки, гайки, шайбы и гаечные замки.

По форме профиля резьбы делятся на треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, круглые. По форме поверхности, на которую наносится резьба, - цилиндрические, конические. По направлению винтовой линии – правая и левая резьба. По числу заходов – однозаходная и многозаходная.

29

Основными параметрами резьбы является: d – наружный диаметр; d1 – внутренний диаметр; d2 – средний диаметр; α - угол профиля; р – шаг резьбы; р1 – ход винта (для многозаходных резьб); γ - угол подъёма винтовой линии.

Расчёт резьбовых соединений зависит от типа соединения: незатянутое болтовое соединение (например, крепление грузового крюка) рассчитывают на растяжение; затянутые – по эквивалентным напряжениям

σэкв =	1,3V	≤ [σp ] ;
	πd2
	1
	4

где V – сила затяжки; d1 – внутренний диаметр резьбы; [σр ] - допус-

каемые напряжения на растяжения.

Резьбовые соединения, работающие на сдвиг, рассчитывают по эквивалентным напряжениям (когда болт установлен с зазором) и на смятие и срез (когда болт установлен без зазора). При расчёте напряжённых резьбовых соединений следует учитывать, какая часть от действующей нагрузки приходится на болт.

9. ПРУЖИНЫ

Пружины широко распространены в современных машинах. Они предназначены для создания силы натяжения (муфты, тормоза

ит.п.); виброизоляции и амортизации ударов (амортизаторы, рессоры и т.п.); измерения сил (приборы, динамометры, и т.п.) и др.

По конструкции пружины различают: витые цилиндрические

ифасонные, тарельчатые, листовые, плоские, спиральные и др. По характеристике – постоянной и переменной жёсткости.

Наибольшее распространение имеют витые цилиндрические пружины растяжения и сжатия. Наиболее распространённым материалом для пружин является высокоуглеродистая и легированная сталь, а из цветных металлов – бронза.

Прочность пружин сжатия и растяжения по касательным напряжениям оценивается по зависимости

	τ =	8FDK	≤ [τk ] ,
		πd

где F - максимальная растягивающая или сжимающая сила; D – средний диаметр пружины;

К – коэффициент кривизны витков;

30

d – диаметр проволоки;

[τk ] - допускаемые напряжения, смотрятся по таблицам в зависимости от характера нагрузки и ответственности пружины.

10. МУФТЫ ПРИВОДОВ

Муфты приводов служат для соединения валов и осей и передачи крутящих моментов. В зависимости от условий работы используют различные муфты.

Классификация муфт:

1 – глухие муфты – для соединения строго центрированных валов;

2 – компенсирующие – для соединения валов, обладающих некоторой относительной подвижностью (бывают жёсткие и упругие, могут компенсировать осевые, радиальные и угловые смещения валов);

3 – управляемые (сцепные) – для включения и выключения машин и механизмов;

4 – автоматические (самоуправляемые) - для разъединения валов, когда параметры машины становятся недопустимыми, к ним относятся предохранительные муфты (со срезным штифтом, кулачковые, шариковые, фрикционные), центробежные муфты и муфты обгона.

5 – комбинированные – сочетающие две или более муфты. Большинство муфт стандартизированы. Размеры муфт прини-

мают по таблицам ГОСТа в зависимости от расчётного крутящего момента

Тр = кТн ,

где к – коэффициент запаса; Тн – номинальный крутящий момент.

11. КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ

Служат для установки деталей привода и других механизмов, обеспечения заданного их взаимного расположения с целью созда-

ния постоянства условий относительного движения и передачи усилий, предусмотренных назначением машины. Они в основном определяют компоновку машины и её внешние очертания. Для монтажа деталей передач служат корпуса редукторов; рамы автомобилей; станины станков; плиты, колоны. К корпусным относятся отдельные детали, выполняющие вспомогательную роль – кронштейны, крышки, кожухи и т.п.