Глава 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВИЖЕНИЯ

Передача движения от исполнительного электродвигателя к выходному звену электромеханического модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения рабочего органа и способа их расположения. Преобразователи движения оказывают существенное влияние на качество работы электромеханической системы в целом.

При проектировании электромеханических модулей тип преобразователя движения выбирают исходя из сложности его конструкции, к.п.д., люфта в передаче, габаритных размеров, массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, стоимости и др.

Назначение и классификация преобразователей движения

Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и рабочего органа. Для преобразования движения используют зубчатые, червячные, цепные, ременные и фрикционные передачи, а также передачи винт-гайка (рис. 4.1). В связи с тем, что угловая скорость вращения электродвигателей, как правило, на много выше скоростей рабочих органов электромеханических модулей, то в преобразователях движения применяются понижающие передачи.

Рис. 4.1. Классификация механических передач

преобразователей движения

Зубчатые передачи

Наиболее распространенными преобразователями движения являются зубчатые передачи – механизмы, передающие или преобразующие движение с помощью зацепления с изменением угловых скоростей и моментов. Такие передачи применяют для преобразования вращательного движения между валами с параллельными (рис. 4.2, а-г), пересекающимися (рис. 4.2, е-з) осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (рис. 4.2, д).

Рис. 4.2. Основные виды зубчатых передач:

а – цилиндрическая с прямыми зубьями; б – цилиндрическая с косыми зубьями; в – цилиндрическая с шевронными зубьями; г – цилиндрическая внутреннего зацепления с прямыми зубьями; д - реечная передача; е – коническая с прямыми зубьями; ж – коническая с тангенциальными зубьями; з – коническая с круговыми зубьями

Кинематическая схема цилиндрической и конической передач приведены на рис. 4.3. Передаточное соотношение может быть найдено из соотношения числа зубьев входной z₁ и выходной z₂ шестерен

. (4.1)

Основными характеристиками механических передач являются мощности на валах и в Вт, угловые скорости и в с^-1, (или частота вращения и в мин^-1), моменты сил и в , передаточное соотношение и к.п.д. . Выражения, описывающие взаимосвязи основных характеристик зубчатых передач имеют вид

или и , (4.2)

, (4.3)

или , (4.4)

и , (4.5)

или при выделении момента потерь в передаче в виде

. (4.6)

Также следует отметить, что приведение моментов инерции элемента электромеханического модуля, вращающегося со скоростью или поступательно движущегося со скоростью , к скорости может быть выполнено на основании закона сохранения кинетической энергии

или (4.7)

в соответствии с выражением

или , (4.8)

где – масса поступательно движущегося тела; – радиус приведения к валу со скоростью

. (4.9)

Для реечной передачи, при преобразовании вращательного движения в поступательное, линейная скорость рейки определится как

, , (4.10)

передаточное соотношение

, , (4.11)

где – диаметр шестерни в мм.

Передаточное соотношение реечной передачи может находиться в диапазоне 10…200 м^-1. К.п.д. цилиндрических передач составляет 0,95…0,99.

На рис. 4.4 приведена схема планетарной передачи. Планетарными называют зубчатые передачи, в которых геометрическая ось хотя бы одной шестерни подвижна. Основными элементами планетарной передачи являются:

- солнечная шестерня 1 (находится в центре);

- водило 2, жёстко фиксирующее друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён одинакового размера 3 (сателлитов), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней;

- кольцевая шестерня 4 (эпицикл), имеющая внутреннее зацепление с планетарными шестернями.

При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, другой элемент используется как ведущий, а третий – в качестве ведомого.

В случае, когда водило 2 зафиксировано ( ), а мощность подводится через солнечную шестерню 1, планетарные шестерни 3 будут вращаться на месте со скоростью, определяемой отношением числа их зубьев относительно солнечной шестерни

.

Вращение планетарных шестерён 3 передается кольцевой шестерне 4. Если кольцевая шестерня имеет зубьев, то она будет вращаться со скоростью

.

В итоге, если водило заблокировано, то общее передаточное отношение системы будет равно

. (4.12)

В случае, если закреплена кольцевая шестерня ( ), а мощность подводится к водилу, то передаточное отношение на солнечную шестерню будет больше единицы и составит

. (4.13)

Наиболее широкое применение планетарные передачи нашли в автомобильных дифференциалах и в суммирующих звеньях кинематических схем металлорежущих станков. В современных устройствах могут использоваться каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел. На этом принципе работают многие автоматические коробки передач автомобилей.

Достоинствами планетарных передач по сравнению с обычными цилиндрическими или коническими передачами являются меньшие габариты и масса. Недостатками – повышенная точность изготовления, большее число подшипников качения.

Для получения больших передаточных чисел (до 90000) применяют волновые передачи (см. рис. 4.5). Волновая передача состоит из жесткого неподвижного элемента – зубчатого колеса 1 с внутренними зубьями, неподвижного относительно корпуса передачи; гибкого элемента – тонкостенного упругого зубчатого колеса с наружными зубьями 2, соединенного с выходным валом; генератора волн – кулачка 3, эксцентрика или другого механизма, растягивающего гибкий элемент до образования в двух (или более) точках пар зацепления с неподвижным элементом. Число зубьев гибкого колеса несколько меньше числа зубьев неподвижного элемента.

Принцип работы волновой зубчатой передачи проиллюстрирован на рис. 4.6. Например, при числе зубьев гибкого колеса 200, а неподвижного элемента – 202 и двухволновой передаче (два выступа на генераторе волн) при вращении генератора по часовой стрелке первый зуб гибкого колеса будет входить в первую впадину жёсткого, второй во вторую и т.д. до двухсотого зуба и двухсотой впадины. На следующем обороте первый зуб гибкого колеса войдёт в двести первую впадину, второй – в двести вторую, а третий – в первую впадину жёсткого колеса. Таким образом, за один полный оборот генератора волн гибкое колесо сместится относительно жёсткого всего на 2 зуба.

Передаточное соотношение волновой передачи от вала генератора волн к валу гибкого колеса равно

, (4.14)

где , – соответственно число зубьев жесткого и гибкого зубчатых колес.

Основной недостаток таких редукторов – низкий к.п.д. (не более 70…80%), а также высокие требования к точности изготовления и свойствам применяемых материалов.

Червячная передача

Червячная передача – это механизм для передачи вращения между перекрещивающимися (как правило, взаимно перпендикулярными) валами. При вращении червяка 1 (рис. 4.7) его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса 2 и приводят последнее во вращение.

Ведущее звено червячной передачи – червяк, а ведомое – червячное колесо. Отличительной особенностью червячной передачи является наличие эффекта самостопорения, т.е. невозможности обратной передачи мощности от колеса к червяку.

Передаточное число червячной передачи зависит от числа заходов червяка :

			свыше

и числа зубьев колеса

. (4.15)

Основным недостатком червячных передач является низкий к.п.д. – 70…80%. По этой причине их применяют для передачи небольших и средних мощностей, как правило, до 50 кВт, реже – до 200 кВт.