Механизм преобразования движения

1.ЗУБЧАТО-РЕЕЧНЫЙ МЕХАНИЗМ

Реечная зубчатая передача получила свое название по одной из деталей – рейке. Это единственное зацепление шестерни, которое меняет не скорость и направление крутящего момента, а тип движения. Вращение привода изменяется на движение в заданной плоскости.

Рисунок 1 – Зубчато-реечный механизм

Отличительной особенностью реечной передачи является ее неограниченная продолжительность. Рейки укладываются в один ряд. На стыках подгоняются, чтобы выдерживался модуль. Для этого просто укладывают на стык в зацепление зубчатую планку с таким же модулем или одну из приготовленных к монтажу реек. Крепеж устанавливается по подметке, что сводит к минимуму погрешность.

Соединение зубчатой рейки и шестерни бывает разных видов:

- прямозубое;

- косозубое;

- многорядное.

Обеспечить нормальную работу реечного узла можно точной установкой деталей относительно друг друга.

Зубья должны соприкасаться по средней линии.

Модуль подбирается по усилию, которое необходимо передать для движения. Увеличить прочность и допустимую нагрузку можно различными способами:

- увеличить площадь контакта за счет большей ширины зуба;

- заменить прямозубое соединение косозубым;

- использовать шестерню большего диаметра.

Прямозубое зацепление имеет широкое распространение. Для реечных механизмов, не требующих большой точности смещения, детали могут отливаться из чугуна. Зубчатое колесо и рейка имеют шероховатую поверхность и сильно шумят. Они неприхотливы, работают при высоких температурах, в условиях сильной запыленности. Часто применяются для открывания термических и литейных печей с выдвижным подом, перемещают загрузочные тележки на металлургических печах. Рейка обычно перевернута зубом вниз. Шестерня и привод установлен в яме.

Косозубая реечная пара способна передать большее усилие при зацеплении. За счет расположения зуба под углом, площадь контакта увеличивается. Узел производит при работе меньше шума. Детали требуют высокой точности при изготовлении и тонкой регулировки. По мере стирания поверхности зубьев, надо смещать межцентровое расстояние. При нарушении угла, нагрузка смещается и происходит быстрое разрушение шестерни.

Движение может передаваться и от реек к зубчатому колесу. Примером служат детские игрушки и механические фонарики, изготавливаемые в прошлом веке. Когда на торец пластины нажимали рукой, рейка приводила в движение ротор и лампочка начинала светить.

В большинстве реечных механизмов происходит превращение вращения в поступательное движение. При проектировании оборудования, конструкторам приходится делать сложные расчеты эвольвенты зуба и расстояния от средней линии рейки до оси шестерни. Им на помощь приходят готовые таблицы с нормализованными деталями. Это упрощает процессы расчета, поскольку в большинстве случаев эксплуатации узла с малыми нагрузками берутся стандартные пары.

Передача реечная широко используется в механизмах совершенно разного назначения:

- металлорежущее оборудование;

- термические печи;

- сдвижные ворота;

- фуникулеры;

- кранбалки;

- мостовые краны;

- шахтные тележки;

- сварочные автоматы;

- промышленные роботы;

- станки с ЧПУ.

Известный всем водителям реечный механизм является узлом рулевого колеса. Вращение колеса превращает в поступательное перемещение тяг и синхронный поворот колес.

Широкое применение получили реечные передачи в производственном оборудовании. На строгальных и продольно фрезерных станках стол перемещается по направляющим станины. Между ними расположена рейка. Передача движения от привода осуществляется через расположенную в нижней части стола шестерню. Она тянет стол в режиме резания, и быстро его возвращает в исходное положение на холостом ходу.

Шпиндельная группа сверлильных и вертикально фрезерных станков перемещается вверх и вниз по колонне, на которой закреплена планка с зубьями. Реечная передача получает вращение от электродвигателя шпинделя через ремень и шкив.

Примеры использования реечных узлов в быту встречаются часто. Все откатные ворота имеют внизу или на середине полотна рейку. Двигатель с шестерней устанавливаются на столбе. Включить привод и открыть ворота можно дистанционно, из дома или посредством электронного пульта управления.

Узлы с зубчатыми рейками считают устаревшими и громоздкими. На самом деле реечная механическая передача представляет собой зубчатое зацепление малой шестерни с сегментом колеса, имеющего бесконечно большой диаметр. Идеальный механизм в настоящее время не изобретен и приходится выбирать передачу, с учетом ее технических характеристик.

Передача обладает рядом недостатков, к ним относят следующие:

- устаревшая технология;

- большой люфт;

- сильный шум;

- маленькая точность перемещений;

- большая погрешность на стыке реек;

- требует высокой точности изготовления;

- ручная сборка;

- боится грязи;

- низкая производительность;

- ограничен спектр применения.

Узел обладает всеми недостатками зубчатых передач. Основное из них, это разрушение зубьев при перегрузе. На ременных передачах, когда нагрузка резка увеличивается, происходит проскальзывание ремня по шкиву. У зубьев нет такой возможности. По аналогии в предохранительные муфты вставляют пальцы, и через них передается вращательный момент. При перегрузе они разрушаются и заменяются новыми.

Разница в том, что изготовить шпильку с посадочным диаметром намного проще и дешевле. Шестерни делаются из легированных сталей. Процесс их изготовления сложный, многоступенчатый. Деталь дорогостоящая.

Точность изготовления зубчатой рейки выше, чем шестерни. Чем сильнее изгиб линии основания зуба, тем больше погрешность при его нарезании.

Механическое взаимодействие двух деталей всегда сопровождается шумом. Частично его снижает смазка. Плавно и тише работают косозубые и многорядные передачи.

2. ВИНТОВОЙ МЕХАНИЗМ

Винтовой механизм обычно имеет три звена: неподвижную стойку, винт и гайку. В зависимости от того, как соединяются между собой эти звенья, образуются различные кинематические пары:

Ведущим звеном является винт, имеющий гладкую шейку, вращающуюся в подшипнике стойки. При этом винт не имеет возможности перемещаться поступательно, т. е. образует со стойкой вращательную пару.

Гайка образует с винтом винтовую пару и может перемещаться поступательно вдоль стойки, но не вращается, т. е. образует со стойкой поступательную пару.

В механизме этого вида вращательное движение винта преобразуется в поступательное движение ползуна, скрепленного с гайкой. При одном обороте винта ползун перемещается поступательно на величину шага винтовой линии. Такое устройство имеют механизмы поперечных и верхних салазок суппорта токарного станка.

Ведущим звеном является винт, образующий винтовую пару со стойкой, с которой скреплена неподвижная гайка.

Винт посредством гладкой шейки на конце соединяется с подшипником ползуна и образует с ним вращательную пару. Ползун перемещается поступательно по направляющим стойки (поступатель)

Ведущим звеном является гайка, а винт — ведомое звено. Если сообщить гайке вращательное движение, чтобы она не могла перемещаться продольно, то гайка образует вращательную пару со стойкой. При этом винт будет перемещаться поступательно при условии, если он не имеет возможности вращаться.

В механизме этого вида вращательно-поступательное движение винта преобразуется в поступательное движение ползуна. Такой механизм применяется в винтовых прессах и слесарных параллельных тисках.

Рисунок 2 - Винтовые механизмы, где ведущими звеньями являются: а — неиеремещающийся винт; б — перемещающийся винт.

Рисунок 3 - Винтовые механизмы, где ведущими звеньями являются: а — перемещающийся винт слесарных тисков; б — гайка.

Таким образом, вращательное движение гайки преобразуется в поступательное движение винта.

Механизм такого вида применяется в винтовых домкратах, в некоторых слесарных параллельных тисках, у которых винт жестко скреплен с подвижной задней губкой (ползуном), а гайка посредством рукоятки вращается в подшипнике стойки.

Винтовые механизмы используются в самых разнообразных устройствах. Соединением винтов с правой и левой резьбами можно получить стяжные устройства, применяемые при сцеплении вагонов, для натяжения троссов и оттяжек спортивных снарядов, такое же устройство применяется у чертежного циркуля-измерителя.

Винтовые домкраты, так же, как и тиски, иногда делают с неподвижной гайкой, скрепленной со стойкой и с поворачивающимся винтом. На конце винта делается упорный диск (чашка), который образует с винтом вращательную пару.

В автомобильных винтовых домкратах часто делают два винта — с правой и левой нарезками. Один из этих винтов (большего диаметра) является основным, а второй (меньший) ввертывается в него. При каждом обороте большого винта груз поднимается на высоту, равную сумме шагов резьбы обоих винтов,

3. КРИВОШИПНЫЙ МЕХАНИЗМ

Крипошип (рис. 4) — звено кривошип­ного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвиж­ной оси. Кривошип (I) имеет цилиндрический выступ — шип 1 , ось которого смещена относительно оси вращения кривошипа на расстояние r, которое мо­жет быть постоянным или регулируемым. Более сложным вращающимся зве­ном кривошипного механизма является коленчатый вал. Эксцен­трик (III) — диск, насаженный на вал с эксцентриситетом, то есть со смеще­нием оси диска относительно оси вала. Эксцентрик можно рассматривать как конструктивную разновидность кривошипа с малым радиусом.

Рисунок 4 - Кривошип

Кривошипный механизм — механизм, преобразующий один вид движения в другой. Например, равномерно вращательное — в поступа­тельное, качательное, неравномерное вращательное и т. д. Вращающееся звено кривошипного механизма, выполненное в виде кривошипа или ко­ленчатого вала, связано со стойкой и другим звеном вращательными кине­матическими парами (шарнирами). Принято различать подобные механиз­мы на кривошипно-шатунные, кривошипно-коромысловые, кривошипно- кулисные и др. в зависимости от характера движения и наименования того звена, в паре с которым работает кривошип.

Используются кривошипные механизмы в поршневых двигателях, насо­сах, компрессорах, прессах, в приводе движения металлорежущих станках и других машинах.

Кривошипно-шатунный механизм — один из самых распрост­раненных механизмов преобразования движения. Его применяют как для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (на­пример, поршневые насосы), так и для преобразования возвратно-поступа­тельного во вращательное (например, двигатели внутреннего сгорания).

Шатун — деталь кривошипно-шатунного (ползунного) механизма, передающая движение поршня или ползуна на кривошип коленчатого ва­ла. Часть шатуна, служащая для присоединения к коленчатому валу, назы­вается кривошипной головкой, а противоположная часть — поршневой (или ползунной) головкой.

Механизм состоит из стойки 1 (рис. 5), кривошипа 2, шатуна 3 и ползуна 4. Кривошип совершает непрерывное вращение, ползун — возвратно-посту­пательное движение, а шатун — сложное, плоскопараллельное движение., Полный ход ползуна получается равным удвоенной длине кривошипа. Рассматривая перемещения ползуна из одного положения в другое, нетруд­но увидеть, что при повороте кривошипа на равные углы ползун проходит разное расстояние: при движении от крайнего положения к среднему участ­ки пути ползуна увеличиваются, а при движении от среднего положения к крайнему — уменьшаются. Это свидетельствует о том, что при равномерном движении кривошипа ползун движется неравномерно. Так скорость движе­ния ползуна меняется от нуля в начале его движения и достигает наиболь­шей величины, когда кривошип и шатун образуют между собой прямой угол, затем снова уменьшается до нуля при другом крайнем положении.

Рисунок 5 – Механизм стойки

Неравномерность хода ползуна вызывает появление сил инерции, ока­зывающих отрицательное влияние на весь механизм. В этом главный недо­статок кривошипно-ползунного механизма.

В некоторых кривошипно-шатунных механизмах возникает необходи­мость в обеспечении прямолинейности движения поршневого штока 4 (рис. 34). Для этого между кривошипом 1, шатуном 2 и ползуном 5 используют так называемый крейцкопф 3, воспринимающий на себя качательные движения шатуна (4 — шток промежуточный).

Рисунок 6 – Поршневой поток

4. КУЛИСНЫЙ МЕХАНИЗМ

Кулиса представляет собой прямой или изогнутый рычаг с прорезью, в которой скользит конец другого рычага. Он движется относительно кулисы прямолинейно. Кулисные механизмы бывают качающиеся, вращающиеся и прямые.

Кривошипно-кулисные механизмы способны обеспечивать высокую скорость линейного перемещения исполнительных органов. Характерным примером механизма кулисного типа служит система управления клапанами в автомобильных моторах, устройство управления реверсом парового двигателя и т. д.

Используются кулисные пары в металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках, там, где рабочий орган должен совершать многократные линейные перемещения с возвратным ходом.

Рисунок 7 –Многоступенчатый кулисный механизм

Еще одна область применения- аналоговые вычислительные устройства, там кулисные пары помогают определять значения синусов либо тангенсов заданных углов. Исходя из типа подвижного звена рычажной схемы в установках и подвижных узлах используются следующие виды кулисных пар:

- ползунный

- кривошипный.

- двухкулисный.

- коромысловый.

Реже находит применение в транспортных средствах и некоторых измерительных приборах стоящий несколько особняком прямолинейно- направляющий или конхоидальный механизм.

Устройство является одним из подвидов кривошипно-шатунного механизма. Большинство кулисных пар построены по четырехзвенной кинематической схеме.

Третье звено определяет тип механизма: двухкулисный, ползунный, коромысловый или кривошипный.

Схема содержит как минимум две неподвижные оси и от одной до двух подвижных осей.

В середине кулисы располагается прорезь, по которой перемещается подвижная ось. К ней шарнирно закреплен конец (или другая часть) ползуна, коромысла или второй кулисы.

В зависимости от соотношения длин в каждый момент исполнительный орган может описывать как простые траектории (линейные, круговые или часть окружности), таки сложные в виде многоугольников или замкнутых кривых. Вид траектории определяется законом движения кинематической пары – функцией координат исполнительного органа от угла поворота оси, положения ползуна или от времени.

Принцип действия основывается на базовых законах прикладной механики, кинематики и статики, описывающий взаимодействие системы рычагов, имеющих как подвижные, так и неподвижные оси. Элементы системы полагаются абсолютно жесткими, но обладающими конечными размерами и массой. Исходя из распределения масс рассчитывается динамика кулисного механизма, строятся диаграммы ускорений, скоростей, перемещений, рассчитываются эпюры нагрузок и моментов инерции элементов.

Рычажное устройство, имеющее два подвижных элемента (кулиса и кулисный камень) называют кинематической парой, в данном случае кулисной.

Чаще всего встречаются плоские схемы из четырех звеньев. Исходя из вида третьего звена рычажного механизма, различают кривошипные, коромысловые, двухкулисные и ползунные механизмы. Каждый из них обладает собственным способом преобразования вида движения, но все они используют единый прицеп действия- линейное или вращательное перемещение рычагов под действием приложенных сил.

Траектория движения каждой точки кривошипно кулисного механизма определяется соотношением длин плеч и рабочими радиусами элементов схемы.

Вращающееся или качающееся звено системы рычагов оказывает воздействие на поступательно движущееся звено в точке их сочленения. Оно начинает перемещение в направляющих, оставляющих этому звену только одну степень свободы, и движется до тех пор, пока не займет крайнее положение. Это положение соответствует либо первому фазовому углу вращающегося звена, либо крайнему угловому положению качающегося. После этого при продолжении вращения или качании в обратную сторону прямолинейно движущееся звено начинает перемещение в обратном направлении. Обратный ход продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто крайнее положение, соответствующее либо полному обороту вращающегося звена, либо второй граничной позиции качающегося.

После этого рабочий цикл повторяется.

Если кулисный механизм, наоборот, преобразует поступательное движение во вращательное, взаимодействие осуществляется в обратном порядке. Усилие, передаваемое через сочленение от ползуна, прикладывается в стороне от оси вращения звена, обладающего возможностью поворота. Возникает крутящий момент, и вращающееся звено начинает поворачиваться.

5. КУЛАЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ

Кулачковый механизм служит для преобразования вращательного движения в линейное перемещение малой амплитуды. Вращающаяся его деталь — диск с выступом, закрепленный на ведущем валу, называется кулачок при вращении выступ толкает либо толкатель, если необходимо получить поступательное перемещение, либо коромысло, если требуется качательное движение. Такие механизмы широко применяются в двигателях внутреннего сгорания, измерительных приборах, швейных машинках, различных регуляторах и многих других устройствах.

Устройства применяются при необходимости преобразования вращения ведущего вала в линейное перемещение небольшой амплитуды. Основные элементы механизма следующие:

- ведущий вал;

- закрепленный на нем (или являющийся его частью);

- фасонный диск с выступом;

- толкатель, движущий в направляющих, обеспечивающих линейность его движения.

Фасонный диск (он называется также кулачком) – это активный элемент кинематической пары. Исполнительным элементом служит толкатель. Иногда движение передается через качающиеся на параллельном валу коромысло.

Одним из основных параметров у механизмов с толкателем является эксцентриситет — ось толкателя смещается относительно оси кулачка.

при вращении кулачка в плоскости толкателя он поворачивается своим сечением с большим радиусом, оказывая давление на толкатель и вынуждая его к линейному движению. Это перемещение происходит до тех пор, пока не будет достигнута вершина кулачка. После его прохождения давление на шток начинает ослабевать вплоть до достижения минимального радиуса диска. Шток возвращается обратно под действием пружины. Цикл повторяется.

Особенностью кулачковой пары является ее необратимость. Кривошипный механизм может преобразовывать движение в обе стороны. Так, в бензиновом или дизельном двигателе во время рабочего хода продольный ход поршня преобразуется во вращение коленвала. Во время такта выпуска накопленная инерция вращения маховика вращает коленвал, и кривошипный механизм превращает его в обратный ход поршня, вытесняющего остатки продуктов сгорания рабочей смеси из цилиндра.

Кулачковая пара такой обратимости не имеет, поскольку отсутствует жесткая связь между элементами. Толкатель совершает обратное перемещение под действием возвратной пружины.

Самым широко распространенным примером кулачкового механизма служит распределительный механизм в двигателе внутреннего сгорания. Кулачки распредвала напрямую или через коромысла открывают в определенном порядке клапаны цилиндров. Закрываются они возвратными пружинами.

Чтобы спроектировать действующее устройство, необходимо провести ряд расчетов, для синтеза кулачкового механизма построить передаточную диаграмму.

Разработано множество различных видов кулачковых механизмов. Они объединяются по разным признакам.

По основной функции:

- приводящие исполнительный орган в движение по определенной траектории;

- обеспечивающие простое перемещение (линейное или качающее) толкателя на заданное расстояние.

По пространственной конфигурации:

- плоские, все траектории лежат в одной плоскости;

- пространственно кулачковый механизм, двигается по сложным траекториям.

По типу толкательного механизма различают:

- плоский;

- дисковый;

- ролик;

- сферический;

- остроконечный.

По траектории его движения:

- линейные;

- качающиеся.

По траектории кулачка:

- линейная;

- качающееся;

- вращение (винтовое движение).

Кулачковый механизм с роликовым толкателем по признаку смещения осей подразделяется на:

- аксиальные (ось вращения диска находится в плоскости толкателя)

- дезаксиальные оси вращения и линия движения толкателя разнесены в пространстве.

Дистанцию такого разнесения называют дезаксиалом (e).

Кулачковые регулировочные механизмы часто строятся по дезаксиальной схеме.