Механические элементы

Технические системы представляют собой единое, целостное устройство, предназначенное для выполнения определенных функций. Но эти системы, в свою очередь, обычно состоят из отдельных элементов (частей), которые также характеризуются выполняемой функцией, принципом действия, структурой и параметрами.

Элементы, родственные по выполняемой функции (хотя они и могут принадлежать различным системам), объединяют в группы, которые образуют элементную базу предметной области – машиностроения, аппаратостроения, приборостроения и т.д. Знание этих групп и составляющих их элементов облегчает анализ сложных и создание новых систем.

Наиболее распространены типовые механические элементы (рис. 8.1). Типовые – поскольку такие элементы составляют основу устройства не только машин (от простейших передач до сложных механизмов), но и основу конструкции разнообразных аппаратов и приборов.

Рисунок 8.1 – Передаточные устройства

Передаточные устройства – главная функциональная часть машин или механизмов иных технических систем. Они подразделяются (рис.8.2):

· на передачи, предназначенные для согласования (преобразования) вида и параметров движения, которое поступает от двигателя к исполнительному устройству;

· на трансмиссии, предназначенные для передачи движения от двигателя к удаленному исполнительному устройству. Трансмиссии – частный случай передач, когда характер движения при его передаче не меняется. Трансмиссией часто называют устройства, которые объединяют функции “преобразовывать” (т.е. передаточного устройства) и “передавать” (т.е. собственно трансмиссии).

Рисунок.8.2 – Виды передаточных устройств

Главным функциональным параметром передачи служит передаточное отношение. Оно, по определению, принимается равным отношению скорости движения на входе в передачу к скорости движения на выходе из нее и обозначается буквой i. Передаточное отношение имеет размерность, если виды движения на входе и выходе различаются (например, вращательное и поступательное).

Если в процессе работы устройства передаточное отношение постоянно, то его обычно называют передаточным числом и обозначают буквой u. Под словом “передача” понимают именно такие устройства. С другой стороны, некоторые устройства могут допускать периодическое изменение (перенастройку) величины передаточного числа. Если изменение происходит ступенчато (пошагово), то устройства относят к коробкам скоростей. Устройства, позволяющие изменять передаточное число беступенчато (непрерывно в пределах заданного диапазона), относят к вариаторам.

Валы и штоки -Это обобщенное название группы деталей, предназначенных для передачи движения между частями машин (систем) и/или их взаимной фиксации. При этом характеристики движения не меняются. Функциональным параметром служит передаваемая или воспринимаемая нагрузка – крутящий Т и изгибающий М моменты, осевое усилие F_a.

Валы. Передают вращательное движение (крутящий момент) от одного элемента передачи к другому с одновременной их взаимной фиксацией (удержание в заданном относительном положении посредством восприятия изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, вызываемых рабочими нагрузками). На схемах валы изображают сплошной толстой линией.

Оси. Обеспечивают только взаимную фиксацию элементов передач (в осевом и радиальном направлениях) и, следовательно, воспринимают изгибающие моменты и поперечные силы, вызываемые рабочими нагрузками. На осях располагаются паразитные колеса рядовой передачи, сателлиты планетарной передачи, блоки ворота и рычаг.

Торсионы. Передают только вращательное движение (крутящий момент) от одного элемента передачи к другому. Осевая и радиальная фиксация элементов должна обеспечиваться уже другими средствами. Поскольку торсионы разгружены от изгибающих моментов и поперечных сил, то имеют меньшие по сравнению с валами поперечные размеры и массу. К торсионам близки гибкие валы, обладающие малой изгибной жесткостью, допускающие работу с большим прогибом и способные передавать вращение или осевое усилие между относительно подвижными элементами систем.

Штоки. Передают поступательное движение (осевую силу) от одного элемента передачи к другому и обеспечивают взаимную фиксацию расположенных на нем деталей (удержание в заданном положении посредством восприятия изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, вызываемых рабочими нагрузками). На схемах штоки, как и валы, изображают сплошной толстой линией.

Винты. Одновременно передают вращательное и поступательное движения и нагружены осевой силой и крутящим моментом. В основном, это – винты передач винт-гайка.

Опоры подвижных деталей предназначены для поддержания подвижных частей механических систем. Вместе, опоры (например, корпуса, рамы) и удерживаемые ими детали (например, валы, штоки), образуют опорный узел, части которого геометрически и функционально взаимосвязаны. В реальной конструкции подвижной может быть любая из этих частей. Но для удобства изложения условимся считать относительно подвижной – опирающуюся деталь, а неподвижной – опору.

Несущие элементы конструкций (корпусные детали) служат опорами узлов и механизмов машин, аппаратов и приборов, т.е. воспринимают действующие на них нагрузки. При этом понятие “опора” имеет широкий смысл, а конкретный вид такой “опоры” определяется теми или иными условиями применения.

Для поддержания устройств или частей машин, оказывающих преимущественно нормальное давление на опорную поверхность, служат плиты. Если же действуют не только нормальные, но и сдвигающие нагрузки, то используют основания и фундаменты.

Несущие конструкции, которые наряду с опиранием обеспечивают нужное взаимное расположение (базирование) устройств или частей машин, относят к станинам либо, если это стержневая конструкция, – к рамам.

Конструкциями широкого назначения являются корпуса и крышки: они поддерживают и базируют устройства или части машин, защищают и предохраняют (изолируют) их от неблагоприятных или нежелательных воздействий со стороны внешней среды, человека, других устройств или узлов этой же системы (либо наоборот – защищают внешнюю среду от воздействия на нее устройств или машин).

Двигатели – неотъемлемая часть любой машины, двигатель, как источник механической энергии обеспечивает ее функционирование. За исключением особых условий, в проектируемых устройствах целесообразно применение двигателя как готового покупного изделия, выпускаемого промышленностью.

Это экономит время и средства на его разработку и изготовление, повышает надежность всей системы, обеспечивает взаимозаменяемость и т.д. В таких случаях двигатель подбирается по каталогам предприятий-производителей, что позволяет также оценить и его доступность. Ниже приводятся основные сведения и характеристики типовых двигателей, необходимые для их подбора.

На рисунке 8.3 представлена классификация двигателей по виду создаваемого движения.

Рисунок 8.3. Классификация двигателей по виду создаваемого движения

Наиболее распространены двигатели вращательного движения, они подразделяются на:

· двигатели, обеспечивающие длительное (в пределах ресурса) вращение своего вала, т.е. позволяющие вращать вал в пределах - ¥ < j < ¥ (при реверсивной работе). Такие двигатели также называют моторами;

· поворотные двигатели. Угол поворота их вала изменяется только в ограниченных пределах – 0 < j < j _o (величина интервала обычно не превышает 270^о). В пределах этого интервала обеспечивается точное позиционирование вала (его поворот на требуемый угол);

· шаговые двигатели. Обеспечивают поворот своего вала на величину, кратную некоторому шагу Dj, т.е. j = j ₀ ± k×Dj, где k =1,2,... ¥, а j ₀ – начальное значение угла. Величина шага может быть различной. Шаговые двигатели предназначены для точного (в пределах шага) позиционирования вала.

Двигатели поступательного движения не позволяют получить большие линейные перемещения (за исключением, может быть, транспортных двигателей, перемещающих повозки по длинным магистралям). Они подразделяются только на два вида:

· линейные двигатели. Обеспечивают перемещение своего штока в пределах 0 < s < s _o (шток может ходить в пределах от миллиметра до нескольких метров);

· линейные шаговые двигатели. Обеспечивают перемещение штока в пределах определенного интервала с заданным шагом, т.е. s = s ₀ ± k×D s, где k =1,2,... k_max . Величина шага может быть различной. Шаговые двигатели, по сравнению с линейными, имеют более сложную конструкцию, но и точнее позиционируют шток.