Různé typy ozubených kol – jejich vlastnosti a použití v mechanice.

Přenos je obecně zařízení určené k přenosu energie z jednoho bodu v prostoru do druhého, který se nachází v určité vzdálenosti od prvního.

Podle druhu přenášené energie se převody dělí na mechanické, elektrické, hydraulické, pneumatické atd.
Předmět „Součásti strojů“ studuje mechanické převody určené k přenosu mechanické energie.

Mechanický převod je zařízení (mechanismus, jednotka) určené k přenosu energie mechanického pohybu zpravidla s přeměnou jeho kinematických a výkonových parametrů a někdy i samotného typu pohybu (rotačního na translační nebo komplexní atd.). ).
Technologicky nejrozšířenější jsou převody otáčivého pohybu, kterým je u strojních součástí věnována hlavní pozornost (dále jen převodové prostředky, není-li uvedeno jinak, převod otáčivého pohybu).

Obecně platí, že každý stroj může mít tři součásti: motoru, přenos и akční člen.
Mechanická energie, která pohání stroj nebo jeho jednotlivý mechanismus, je energie otáčivého pohybu hřídele motoru, která je přenášena na akční člen prostřednictvím mechanického převodu nebo převodového zařízení. Přenos mechanické energie z motoru na pohon stroje se provádí pomocí různých převodových mechanismů (dále jen ozubených kol): ozubené kolo, šnek, řemen, řetěz, tření atd.

Funkce mechanických převodů

Přenosem mechanické energie z motoru na aktuátor(y) mohou převodovky současně vykonávat jednu nebo více z následujících funkcí.

Snížení (nebo zvýšení) rychlosti otáčení od hřídele motoru k hřídeli pohonu.
Snížení rychlosti otáčení se nazývá redukce a uzavřená ozubená kola, která snižují rychlost otáčení, se nazývají převodovky.
Zařízení, která zvyšují rychlost otáčení, se nazývají urychlovače nebo multiplikátory.
V technice a strojírenství jsou redukční převody nejrozšířenější, proto je jim v kurzu Části strojů věnována primární pozornost. Zásadní rozdíl ve výpočtech redukčních převodů a akcelerátorů je však malý.

Změna směru toku energie.
Příkladem je ozubený převod (reduktor) zadní nápravy automobilu. Osa otáčení hřídele motoru u většiny automobilů svírá pravý úhel s osou otáčení kol. Pro změnu směru toku výkonu se v tomto případě používá kuželové soukolí.

Regulace otáček hnaného hřídele.
Se změnou rychlosti otáčení se mění i točivý moment: nižší frekvence odpovídá vyššímu točivému momentu. K regulaci rychlosti otáčení hnaného hřídele se používají převodovky a variátory.
Převodovky zajišťují skokovou změnu rychlosti otáčení hnaného hřídele v závislosti na počtu stupňů a zařazeném stupni.
CVT zajišťují plynulou změnu rychlosti otáčení hnaného hřídele v určitém rozsahu.

Převod jednoho typu pohybu na jiný (rotační na translační, rovnoměrný na přerušovaný atd.).

Zpětný pohyb je změna směru otáčení výstupního hřídele stroje jedním nebo druhým směrem v závislosti na funkční potřebě.

Rozdělení energie motoru mezi několik pohonů stroje.
Každý zemědělský kombajn tedy obsahuje několik mechanismů, které provádějí nezávislé technologické operace pro sklizeň a každý z těchto mechanismů pohání svůj vlastní výkonný prvek (podvozek, žací stroj, mlátička, čištění atd.). Vzhledem k tomu, že sklízecí mlátička je obvykle vybavena jednou pohonnou jednotkou (motorem), je její energie rozdělována mezi každý ze samostatných mechanismů pomocí převodů.

Klasifikace mechanických převodů

V závislosti na principu činnosti jsou mechanické převodovky rozděleny do dvou hlavních skupin:

• ozubené převody (ozubené, šnekové, řetězové);
• třecí převody (třecí, řemenové).

Každá z těchto skupin převodů je rozdělena do dvou podskupin:

• přenosy s přímým kontaktem přenosových spojů;
• převody s pružným spojením (řetěz, řemen) mezi články převodu.

Kromě těchto hlavních klasifikačních charakteristik se převodovky dělí podle některých dalších konstrukčních charakteristik: umístění hřídelů, povaha změny točivého momentu a úhlové rychlosti, počet stupňů atd.

Klasifikace mechanických převodovek podle různých kritérií je uvedena níže.

1. Podle způsobu přenosu pohybu ze vstupního hřídele na výstupní hřídel:
1.1. Převodovka:
1.1.1. s přímým kontaktem rotačních těles – ozubené kolo, šnek, šroub;
1.1.2. s pružným spojením – řetěz, ozubený řemen.
1.2. Třecí ozubená kola:
1.2.1. s přímým stykem rotačních těles – třecí;
1.2.2. s pružným spojením – pás.

2. Podle vzájemné polohy hřídelí v prostoru:
2.1. s osami rovnoběžných hřídelí – ozubená kola s válcovými koly, třecí s válcovými válečky, řetěz;
2.2. s protínajícími se osami hřídele – ozubené a třecí kuželové, třecí čelní;
2.3. s protínajícími se osami – ozubené kolo – šroubové a hypoidní, šnekové, čelní tření s válečkovým přesazením.

3. Podle charakteru změny úhlové rychlosti výstupního hřídele ve vztahu ke vstupu: zmenšení (snížení) a násobení (zvýšení).

4. Podle povahy změny převodového poměru (počet): převody s konstantním (neměnným) převodovým poměrem a převody s proměnným (měnitelným buď ve velikosti, nebo ve směru, nebo obojí dohromady) převodovým poměrem.

5. Podle pohyblivosti os a hřídelů: převodovky s pevnými osami hřídele – běžné (rychlostní skříně, převodovky), převodovky s pohyblivými osami hřídele (planetové převody, variátory s rotačními válečky).

6. Podle počtu fází konverze pohybu: jedno-, dvou-, tří- a vícestupňové.

7. Podle konstrukce: uzavřené a otevřené (bez rámu).

V technologii jsou nejrozšířenější následující typy mechanických převodů:

• Ozubené kolo (válcové, kuželové, hypoidní, vlnové, planetové atd.);
• Řemen (plochý řemen, klínový řemen, kruhový řemen atd.);
• Červovitý;
• Tření (konstantní převod, zpětný chod a variátory);
• Šroubová ozubená kola.

Pohony ozubeným řemenem lze klasifikovat jako samostatnou skupinu ozubených kol s mezilehlým pružným spojením, protože jsou schopny přenášet výkon jak třením, tak záběrem.

Hlavní charakteristiky mechanických převodů

Hlavními charakteristikami převodovky nutnými pro její výpočet a návrh jsou přenášený výkon (ve velikosti a směru) a rychlost otáčení hřídelů – vstupní (pohon), mezilehlá, výstupní (hnaná).
V technických výpočtech se místo úhlových rychlostí obvykle používají frekvence otáčení hřídele – n_in a n_out , měřeno v otáčkách za minutu. Vztah mezi úhlovou rychlostí ω (rad/s) a rychlostí otáčení n (ot./min):

Dalším důležitým parametrem mechanické převodovky je koeficient výkonu (účinnost), který charakterizuje ztrátu výkonu při přenosu z motoru na akční člen.

Úkolem ozubeného kola nebo převodovky je převést rotační pohyb hřídele motoru na posuvný pohyb podél dané osy. Převod je zpravidla realizován jedním ze 3 způsobů: převod šroub-matice, kuličkový šroub nebo převod ozubeným kolem (ozubnicové kolo nebo řemenice-řemen). Ozubené kolo spolu s typem motoru určuje rychlost pohybu po ose, rozlišení přiřazení polohy a ovlivňuje i přesnost. Každý typ převodovky je vyráběn s určitou přesností. Pomocí třídy přesnosti stanovené výrobcem pro daný převodový prvek můžete určit, jakou chybu vnese do provozu stroje.

1. Převodovka šroub-matice. Převod šroub-matice se týká dvojice ocelových šroubů s lichoběžníkovým nebo metrickým závitem a matice. Tento typ převodovky je převodovka s kluzným třením a v praxi má několik variant.

1.1. Stavební čep a matice.

Nejrozpočtovější varianta. Konstrukční čep není vůbec určen pro použití v průmyslu obráběcích strojů; technický postup jeho výroby je zaměřen na použití ve stavebnictví, v důsledku čehož má tento typ převodu nejúplnější sadu nevýhod – vysokou chybovost; , nízká přímost, nízké zatížení, nízká odolnost proti opotřebení, vysoké tření atd. . Stále se však používá v kutilských strojích vyráběných pro vzdělávací účely kvůli své nízké ceně. Pokud se rozhodnete za každou cenu ušetřit na výstroji a nainstalovat stavební čep, určitě zvažte možnost jeho nahrazení trapézovým šroubem nebo kuličkovým šroubem! S největší pravděpodobností stroj na stavebním čepu nesplní vaše naděje.

1.2. Šroub s trapézovým nebo obdélníkovým závitem.

Šroub s trapézovým závitem je nejběžnějším typem převodu v kovoobráběcích strojích v minulém století až do současnosti. Trapézové šrouby se vyrábí z různých druhů konstrukčních uhlíkových ocelí řezáním závitů na ocelové tyči nebo jejich válcováním. Rýhované šrouby mají výrazně lepší vlastnosti než šrouby se závitem. Široké použití trapézových šroubů je způsobeno jejich širokým sortimentem a dostupností na trhu šroubů různých tříd přesnosti, od C10 do C3. Matice šroubu je vyrobena z materiálů odolných proti opotřebení, jako jsou polyamidy (kaprolon, nylon), teflon, bronz. Správně navržená a vyrobená trapézová kola se vyznačují vysokou odolností proti opotřebení, protože. ke tření dochází při nízkém tlaku (díky poměrně velké třecí ploše). Na mnoha stále fungujících strojích sovětské výroby byly páry na svém místě od uvedení stroje na trh a nebyly změněny po dobu 30-40 let. Na takové vodící šrouby je také možné použít dělené matice, což umožňuje upravit napětí stlačením matice a vybrat vůli, která se časem objeví. Z mínusů stojí za zmínku, kupodivu, snadnost výroby šroubu, což automaticky znamená přítomnost mnoha výrobců s velmi širokou škálou ukazatelů kvality. Rozpočtové řady šroubů jsou vyrobeny z oceli #45 bez povrchového kalení, což může vést k narušení přímosti šroubu (jinými slovy šrouby malého průměru jsou měkké a často se při přepravě ohýbají). Mezi nevýhody a výhody zároveň patří vysoké tření v převodovce. Na jednu stranu to snižuje účinnost, k otáčení vrtule je zapotřebí výkonnější motor. Na druhou stranu tření poněkud tlumí rotační vibrace šroubu, což se může hodit při použití krokových motorů (viz rezonance krokových motorů). Tento efekt je však spíše slabý a pro boj s rezonancí jsou zapotřebí jiné metody. Shrneme-li, můžeme říci, že trapézový šroub ještě neztratil na významu jako převodovka CNC obráběcího stroje a je úspěšně používán u obráběcích strojů všech tříd.

2. Kulový šroub je v současnosti de facto standardem v konstrukci CNC strojů. Ocelový šroub s kuličkovými dráhami, indukčně kalený a následně broušený, a speciálně nasazená matice s kuličkami obíhajícími uvnitř. Jak se šroub otáčí, matice se odvalují po oběžných drahách a přenášejí sílu na tělo matice. Tato převodovka se vyznačuje vysokou přesností, vysokou účinností (80, 90 % i více) a životností. Kuličkové šrouby se častěji používají u CNC strojů, protože jejich použití umožňuje použití motorů s nižším výkonem (nejsou vyžadovány tak výrazné vypínací síly jako u převodu šroub-matice). Kuličkový šroub je dodáván jako kompletní pár, nevyžaduje seřízení matice a často nevyžaduje opracování konců pro instalaci do podpěr – to provádí výrobce, tzn. Kuličkové šrouby jsou často plug and play, zatímco u trapézových šroubů jsou matice a šrouby často vyráběny na různých místech a mohou vyžadovat pečlivé seřízení, bez kterého se mohou objevit mezery, vůle, zvýšené tření, opotřebení atd. Kuličkové šrouby jsou méně odolné vůči pilinám, prachu a nedostatečnému mazání než převody šroub-matice, pokud se dovnitř dostane cizí těleso, byť velmi malé, převod se může zaseknout, protože; sousední kuličky v kanálu rotují v opačném směru. Často je vyžadována dodatečná ochrana šroubů pomocí vlnitých materiálů. Kuličkové šrouby, stejně jako trapézové šrouby, mají omezení délky – příliš dlouhý šroub se vlastní vahou prohýbá a když se šroub otáčí (rychlost otáčení šroubu v krocích po 5 mm u portálových strojů dosahuje 10-15 ot./s a vyšší) se chová jako švihadlo, které způsobuje vibrace stroje a součásti, které šroub fixují, jsou vystaveny rázovému zatížení, jejich životnost se rychle snižuje, v sedadlech vznikají mezery, které naopak zvyšuje vibrace stroje a snižuje kvalitu vyráběných produktů. Zkušenosti ukazují, že poměr průměru kuličkového šroubu k jeho délce by neměl být menší než 0.022 a také se nedoporučuje překračovat délku šroubu 2000 mm. K odstranění efektu „skákání přes švihadlo“ se používají konstrukce s pevným šroubem a otočnou maticí, ale takové jednotky jsou zpravidla mnohem dražší a obtížnější na výrobu a také vyžadují prostor, který není vždy možné implementovat na kompaktní portály. Pokud plánujete občas vypnout hnací motory a stroj ovládat ručně, pak je lepší nepoužívat kuličkový šroub – převodovka bez samobrzdění vám může způsobit nemalé potíže.

3. ozubená kola, používané v CNC strojích, existují 2 typy: řemenový pohon a hřeben s pastorkem.

3.1. Řemenový pohon používá se v případech, kdy je hmotnost pohyblivé části malá. Ozubený řemen je natažen podél osy a na koncích upevněn speciálními plasty. Ozubená řemenice je umístěna přímo na hřídeli motoru, nasazena na pohyblivé části (portálu); těsné sevření řemenice s řemenem je zajištěno napínacími kladkami, které jsou obvykle vyrobeny z radiálních kuličkových ložisek vhodné velikosti. Hlavní nevýhodou řemenového pohonu jsou vlastnosti řemenu. Přestože jsou všechny hnací řemeny vyztuženy ocelovým nebo sklolaminátovým kordem, nebrání to jeho natažení a čím delší je řemen, tím více se natáhne. Čím silnější je řemen tažen, tím nižší je přesnost a nižší frekvence přirozených vibrací – převod může upadnout do mohutné rezonance na nejnutnějších frekvencích pohybu. Tento efekt lze snížit zajištěním kusu řemene na stroji se zuby nahoru a umístěním dalšího řemenu na něj zub k zubu, čímž se zvedne smyčka, ve které je umístěna kladka. Jak je patrné z diagramu, jeho malý segment podléhá roztažení, což odstraňuje výše uvedené nevýhody. Řemenový pohon poskytuje měkký pohyb, pokud nedochází k rezonanci na rozdíl od kuličkových šroubů, prakticky se nebojí prachu a třísek a také vám umožňuje nastavit napnutí řemenu pro výběr vůle, což je důvod, proč k prvnímu přiblížení řemenu; převodovky jsou často považovány za bezvůlové. Pásy se používají zpravidla tam, kde nejsou vysoké požadavky na přesnost a hmotnost portálu a zatížení pracovního nástroje jsou nízké – plazmové řezací stroje, pěnové řezací stroje.

3.2. Ozubený stojan. Ocelový ozubený hřeben se používá na velkoformátových řezacích strojích pro plazmové a laserové řezání, širokoformátových portálových frézkách, formátovacích řezacích strojích, kde použití kuličkových šroubů není možné kvůli prověšení šroubů a také tam, kde jsou vysoké rychlosti pohybu požadovaný. Hřebenové převody, stejně jako kuličkové šrouby, jsou vyráběny s určitou třídou přesnosti. Nejpoužívanějšími převody jsou třídy C5, C7 a C8. Ozubená tyč, stejně jako řemen, se „nebojí“ prachu a třísek, ale nemá nedostatek prodloužení. Když však namontujete ozubené kolo přímo na hřídel motoru, ozubené kolo řinčí a vibruje, což v kombinaci s rezonancí krokového motoru může proměnit váš stroj ve vynikající třepačku. Abyste tomu zabránili, můžete mezi motor a hřeben nainstalovat řemenový reduktor, který plní funkci tlumení, nebo použít motor s planetovou převodovkou – pak většinu času bude krokový motor pracovat při vysokých otáčkách, kde rezonance prakticky se neobjeví. Další možností je použití servomotorů. Ozubené hřebeny tříd C5 a C7 se až na vzácné výjimky vyrábějí v krátkých úsecích o délce cca 1000 mm a spojují se speciálním způsobem pro sestavení stroje.

4. Výběr převodového stupně pro stroj Výběr převodového stupně pro stroj by měl být založen na těch vlastnostech, které jsou pro váš stroj nejdůležitější. Převody šroub-matice se používají tam, kde nejsou vysoké požadavky na přesnost a rychlost pohybu, pokud je od převodovky vyžadováno samobrzdění, tak i v případě přísných rozpočtových omezení. Kuličkové šrouby mají nejširší rozsah použití, můžete si koupit kuličkové šrouby s třídou přesnosti, stoupáním, které potřebujete, se schopností vytvořit předpětí nebo bez něj. Jediným případem, kdy nelze použít kuličkový šroub, je nutnost samobrzdění převodovky, pokud však mluvíme o brzdění převodovky z bezpečnostních důvodů (přidržení hlavy vřetena), pak je problém vyřešen použitím elektromagnetického brzda na motoru, protizávaží atd. Hřeben a pás se používají u strojů s velkou pracovní plochou – od 1.5 m0.2 a více – především pro dosažení vysokých řezných rychlostí a volnoběžných pohybů. Na strojích této velikosti není cílem dosahovat přesnosti v řádu desítek mikronů, ve většině případů je 0.3-XNUMX mm více než dostačující, takže roztažnost řemene a přesnost ozubeného hřebenu nejsou překážkou. k jejich použití. Pokud tedy máte velký řezací stroj, prvními kandidáty na zvážení bude hřebenový a řemenový pohon. Pokud máte stolní frézku a gravírovací stroj pro vzdělávací nebo hobby účely, je pro vás vhodný převod šroub-matice. Pokud stavíte středoformátový stroj pro podnikání, pro výrobu, kuličkový šroub by byl nejlepší volbou. Po výběru typu byste se měli rozhodnout pro konkrétní parametry převodovky.