Механизмы мальтийского креста

Механизмы мальтийского креста (рис. 6.12) являются, по существу, разновидностью кулисных механизмов (см. рис. 6.10, в). Роль кулисы выполняют по очереди пазы 1 мальтийского креста 2, а роль ползуна – цевка 4.

Рис. 6.12. Механизм мальтийского креста:

1 – паз; 2 – крест; 3 – кривошип; 4 – цевка

Непрерывно вращающийся кривошип 3 своей цевкой 4 входит в паз креста и поворачивает его на угол Dj = 2p/z, где z = 3…20 – число пазов креста. Затем цевка выходит из паза, и крест останавливается до момента входа цевки в следующий паз. После выхода цевки из паза крест оказывается «на свободе» и может самопроизвольно повернуться. Для предотвращения самопроизвольного поворота в механизм встраивается фиксатор. Обычно (но не всегда) фиксатор выполняется в виде неполного диска 5, входящего в дугообразные вырезы креста на время его "выстоя".

Таким образом, крест и приводимые им в движение детали совершают периодические (шаговые) повороты. Времена поворота и выстоя креста определяются скоростью вращения кривошипа и числом пазов креста. Движение креста, как кулисы, является неравномерным – с разгоном и торможением.

Передаточное отношение механизма мальтийского креста u ¹ const. Также и КПД механизма h ¹ const. Примерный вид графиков j = f₁(a), = f₂(a),, = f₃(a), где j – угол поворота креста, a – угол поворота кривошипа, приведен на рис. 6.13.

Максимальная угловая скорость креста равна

, (6.22)

где w₁ – скорость вращения кривошипа;

(см. рис. 6.12).

Рис. 6.13. Перемещение, скорость и ускорение мальтийского креста

Максимальное угловое ускорение креста

(6.23)

где

(6.24)

В начале и конце поворота креста имеют место скачки ускорения и, как следствие «мягкие» удары, вызывающие дополнительные динамические нагрузки в механизме.

Длины кривошипа R = O₁A и стойки L = О₁О₂ связаны зависимостью R = Lsin(p/z). Истинные размеры звеньев механизма выбираются исходя из: соображений компоновки, нагрузок в звеньях и шарнирах механизма, жесткости и точности механизма и др.

Механизм мальтийского креста широко применяется в транспортирующих устройствах технологических машин и линий, обеспечивая шаговое перемещение с плавным разгоном и торможением. На рис. 6.14, а изображена схема привода цепного линейного транспортера, а на рис. 6.14, б – схема привода кругового транспортирующего устройства – карусели.

а б

Рис. 6.14. Привод транспортирующего устройства:

а – линейного, б – кругового;

1 – цепной транспортер; 2 – мальтийский крест; 3 – кривошип; 4 – карусель;
5, 6 – зубчатая передача

Кривошип 3 мальтийского механизма закреплен на выходном валу редуктора P. Мальтийский крест в схеме а поворачивает звездочки цепного транспортера, а в схеме б поворачивает шестерню 6 зубчатой передачи. Передача позволяет изменить шаг поворота карусели по сравнению с шагом, определяемым числом пазов креста. Шаг поворота карусели, в этом случае, будет

(6.25)

где u – передаточное отношение зубчатой передачи.

В технологических машинах время выстоя транспортера используется для выполнения какой-либо операции – это рабочее время t_p, а время движения – это потери времени, холостое время t_x, поэтому стремятся увеличить t_p и уменьшить t_x.

Если кривошип мальтийского механизма, вращается с постоянной скоростью w₁ = const, то угол поворота кривошипа a_п (см. рис. 6.12), соответствующий повороту креста на один шаг

(6.26)

Угол поворота кривошипа a_в, когда крест стоит

(6.27)

Время поворота креста

(6.28)

Время выстоя креста

(6.29)

Отношение времени поворота и выстоя

(6.30)

Из этой формулы следует: чем меньше пазов у креста, тем больше полезное время выстоя креста по сравнению со временем его движения. Однако с уменьшением числа пазов усиливается «мягкий» удар, поэтому кресты с числом пазов z < 4 не делают. При z = 4 K = 1/3. Это предельное для механизма мальтийского креста соотношение времен поворота и выстоя.

Храповые механизмы

Храповый механизм передает движение только в одну сторону и, соответственно, позволяет превратить колебательные движения какого-либо звена механизма в однонаправленные шаговые перемещения. Например, толкатель 1 кулачкового механизма (рис. 6.15) совершает возвратно-качательное движение.

Рис. 6.15. Храповый механизм с приводом от кулачка:

1 – толкатель; 2 – рычаг; 3, 6 – собачка; 4 – пружина; 5 – храповое колесо

На рычаге 2, жестко связанном с толкателем, закреплена шарнирно собачка 3. Собачка поджимается пружиной 4 к храповому колесу 5 и входит в зацепление с зубьями этого колеса. При повороте рычага 2 против часовой стрелки, собачка поворачивает храповик 5, при движении рычага 2 в обратную сторону собачка выходит из зацепления с зубом храповика и храповик остается на месте. Угол поворота храповика на один шаг определяется числом z его зубьев (впадин) Dj = 2p/z.

Для гарантированного попадания собачки в следующую впадину при обратном ходе рычага, угол качания рычага должен быть немного больше угла Dj. Фиксация храпового колеса после завершения его поворота осуществляется различного рода тормозами и фиксаторами. Например, для исключения обратного хода храповика и связанных с ним деталей вводят вторую собачку 6, сидящую на неподвижной оси.

Качательное движение рычага 2 может быть реализовано не только кулачковым механизмом, но и другими механизмами, например, показанными на рис. 6.10. а, в или рис. 6.11.

Довольно часто в машинах применяются линейные храповые механизмы (рис. 6.16). Здесь, храповую рейку 1 толкает подпружиненная собачка 2. Собачку возвратно-поступательно перемещает цилиндр 3. Собачка 4 препятствует обратному ходу храповой рейки.

Рис. 6.16. Линейный храповый механизм:

1 – храповая рейка; 2, 4 – подпружиненная собачка; 3 – цилиндр

Храповой механизм не изменяет закон движения исполнительного звена, который задан кулачком или рычажным механизмом. Передаточное отношение храпового механизма u = 1.

Силовой расчет храпового механизма сводится к определению контактных напряжений в паре зуб-собачка и определению давлений в шарнирах. Передача сил от собачки на зуб храповика наиболее благоприятна при малых углах g между нормалью к грани зуба и линией, соединяющей середину зуба с центром шарнира собачки (рис. 6.16). Но при слишком малых углах g есть опасность выхода собачки из зацепления. Поэтому, рекомендуется выбирать g = 15...20°. Как и в других, ранее рассмотренных механизмах, выбор размеров храповика, собачки и других деталей храпового механизма определяется множеством факторов, главный из них – компоновка.

Храповые устройства относительно просты и дешевы в изготовлении, широко применяются в различных приводах шаговых подач, например в линейных и карусельных транспортерах, в перекладчиках грузов, а также в грузоподъемных устройствах и в велосипедах в качестве обгонных муфт. В отличие от механизмов мальтийского креста, механизмы с храповым устройством не имеют жестких ограничений по соотношению времен движения и выстоя. Однако при работе храповых устройств неизбежны «жесткие» (скачок скорости) и «мягкие» (скачок ускорения) удары, а также шум. Поэтому в высокоскоростных приводах храповые устройства не применяются.

Редукторы и мультипликаторы

Редукторы и мультипликаторы предназначены для преобразования движения по скорости (угловой или линейной) и по усилию (моменту или силе). Редукторы и мультипликаторы могут быть вращательные — входное и выходное звено (вал) вращаются, поступательные — входное и выходное звено движутся поступательно и с различным движением звеньев. В последнем случае редуктор дополнительно выполняет функцию преобразования вида движения.

Редукторы

Вращательные редукторы чаще всего выполняются на основе зубчатых передач. Их и различают по виду передач: цилиндрические, конические, червячные, планетарные, волновые. Каждый вид редукторов имеет свои особенности: цилиндрический редуктор имеет высокий КПД, входной и выходной валы у него параллельны; конический редуктор также имеет высокий КПД, и позволяет передать движение через скрещивающиеся валы; червячный редуктор обеспечивает высокую плавность движения, имеет малые габариты, валы у него взаимно перпендикулярны; планетарный редуктор, как и червячный, компактен, входной и выходной валы у него, как правило, соосны; волновой редуктор имеет большое передаточное отношение при малых габаритах, отличается отсутствием геометрического люфта в зацеплении, валы у него соосны. Конечно, каждый тип редуктора имеет свои недостатки, ограничивающие его применение. Например, червячный редуктор. У него пониженный КПД, он требует хорошей смазки и охлаждения, у него ограничена скорость вращения входного вала. При однозаходном червяке, редуктор обладает свойством самоторможения, поэтому, его нельзя применять, если, в процессе движения, момент на выходном валу меняет свой знак (например, при торможении) и может оказаться больше допустимого по условию прочности деталей редуктора. У всех редукторов передаточное отношение

(6.31)

где w_вх, j_вх– скорость и угол поворота входного вала редуктора;

w_вых, j_вых – скорость и угол поворота выходного вала редуктора.

Соответственно, скорость выходного вала

(6.32)

Угол поворота выходного вала

(6.33)

Момент на выходном валу

(6.34)

где М_вх – момент на входном валу;

h – КПД редуктора.

КПД редуктора зависит от его типа и величины нагрузки. С уменьшением нагрузки КПД падает. У редукторов с низким КПД и большим передаточным отношением наблюдается самоторможение, приводящее к ударам при реверсе крутящего момента на выходном валу редуктора.

При выборе редуктора по каталогу надо знать номинальную мощность и частоту вращения приводного двигателя, частоту вращения выходного вала редуктора, вращающий момент на выходном валу и эксплуатационный коэффициент нагрузки. Эксплуатационный коэффициент зависит от времени работы редуктора в течение суток, количества включений в сутки и инерции приводимых редуктором механизмов. При большом, приведенном к валу редуктора, моменте инерции возможна значительная ударная нагрузка на редуктор и, соответственно высокий эксплуатационный коэффициент. С помощью эксплуатационного коэффициента учитывают также тепловое состояние редуктора − температуру окружающей среды и относительную продолжительность включения редуктора. Полученный эксплуатационный коэффициент должен быть меньше приведенного в каталоге для каждого конкретного редуктора. В управляемом приводе, при обеспечении плавных пусков и торможений, эксплуатационный коэффициент может быть значительно снижен.

Редукция в поступательном движении может быть обеспечена самыми разными механизмами: клиновыми, рычажными, цепными, на основе зубчатых реек и шестерен и т.п. Простейшим редуктором может служить обыкновенный полиспаст (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Полиспаст

Передаточное отношение полиспаста u = v_вх/v_вых = s_вх/s_вых равно числу ветвей полиспаста n. В изображенном на рис. 6.17 полиспасте
u = n = 4. Другой часто используемый редуктор − клиновой механизм изображен на рис. 6.18. При малых углах a передаточное отношение может быть очень большим. Здесь u = s_вх/s_вых = ctg a.

Рис. 6.18. Клиновой механизм

Редукторы с преобразованием вида движения, как и поступательные редукторы, строятся на основе различных механизмов. Часто используется редуктор на основе пары винт-гайка (рис. 6.19). Его передаточное отношение u = w_вх/v_вых = j_вх/s_вых = 2p/t, где t – шаг винта.

Рис. 6.19. Редуктор на основе пары винт-гайка

При однозаходном винте с малым шагом, передаточное отношение такого редуктора может быть достаточно большим. Винт, в этом случае можно соединить напрямую с двигателем. А если в качестве винтовой пары использовать ШВП или РВП, получим редуктор без люфтов, высокой точности и жесткости и с высоким КПД.

Мультипликаторы

Мультипликаторы, как и редукторы, преобразуют движение по скорости и усилию. В отличие от редукторов, мультипликаторы имеют передаточное отношение u < 1, т. е. мультипликаторы повышают скорость выходного звена относительно входного, увеличивают перемещение выходного звена и уменьшают усилие на выходном звене. Как и редукторы, мультипликаторы могут быть вращательными, поступательными и с преобразованием вида движения. Вращательные мультипликаторы строятся, в основном, на зубчатых передачах и, прежде всего, на цилиндрических зубчатых колесах. Фактически, это обращенные редукторы, в которых вход и выход поменялись местами. КПД мультипликаторов существенно ниже КПД редукторов и, чтобы избежать самоторможения, в мультипликаторах используют передачи с минимальным трением.

Поступательные мультипликаторы часто используются в телескопических подъемных механизмах (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Телескопический подъемный механизм:

1 – рабочий орган (например, вилы погрузчика); 2 – телескопические рамы; 3 – цепи или тросы; 4 – направляющая; 5 – гидроцилиндр

Передаточное отношение такого механизма

(6.35)

где n – число ветвей цепных или тросовых передач.

В механизме, показанном на рис. 6.20, n = 4, 1/n = 0,25.

Перемещение на выходе

Сила на выходе без учета трения в механизме

Мультипликатор с преобразованием вида движения изображен на рис. 6.21. Он построен на зубчатых передачах рейка-шестерня. Применяются такие мультипликаторы, например, в телескопических платформах.

Рис. 6.21. Мультипликатор с преобразованием вида движения:

1 – ведущая шестерня, 2 – промежуточная рейка, 3 – неподвижная рейка,
4 – промежуточная шестерня, 5 – выходная рейка

Передаточное отношение этого механизма

(6.36)

где u_1-2 – передаточное отношение передачи шестерня-рейка (шестерня – 1, рейка – 2),

u_2-5 – передаточное отношение передачи рейка-рейка (рейка – 2,
рейка – 5),