12

Лекция 17.

Кинематическое исследование зубчатых и

планетарных механизмов.

Сложные зубчатые механизмы.

Сложными зубчатыми механизмами называются механизмы с зубчатыми передачами с числом зубчатых колес больше двух. Это могут быть механизмы с оригинальными структурными схемами или механизмы, образованные последовательным и (или) параллельным соединением простейших типовых зубчатых механизмов.
Механизмы, в которых кинематические цепи образуют один или несколько замкнутых контуров и в которых входной поток механической мощности в процессе передачи и преобразования делится на несколько потоков, а затем суммируется на выходном звене, называются многопоточными механизмами. Распределение передаваемых усилий по нескольким кинематическим парам уменьшает нагрузку на элементы пар и позволяет существенно уменьшать габаритные размеры и массу механизмов. Многозонный контакт звеньев механизма существенно увеличивает жесткость механизма, а за счет осреднения ошибок и зазоров, уменьшает мертвый ход и кинематическую погрешность механизма. Однако, за счет образования в структуре механизма внутренних контуров, число избыточных связей в механизме увеличивается. Поэтому при изготовлении и сборке механизма необходимо либо повышать точность изготовления деталей, либо увеличивать зазоры в кинематических парах.
Сложные зубчатые механизмы, в которых ось хотя бы одного колеса подвижна, называются планетарными механизмами. К типовым планетарным механизмам относятся:

• однорядный планетарный механизм;

• двухрядный планетарный механизм с одним внешним и одним внутренним зацеплением;

• двухрядный планетарный механизм с двумя внешними зацеплениями;

• двухрядный планетарный механизм с двумя внутренними зацеплениями.

Элементы планетарного механизма имеют специальные названия:

• зубчатое колесо с внешними зубьями, расположенное в центре механизма называется "солнечным";

• колесо с внутренними зубьями называют "короной" или "эпициклом";

• колеса, оси которых подвижны, называют "сателлитами";

• подвижное звено, на котором установлены сателлиты, называют "водилом". Звено водила принято обозначать не цифрой, а латинской буквой h.

В таблице 17.1 приведены структурные схемы типовых планетарных механизмов, а также диапазоны рекомендуемых передаточных отношений и ориентировочные значения КПД при этих передаточных отношениях.

Типовые планетарные механизмы. Табл.17.1

Кинематика рядного зубчатого механизма.

Рядным зубчатым механизмом называется сложный зубчатый механизм с неподвижными осями колес, образованный последовательным соединением нескольких простых зубчатых механизмов. Рассмотрим кинематику рядного механизма составленного из двух зубчатых передач: одной внешнего зацепления и одной внутреннего зацепления. Схема механизма изображена на рис. 17.1.

Рис. 17.1

Напоминание: Для вращательного движения твердого тела относительно оси проходящей через точку А примем для размеров масштаб , мм/м, а для линейных скоростей - масштаб , мм/м^.с-1. Угловая скорость звена i равна

Рис 17.2

Таким образом, при графическом кинематическом анализе, угловая скорость звена равна произведению тангенса угла наклона прямой распределения линейных скоростей на отношение масштабов длин и скоростей.

Аналитическое исследование кинематики рядного механизма.

Из основной теоремы зацепления, для первой пары зубчатых колес с внешним зацеплением, можно записать

для второй пары зубчатых колес с внутренним зацеплением

Передаточное отношение механизма в целом будет равно:

Передаточное отношение сложного рядного зубчатого механизма, образованного из нескольких соединенных последовательно простых зубчатых механизмов равно произведению передаточных отношений этих механизмов.

Графическое исследование кинематики рядного механизма.

Изобразим в масштабе , мм/м, кинематическую схему рядного зубчатого механизма. Нанесем на эту схему линейную скорость точки P₁, изобразив ее в произвольном масштабе , мм/м*с-1 отрезком Р₁Р₁^’ Соединим конец этого отрезка точку Р₁^’ центрами вращения колес 1 и 2 точками 0₁ и 0₂ и получим прямые, определяющие распределение линейных скоростей этих звеньев, для точек лежащих на линии центров. Эти прямые образуют с линией центров соответственно углы ₁ и ₂ . Точка Р₂ является точкой касания начальных окружностей колес 3 и 4. Так как в точке касания начальных окружностей линейные скорости звеньев 2 и 3 равны, а распределение линейных скоростей по линии центров для звена 2 известно, то можно определить отрезок Р₂Р₂^’,который изображает скорость точки Р₂ в масштабе , мм/м*с-1. Соединив прямой точку Р₂^’ с центром вращения звена 3 получим прямую распределения линейных скоростей для точек звена 3, лежащих на линии центров. Угол, который образует эта прямая с линией центров, обозначим ₃ . Угловые скорости звеньев определятся из этой графической расчётной схемы по формулам:

Передаточное отношение, рассматриваемого рядного зубчатого механизма, будет равно:

Формула Виллиса.

Формула Виллиса выводится на основании основной теоремы зацепления и устанавливает соотношение между угловыми скоростями зубчатых колес в планетарном механизме. Рассмотрим простейший планетарный механизм с одним внешним зацеплением (см. рис. 17.3). Число подвижностей в этом механизме равно:

W^пл = 3 n – 2 p₁ – 1 p₂ = 3 3 – 2 3 – 1 1 = 2,

то есть для получения определенности движения звеньев механизма необходимо сообщить независимые движения двум его звеньям. Рассмотрим движение звеньев механизма относительно стойки и относительно водила. Обозначение угловых скоростей звеньев в каждом из рассматриваемых движений приведены в таблице 17.2.

Таблица 17.2

В движении звеньев относительно водила угловые скорости звеньев равны угловым скоростям в движении относительно стойки минус угловая скорость водила. Если в движении относительно стойки ось зубчатого колеса 2 подвижна, то в движении относительно водила оси обоих зубчатых колес неподвижны. Поэтому к движению относительно водила можно применить основную теорему зацепления.

Движение механизма относительно стойки.

Движение механизма относительно водила.

Рис. 17.3

То есть можно записать выражение, которое называется формулой Виллиса для планетарных механизмов

ω^*₂/ω^*₁=(ω₂-ω_h)/(ω₁-ω_h)= - z₁/z₂

Кинематическое исследование типовых планетарных механизмов графическим и аналитическим методами.

1. Двухрядный механизм с одним внутренним и одним внешним зацеплением.

Дано: Кинематическая схема механизма,ω₁, r_i , числа зубьев колес - z_i ;

Определить: Передаточное отношение механизма.

Рис. 17.4

Аналитическое определение передаточного отношения.

В планетарном редукторе, изображенном на рис.17.4 на звене 2 нарезаны два зубчатых венца:

• z₂, который зацепляется с зубчатым венцом z₁ звена 1;

• z₃, который зацепляется с внутренним зубчатыми венцом z₄ звена 3.

По формуле Виллиса отношение угловых скоростей звеньев для внешнего зацепления колес с числами зубьев z₁ и z₂

для внутреннего зацепления колес с числами зубьев z₄ и z₃