Самоустанавливаемость винтовых механизмов

Самоустанавливающиеся механизмы - это механизмы без избыточных (пассивных) связей. Они статически определимы, что дает возможность расширить допуски на изготовление и снизить тем самым их себестоимость, повысить надёжность работы, точность расчёта и т. п.

Теория статически определимых механизмов изучается давно. Л.Н. Решетов развил многие направления в этом вопросе и впервые систематизировал этот раздел курса теории механизмов [43].

Схема самоустанавливающего винтового механизма

Рис. 2.24. Схема самоустанавливающего винтового механизма: а-с неподвижной направляющей; б- с подвижной направляющей

На рис. 2.24, а показан винтовой механизм, преобразующий вращение винта 1 в поступательное движение гайки 2 по направляющей 3. В этом случае все кинематические пары пятиподвижные.

Для определения числа избыточных связей q пользуемся формулой

где со - степень подвижности механизма; п - число подвижных звеньев; рх - число одноподвижных кинематических пар; р2 - число двухподвижных кинематических пар; ръ - число трехподвижных кинематических пар; рА - число четырёхподвижных кинематических пар; р5 - число пятиподвижных кинематических пар.

У винтового механизма, изображенного на рис. 2.24, б; п =2; р5 = 3; со = 1, а число избыточных связей

Как устранить избыточные связи и каковы они?

Рассмотрим метод С.А. Попова [46], согласно которому надо исследовать процесс сборки механизма и оценить возможность сборки последней кинематической пары в контуре механизма. Такой парой будет соединение винта / с гайкой 2. При попытке соединить их в кинематическую пару возможно несовпадение осей винта и гайки и наличие угла между их осями. Чтобы не допустить этого, необходимо осуществить два линейных перемещения (по двум осям) и два угловых. В этом случае четыре избыточные связи будут устранены и механизм можно собрать. Однако в процессе эксплуатации этот недостаток конструкции скажется, так как избыточные связи способствуют дополнительным деформациям звеньев, повышенному трению и изнашиванию.

Рассмотрим структурную формулу О.Г. Озола, которая определяет число избыточных связей q через степень подвижности со, число контуров к и сумму подвижностей кинематических пар / [43]:

где / = +2р4 + 3р}+4р2=5р1.

Одновинтовые механизмы являются одноконтурными (к= 1). Находим сумму подвижностей кинематических пар /, при которой /= 1 + 6 = 7, если со = 1. В механизме, изображенном на рис. 2.24, а, всего три подвижности (3 пары V класса). Следовательно, необходимо так изменить конструкцию, чтобы число подвижностей увеличилось до 7. Конструкция соединения направляющей 3 с гайкой 2 на рис. 2.24, а может быть выполнена в виде кинематической пары II класса, имеющей 4 подвижности (2 поступательные и 2 вращательные). Кроме этого, в механизме имеются 2 подвижности в парах V класса (винтовая пара и опора). Общее число подвижностей (/=6) меньше требуемого, тогда остаётся одна избыточная связь (<7= 1). В данном случае схему можно считать достаточно надёжной, так как оставшаяся избыточная связь ограничивает поворот звена 3 отно- сильно звена 2 в плоскости XOZ (т. е. вращение относительно оси У). Благодаря наличию зазоров и возможности вращения гайки относительно винта эта избыточная связь практически не влияет на работу механизма. Такое решение не требует для ликвидации избыточной связи переделывать опоры и винтовую пару, т. е. самоустанавливаемость достигается не в ущерб прочности, жёсткости и простоте конструкции.

Модификация той же схемы показана на рис. 2.24, 6. В этом механизме нет высших пар, поэтому давления будут низкими, износоустойчивость повышена. Отличие этой схемы от рассмотренной выше состоит в том, что направляющая 3 имеет прямоугольное сечение и соединена со стойкой при помощи шарнира, что обеспечивает подвижность 1.

Для винтовых механизмов с отдельно выполненными направляющими возможны варианты без избыточных связей [43], показанные на рис. 2.25. Во всех случаях обеспечивается 7 подвижностей. Направляющая выполнена в виде плоскости, по которой движется гайка- ползун, образуя с этой плоскостью пару V класса. Эта пара и винтовая пара вместе дают 2 подвижности. На остальные пары приходится 5 подвижностей. Возможные варианты конструкции при выполнении всех пар V класса показаны на рис. 2.25, а, ж. Если применить одну сферическую пару III класса, то для получения необходимых подвижностей достаточно включить дополнительно две пары V класса (рис. 2.25, б).

Кинематические схемы самоустанавливающихся механизмов

Рис. 2.25. Кинематические схемы самоустанавливающихся механизмов

Возможно применение двух цилиндрических пар IV класса. В этом случае соединение винта со стойкой осуществляется через пару V класса (рис. 2.25, в). Эта схема достаточно проста для конструктивного выполнения. Можно использовать две сферические пары со штифтом, принадлежащие к IV классу. Тогда получаем схему, показанную на рис. 2.25, г. Она используется в слесарных тисках (с непараллельным движением губок) с заменой поступательной пары V класса вращательной парой V класса. На рис. 2.25, д изображена схема винтового механизма с одной сферической парой III класса и одной сферической парой со штифтом IV класса. Схема механизма, изображенная на рис. 2.25, е, имеет одну лишнюю подвижность, так как состоит из двух пар III класса и двух пар V класса (/=1 + 1+ 3 + 3 = 8). Это указывает на местную подвижность - вращение прокладки между винтом и ползуном. Такая схема не создает изгибающего момента на винте. Встречается она в прессах, в которых винт работает на продольный изгиб.

Самоустанавливающая плавающая гайка

Рис. 2.26. Самоустанавливающая плавающая гайка

На рис. 2.25 показаны кинематические схемы самоустанавливаю- щихся винтовых механизмов. Для создания конструкции требуется решить ряд задач конструктивного оформления основных узлов механизма. Рассмотрим некоторые решения. На рис. 2.26 показано конструктивное решение, аналогом которого является схема на рис. 2.25, ж. Плавающая гайка 1 соединена двумя радиальными пальцами 2 с кольцом 3, которое, в свою очередь, соединено двумя радиальными пальцами 4 с левым концом втулки 5. Двумя радиальными пальцами 8 правый конец втулки 5 соединен с кольцом 7, которое двумя радиальными пальцами также соединено с ползуном 6. Пальцы фиксированы от осевых перемещений пружинными разрезными кольцами 10. На схеме сечения А-А видно, что радиальные пальцы установлены в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Такая конструкция гайки позволяет компенсировать неточности изготовления и установки винтового соединения. Недостатками являются сравнительно небольшая жёсткость и прочность гайки, ограниченные соединениями пальцев с соответствующими втулками.

На рис. 2.27 изображена самоустанавливающаяся плавающая гайка, нагрузочная способность которой не ограничена прочностью звеньев, обеспечивающих отсутствие избыточных связей.

Гайка имеет основание /, в котором находится резьбовой элемент 2, входящий в винтовую пару с винтом 3. Основание гайки выполнено в виде втулки прямоугольного сечения, снабжённой в средней части фланцами и сквозным окном. Втулка установлена с зазорами в перемещаемом корпусе 5 и закреплена крышкой 6. Резьбовой элемент 2 прямоугольного (квадратного) сечения выполнен по размерам окна основания 1, при этом высота вкладыша меньше высоты втулки, что обеспечивает зазоры между резьбовым элементом, корпусом и крышкой.

Самоустанавливающаяся плавающая гайка

Рис. 2.27. Самоустанавливающаяся плавающая гайка

/4

Во время работы винтовой передачи устраняются избыточные связи благодаря зазорам, обеспечивающим перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях,. Теоретически эта конструкция не позволяет резьбовому элементу вращаться относительно каких-либо осей, но наличие зазоров даст возможность винтовой парс с прямоугольной резьбой освободиться по крайней мере от двух избыточных связей - двух взаимно перпендикулярных радиальных перемещений. Опыт эксплуатации механизмов, выполненных по схеме (рис. 2.27), подтвердил это.

Винтовая пара (соединение винта с гайкой) является статически неопределимой конструкцией, что обусловлено наличием нескольких витков резьбы в связи с неравномерным распределением нагрузки. Рассмотрим некоторые конструктивные решения, направленные на более равномерное распределение нагрузки между витками резьбы для увеличения грузоподъёмности винтовых пар, особенно с трением качения, так как пары с трением скольжения достаточно хорошо прирабатываются и нагрузка быстро выравнивается.

На рис. 2.28 показана винтовая передача с механизмом для выравнивания нагрузки. Передача имеет винт 1 и две гайки 2, 8 с цапфами 9, 13. Гайки соединены между собой двухзвенниками 3, 12 и б, 10. Эти звенья имеют пальцы 5,11. Между гайками расположена траверса 4 с поперечными пазами. Траверса соединяется гайками скользящей шпонкой 7. При строгом соблюдении номинальных размеров и минимальных зазоров в шарнирах передача обеспечивает относительно равномерное распределение нагрузки между двумя гайками.

Принцип равноплечего рычага используется для выравнивания нагрузки между гайками. На рис. 2.29 показан механизм, содержащий винт 1 и гайки 2, 3 с шариками. Осевое усилие гаек передаётся вилке 6 через равноплечий рычаг 4,8 с шаровыми шарнирами 5, 7. Если во время работы передачи осевое усилие одной гайки окажется больше усилия другой, рычаги немного повернутся и произойдёт выравнивание усилий. При конструировании такой передачи необходимо точно выдерживать равноплечие рычага 4,8 и одинаковую жёсткость цилиндрических участков гаек.

Винтовой механизм с выравнивателем нагрузки

Рис. 2.28. Винтовой механизм с выравнивателем нагрузки

Шариковинтовой механизм с выравненной нагрузкой

Рис. 2.29. Шариковинтовой механизм с выравненной нагрузкой

В винтовых подъёмниках с машинным приводом исключать избыточные связи необходимо без снижения прочности деталей, входящих в состав механизма.

Самоустанавливающие подъёмники

Рис. 2.30. Самоустанавливающие подъёмники

Двухвинтовой подъёмник (рис. 2.30, а) имеет две степени подвижности (со = 2) и приводится в движение двумя независимыми двигателями, каждый из которых вращает свой винт. Гайки подъёмных винтов нельзя соединять с платформой жёстко, так как это потребует идеально горизонтального положения платформы при её движении. Если одну гайку соединить вращательной парой V класса, а другую - одной вращательной парой V класса и цилиндрической IV класса, то число избыточных связей cj - со-бп + 5р5 + 4р4 = 2 - 6-6 + 5-6 + 41 = 0. Такой механизм может применяться и в тех случаях, когда кроме подъёма нужно наклонять платформу.

В трёхвинтовом подъёмнике (рис. 2.30, б), применение которого целесообразно при большой платформе и необходимости ее поворота вокруг двух осей, число ступеней подвижности возрастает до трёх. В этом механизме все гайки следует соединять с платформой при помощи вращательных пар V класса и цилиндрических пар IV класса. В результате получим д=3 -6-10 + 5-9 + 4-3 = 0.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >