Научная статья на тему 'Проблема избыточных связей в планетарных зубчатых механизмах и ее разрешение'

Проблема избыточных связей в планетарных зубчатых механизмах и ее разрешение Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
465
68
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
планетарный механизм / избыточные связи / группа звеньев с нулевой подвижностью / epicyclic (planetary) gear train / redundant joints / links group with zero mobility

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Дворников Леонид Трофимович, Дмитриев Виктор Владимирович

Рассматривается появление избыточных связей в многосателлитных планетарных зубчатых механизмах, образованных из четырехзвенного планетарного механизма с одним сателлитом путем добавления дополнительных сателлитов. Каждый дополнительный сателлит уменьшает подвижность исходного механизма на единицу, превращая его в статически неопределимую систему, т. е. в механизм с избыточными связями. Для решения поставленной проблемы предлагается к исходному механизму добавлять не отдельные сателлиты, а группы нулевой подвижности, одно или несколько звеньев из которых будут представлять собой дополнительные сателлиты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Дворников Леонид Трофимович, Дмитриев Виктор Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The occurrence of redundant joints in multi-satellite planetary gear trains formed of four-level planetary gear train with one satellite by adding supplementary satellites has been considered. Each additional satellite decreases mobility of initial mechanism by a unit transforming it into statically undeterminable system, i.e. into mechanisms with redundant joints. In order to solve the problem it is proposed to add to the initial mechanism not separate satellites but groups with zero mobility one or several links represent supplementary satellites.

Текст научной работы на тему «Проблема избыточных связей в планетарных зубчатых механизмах и ее разрешение»

УДК 621.01

ПРОБЛЕМА ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ В ПЛАНЕТАРНЫХ ЗУБЧАТЫХ МЕХАНИЗМАХ И ЕЕ РАЗРЕШЕНИЕ

Л.Т. Дворников, В.В. Дмитриев

Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк E-mail: tmmiok@yandex.ru

Рассматривается появление избыточных связей в многосателлитных планетарных зубчатых механизмах, образованных из четырехзвенного планетарного механизма с одним сателлитом путем добавления дополнительных сателлитов. Каждый дополнительный сателлит уменьшает подвижность исходного механизма на единицу, превращая его в статически неопределимую систему, т. е. в механизм с избыточными связями. Для решения поставленной проблемы предлагается к исходному механизму добавлять не отдельные сателлиты, а группы нулевой подвижности, одно или несколько звеньев из которых будут представлять собой дополнительные сателлиты.

Ключевые слова:

Планетарный механизм, избыточные связи, группа звеньев с нулевой подвижностью.

Key words:

Epicyclic (planetary) gear train, redundant joints, links group with zero mobility.

Проблема устранения избыточных связей в многосателлитных планетарных механизмах имеет для практики исключительное значение, поскольку наличие избыточных связей заставляет механизм работать с принуждением и неизбежно приводит к чрезмерному износу зубьев колес. Последнее обстоятельство является причиной потери зацепления отдельными сателлитами с центральными колесами и, следовательно, к неравномерности распределения нагрузки между сателлитами, к снижению КПД, надежности и срока службы механизмов. Анализ показывает, что избыточные связи в планетарных механизмах возникают еще на этапе их проектирования - при структурном синтезе.

Проследим за причинами появления избыточных связей в плоском четырехзвенном планетарном механизме, структурная схема которого приведена на рис. 1. Этот механизм имеет в своем составе три подвижных звена (n=3) - ведущее центральное колесо - 1, сателлит - 2 и выходное звено - 3, называемое водилом. Звенья механизма между собой связанны пятью кинематическими парами, из которых три пары A, B, C - одноподвижные пятого класса (p5=3) и две пары D и E - двухподвижные четвертого класса (p4=2). Колесо - 4 является неподвижным звеном. С учетом неподвижного звена - стойки, относительно которого рассматривают движение звеньев, такой механизм является четырехзвенным. Подвижность рассматриваемого механизма W может быть определена по формуле П.Л. Чебышева [1]

W = Ъп - 2 p - р4. (1)

где n - число подвижных звеньев; p5, p4 - число кинематических пар соответственно пятого и четвертого классов.

Из (1) следует, что рассматриваемый планетарный механизм имеет подвижность равную W=1, т. е. он является вполне работоспособным, самоу-станавливающимся механизмом, в котором отсут-

ствуют избыточные связи. Недостаток такого планетарного механизма (с одним сателлитом) проявляется в том, что движение сателлита, имеющего смещенную относительно общей оси вращения механизма массу, вызывает дисбаланс сил и, как следствие, инерционные динамические нагрузки. Для устранения дисбаланса сил в четырехзвенный планетарный механизм добавляют один или более сателлитов, которые компенсируют инерционные силы друг друга и уравновешивают весь механизм. Приведенный рис. 2 трехсателлитный планетарный механизм является вполне уравновешенным от действия инерционный сил.

Рис. 1. Схема четырехзвенного планетарного механизма

Однако введение двух дополнительных сателлитов - 5 и 6 привело к изменению числа звеньев и числа кинематических пар. Всего подвижных звеньев стало пять (и=5), кинематических пар пятого класса - пять (р5=5), а пар четвертого класса -шесть (р4=6). При этом подвижность механизма по (1) оказалась равной минус единицы, т. е. он стал системой статически неопределимой, в нем появилось две избыточные связи. Это произошло оттого, что в механизм (рис. 1) были включены дополнительные два звена - 5 и 6, представляющих собой так называемые минус один монады (рис. 3). Каждое из этих звеньев привносит в цепь по одной па-

ре пятого класса (Р5=1) и по две пары четвертого класса (р4=2) и, следовательно, по (1) имеет подвижность Жм=3-1—2-1—1-2=—1. Именно поэтому такое дополнительное звено называют минус один монадой. Общая подвижность механизма станет

(2)

Ж = Ж + п ■ Ж,.

где Ши — подвижность исходного механизма, Жи=1; пд — число добавленных сателлитов.

Рис. 2. Схема трехсателлитного планетарного механизма

Для показанного на рис. 2 трехсателлитного механизма по (2) определяем Ж=1+2-(—1)=-1. Планетарный механизм с пятью сателлитами (широко используемый в практике) будет иметь подвижность Ж=1+4-(—1)=-3. Таким образом, все планетарные механизмы с числом сателлитов более одного становятся статически неопределимыми системами, обладают избыточными связями и могут приводиться в движение с принуждением.

Рис. 3. Дополнительный сателлит

Эта ситуация может быть исправлена, если к од-носателлитному планетарному механизму (рис. 1) добавлять не отдельные сателлиты с подвижностью Ж=—1, а группы звеньев, обладающих нулевой подвижностью (Ж=0), одно или несколько звеньев из которых будут представлять собой дополнительные сателлиты. Так как при добавлении группы нулевой подвижности (ГНП) к любому механизму, подвижность последнего не изменяется, то присоединяя ГНП к четырехзвенному планетарному механизму с Ш=1, получим новый самоустанавливающийся механизм (без избыточных связей).

Поскольку каждый дополнительный сателлит представляет собой одно звено с р5=1 и р4=2, то искомая ГНП должна содержать хотя бы одно такое звено. Наиболее простая ГНП, удовлетворяющая данному требованию, приведена на рис. 4. Она содержит два подвижных звеньев (п=2): дополнительный сателлит — 1 и шатун — 2. Эта группа содержит четыре кинематические пары: р5=2 и р4=2. Следовательно, по (1) подвижность рассматриваемой группы звеньев Ж=0. Заменив два дополнительных сателлита у механизма, приведенного на рис. 3, на двухзвенные ГНП, получим самоустана-вливающийся трехсателлитный планетарный механизм, схема которого представлена на рис. 5. Число подвижных звеньев в данном механизме п=7, число кинематических пар пятого класса р5=7, а четверного класса р4=6, следовательно, по (1) получим подвижность Ж=1, что подтверждает его работоспособность и отсутствие в нем избыточных связей. Новизна показанного на рис. 5 планетарного механизма подтверждена патентом РФ [2].

Рис. 4. Двухзвенная группа нулевой подвижности

Рис. 5. Схема самоустанавливающегося планетарного механизма

Однако в планетарном механизме, показанном на рис. 5, в зависимости от длин шатунов — 7 и 8, связывающих оси, положения сателлитов — 5 и 6 могут оказаться не уравновешенными, и в механизме от сил инерции сателлитов появятся дополнительные динамические нагрузки, возникающие при движении механизма, которые могут стать источниками дополнительных сил трения в кинема-

тических парах, вибраций, дополнительных напряжений в звеньях механизма, причиной шума и т. д.

Для устранения этого недостатка необходимо максимальным образом приблизить центры вращения дополнительных сателлитов — 5 и 6 к центрам вращения связывающих их шатунов с водилом — 7 и 8. Указанное расстояние не может быть нулевым, т. к. в этом случае показанный на рис. 5 механизм вырождается в трехсатиллитный планетарный механизм, рис. 3. Шатуны, связывающие дополнительные сателлиты с водилом, могут быть выполнены в виде эксцентриковых осей с двумя опорными цилиндрическими поверхностями, взаимодействующими соответственно с водилом и сателлитом (рис. 6).

Эксцентриситет эксцентриковых осей позволяет дополнительным сателлитам иметь возможность смещаться в радиальном направлении от неподвижных колес. При этом не должно происходить события, при котором сателлит мог бы выйти из зацепления с ведущим колесом и неподвижным. Этого не произойдет, если эксцентриситет эксцентриковых осей деталей — 7 и 8 будет ограничен по величине. Можно гарантировать, что сателлит не выйдет из зацепления, если принятый эксцентри-

4

Рис. 6. Шатун, выполненный в виде эксцентриковой оси

ситет осей будет более половины модуля зацепления, т. е. половины высоты зуба.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2.

1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Изд. 3-е. —

М.: Наука, 1975. — 640 с., ил.

Пат. 2342573 РФ. МПК8 F16H 1/48. Самоустанавливающийся планетарный механизм / Л.Т Дворников, В.В. Дмитриев, В.С. Бондаренко. Заявл. 11.07.2007; Опубл. 27.12.2008, Бюл. № 36. - 6 с.: ил.

УДК 531.391:518.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ

И.К. Битуев, Б.И. Павлов*

Восточно-Сибирский государственный технологический университет, г. Улан-Удэ *Институт машиноведения РАН, г. Москва E-mail: bitueva_elv@mail.ru

Динамическая модель машинного агрегата рассмотрена на примере привода поворота шпиндельного блока станка. Для передачи движения и усилий в приводе применяются цилиндрическая зубчатая и червячная передачи, мальтийский механизм и планетарный характер движения звеньев.

Рассмотрена и учитывается нелинейная зависимость динамических характеристик мальтийского механизма от угла поворота кривошипа. Осуществляется расчет мощности двигателя, необходимой для поворота ведомого звена мальтийского механизма - шпиндельного блока. Проведена оценка мощности от характера движения шпинделей. Даны рекомендации по уменьшению необходимых усилий.

Ключевые слова:

Механизм периодического поворота, мальтийский механизм, динамическая мощность и динамические нагрузки.

Key words:

Mechanism of the periodic tumbling, maltese mechanism, dynamic power and dynamic loads.

Поворотные устройства применяют в станках-автоматах, агрегатных станках и автоматических линиях различного технологического назначения. Наиболее комплексно работу этих устройств удобно рассматривать в технологическом оборудова-

нии, в которых перемещение обрабатываемых деталей и инструмента с позиции на позицию осуществляется с помощью механизмов периодического поворота. В качестве таковых используют следующие типы механизмов: кулачковый, кулис-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.