Механическая передача энергии в машинах

Передача энергии - это процесс, необходимый почти для каждого механизма. От крошечных моторчиков в выдвижных селфи-камерах до Большого адронного коллайдера - передача энергии требуется повсюду.

Существует четыре основных типа передачи энергии - механическая, электрическая, гидравлическая и пневматическая. В этой статье мы узнаем о механической передаче энергии, ее типах, плюсах и минусах каждого типа.

Оглавление

I Что такое механическая передача энергии?

II Типы механической передачи энергии

III Выбор правильного метода передачи энергии

IV Заключение

Что такое механическая передача энергии?

Передача механической энергии это механизм созданный для передаче энергии (физического движения) от одного компонента машины к другому. Большинству машин требуется механическая передача энергии в той или иной форме. Общие примеры включают электробритвы, водяные насосы, турбины и автомобили.

В большинстве случаев вращательное движение первичного двигателя преобразуется во вращательное движение ведомого механизма. Однако скорость, крутящий момент и направление могут измениться.

Иногда механизымы передачи энергии могут преобразовывать вращательное движение в поступательное (движение вперед и назад) в зависимости от функциональных требований. Такое изменение может быть выполнено с помощью рычажных механизмов или других элементов машины.

Типы механической передачи энергии

Различные элементы машин могут передавать мощность между валами машин. Наиболее распространенные методы передачи механической энергии, используемые сегодня в машиностроении:

• Муфты валов
• Цепные приводы
• Зубчатые передачи
• Ременные передачи
• Силовые винты

Муфты валов

Муфты валов соединяют два вала и передают между ними крутящий момент. Валы могут быть прямыми, пересекающимися, но не параллельными, или непересекающимися и непараллельными. Чтобы удовлетворить потребности различных областей применения и условий, существуют муфты различных типов и размеров .

В основном, все типы муфт вала можно разделить на два типа - жесткие и гибкие. Жесткие муфты не допускают относительного движения между валами, в отличие от гибких муфт. Следовательно, гибкие муфты могут выдерживать некоторую несоосность валов.

Некоторые муфты, например муфты с разъемной муфтой, можно закреплять на валах, не перемещая их. Напротив, для большинства других требуется перемещение вала для установки / снятия.

Преимущества

• Муфты валов - элементы машин, не требующие особого обслуживания.
• Они могут поглощать удары и вибрацию
• Они могут справиться с радиальным и осевым перекосом.
• Обеспечивают теплоизоляцию
• Доступны не требующие обслуживания конструкции с постоянной смазкой.

Недостатки

• Муфты валов нельзя использовать для непересекающихся параллельных валов.
• Жесткие муфты могут повредить вал, если возникнет несоосность.
• Люфт может развиваться в течение срока службы, подвергая муфты, подшипники и компоненты привода дополнительным нагрузкам.
• Некоторые муфты со временем могут ослабнуть, что приведет к повреждению компонентов привода.

Ременные передачи (приводы)

Ременные передачи - довольно распространенны в промышленности. Система ременного привода состоит из двух шкивов и ремня (или троса). Ремень плотно облегает оба шкива и передает мощность от ведущего вала к ведомому валу за счет трения. Ременный привод одинаково хорошо работает как на низких, так и на очень высоких скоростях и, таким образом, находит применение в высокоскоростных устройствах, таких как воздушные компрессоры.

Как и в другие приводах, существует множество конструкций ременных приводов, которые отлично подходят для конкретных применений. Ремни могут приводить в действие несколько параллельных шкивов и при необходимости изменять скорость. Они также могут в определенной степени поглощать ударные нагрузки, защищая другие детали привода. Оба шкива вращаются в одном направлении, если только это не поперечно-ременный привод . Ремни в ременных передачах бывают трех основных типов - плоские, клиновые и зубчатые.е

Плоские ремни отлично подходят для универсального применения с требованиями к крутящему моменту от низкого до среднего. Типичные области применения: измельчители, сепараторы, роликовые конвейеры, вентиляторы, водяные турбины и т. д. Плоские ремни реверсивны и могут передавать мощность с обеих сторон. В плоских ремнях отсутствует эффект заклинивания. Это делает потери энергии незначительными, а механический КПД может превышать 98%. Он достаточно хорошо справляется с пылью и грязью и, следовательно, имеет более длительный срок службы по сравнению с другими альтернативами.

Клиновые ремни лучше подходят для среднего и высокого крутящего момента. Клиновый ремень имеет канавки на внутренней поверхности, которые входят в клинья на шкивах. Ведущий вал тянет ремень за канавки, а другой конец - за ведомый шкив. Такая операция вызывает потери из-за заклинивания, что, по сути, снижает эффективность клинового ремня. Клиновые ремни не справляются с пылью и грязью,по сравнению с плоскими ремни.

Зубчатый ремень , также известный как ремень ГРМ, имеет зубцы на внутренней поверхности ремня, которые подходят для зубчатых шкивов или звездочек. Этот ременной привод используется для передачи и синхронизации большой мощности. Зубчатые ремни используются в двигателях автомобилей и мотоциклов для приведения в действие распредвалов.

Преимущества

• Ременные приводы более доступны по цене, чем другие приводы, благодаря низкой стоимости компонентов и высокой эффективности.
• Они могут передавать энергию на большие расстояния
• Более плавная и тихая работа по сравнению с цепными приводами
• Они могут поглощать удары и вибрации
• Ременный привод обеспечивает некоторую защиту от перегрузки за счет проскальзывания ремня.
• Легкие и относительно прочные
• Низкие эксплуатационные расходы

Недостатки

• Проскальзывание ремня может изменять соотношение скоростей
• Короткий срок службы при неправильном обслуживании
• Конечный диапазон скоростей
• Они создают большую нагрузку на подшипники и валы.
• Чтобы компенсировать износ и растяжение, им нужен натяжной шкив или регулировка межосевого расстояния.

Цепные приводы

Цепные приводы используются для передачи энергии между двумя компонентами, находящимися на большем расстоянии. Эти приводы состоят из роликовой цепи и двух или более звездочек. Зубья ведущей звездочки входят в зацепление с роликовой цепью и передают крутящий момент на ведомую звездочку. Цепи обычно используются для передачи энергии в велосипедах и мотоциклах, но они также довольно распространены в промышленных машинах.

Цепной привод может поместиться в ограниченном пространстве за счет использования промежуточных звездочек. Цепные приводы также используются в механизмах, где время имеет решающее значение, и любая задержка, вызванная проскальзыванием, может привести к проблемам. Вот почему они используются в морских дизельных двигателях в качестве приводных цепей для передачи мощности от коленчатого вала к распределительному валу. Распределительный вал управляет выпускным клапаном и синхронизацией впрыска топлива. Если возникнет рассинхронизация , двигатель пострадает.

Преимущества

• Цепной привод более компактен, чем ременной привод, и может поместиться в относительно ограниченном пространстве.
• Он может передавать крутящий момент на большие расстояния
• В отличие от ременных передач, цепные передачи не проскальзывают.
• Один цепной привод может приводить в действие несколько валов одновременно
• Обладает высокой механической эффективностью благодаря небольшому трению.
• Цепной привод может работать в любых условиях эксплуатации (сухая, влажная, абразивная, коррозионная и т. д.) и при высоких температурах.

Недостатки

• Они шумные, а также могут вызывать вибрацию.
• Цепной привод не может работать с непараллельными валами
• Некоторые конструкции требуют постоянной смазки
• Несоосность может привести к соскальзыванию цепи.
• Цепной привод обычно требует корпуса.
• Требуется приспособление для натяжения цепи в виде натяжной промежуточной звездочки.

Зубчатые передачи

В зубчатых передачах используются шестерни для движения и передачи мощности от одного вала к другому. Они состоят из ведущей шестерни (на первичном валу) и ведомой шестерни (на вторичном валу). Передача мощности от источника питания к нагрузке происходит через зацепление зубьев шестерни. Благодаря множеству доступных дизайнов, они могут работать в различных направлениях и механизмах.

Зубчатый привод может выдерживать более высокие нагрузки по сравнению с цепным приводом, но подходит только для коротких расстояний, поскольку шестерни должны находиться в прямом контакте друг с другом. Использование нескольких передач в зубчатой передаче позволяет при необходимости изменять передаточное отношение, скорость вращения, крутящий момент и направление. Однако слишком много шестерен в одной системе снизит механический КПД.

Зубчатые передачи не проскальзывают, но со временем могут образоваться люфты. Люфт - это зазор между двумя зубьями зубчатой передачи на делительной окружности. При более низких выходах это может привести только к некоторым незначительным ошибкам в расчетах. Но при более высоких выходных мощностях люфт вызовет вибрацию всей зубчатой передачи. Иногда это может даже вызвать повреждение зубьев шестерни.

Преимущества

• Подходит для передачи высокой механической мощности
• Шестерни прочные и имеют длительный срок службы.
• Компактная установка
• Шестерни обладают высоким КПД и не скользят

Недостатки

• Не подходит при больших расстояниях между валами, требуется прямое соединение
• Склонны к вибрации и шуму
• Металлические шестерни тяжелые и увеличивают вес машины.
• Они не предлагают никакой гибкости
• Они требуют смазки
• Ударные нагрузки могут повредить шестерни.
• Дороже других приводов (цепных, ременных и т. Д.)
• Зубчатые передачи требуют точной центровки

Силовые винты

Силовые винты - это винты, которые либо передают, либо принимают мощность. Они отличаются от винтовых креплений, которые используются для создания временных соединений в машинах. Силовой винт состоит из винта и гайки, которые сцепляются друг с другом для передачи мощности.

В некоторых случаях гайка неподвижна, в то время как винт перемещается для передачи усилия (винтовой домкрат и тиски). В остальных случаях источником питания является гайка, а винт неподвижен (ходовой винт токарного станка).

Силовые винты в процессе эксплуатации подвергаются значительным осевым, горизонтальным и вертикальным нагрузкам. Они должны иметь достаточную прочность и опорную поверхность, чтобы противостоять им.

Силовые винты можно увидеть в действии в винтовых домкратах, токарных станках, тисках, механических прессах и т. д. Они используют тот же принцип, что и винтовые зажимы, для преобразования вращательного движения в линейное движение, чтобы уменьшить усилия, необходимые для выполнения работы. Чем ниже шаг, тем легче поднимать, перемещать или затягивать предметы с помощью силовых винтов. Наиболее распространенный профиль резьбы для силовых винтов - это квадратная резьба, за которой следуют резьба с трапециевидной и контрольной резьбой.

Преимущества

• Силовые винты дешевы и надежны, так как в них всего несколько деталей.
• Некоторые силовые винты обладают самоблокирующимися свойствами.
• Практически не требует обслуживания
• Способны поднимать тяжелые грузы
• Плавная и тихая работа
• Винты с малым шагом могут давать высокую точность, которая жизненно важна для станков (микрометр работает по тому же принципу)

Недостатки

• Высокая степень износа по сравнению с другими методами передачи механической энергии
• Силовые винты имеют низкий КПД
• Не подходит для механических трансмиссий с очень высоким крутящим моментом.

Выбор правильного метода передачи энергии

Выбор правильного метода передачи энергии для инженера конструктора может быть непростым. Из приведенных выше данных ясно, что у каждого типа есть свои плюсы и минусы по сравнению с другим. Различия могут быть очень очевидными в одних областях, но тонкими в других.

В этом разделе мы рассмотрим пять важных аспектов механической передачи мощности, которые помогут вам выбрать правильный метод для вашего приложения:

• Угол между валами
• Расстояние между источником и нагрузкой
• Крутящий момент
• Температура
• Проблемы с обслуживанием

Угол между валами

Валы могут быть параллельными, пересекающимися, непараллельными, но пересекающимися или непараллельными, непересекающимися. Некоторые механические трансмиссии требуют отсутствия относительного движения между валами (например, зубчатые, цепные и ременные передачи). Напротив, другие могут справиться с незначительными перекосами (например, гибкие муфты вала).

Расстояние между источником и нагрузкой

Расстояние между источником энергии и нагрузкой может еще больше сузить выбор. При значительном расстоянии между валами лучше использовать ременную или цепную передачу. Для коротких расстояний больше подходят муфты валов и зубчатые передачи.

Крутящий момент

Для приложений с высоким крутящим моментом можно использовать цепные приводы, поскольку ременные передачи могут проскальзывать. С другой стороны, для низкого крутящего момента лучше подходят плоские ременные передачи и силовые винты.

Температура

Такие материалы, как резина и синтетические компаунды, несовместимы с высокотемпературными средами. Если из таких материалов изготовить ремни ременных приводов, они быстро начнут изнашиваться.

Альтернативы, такие как цепные и зубчатые передачи, лучше подходят для высоких температур, поскольку они могут быстро адаптироваться к такой среде и работать эффективно. Такие системы также могут работать с методами охлаждения масла . То же масло, которое охлаждает двигатель, можно использовать для смазки привода. С другой стороны, масляное охлаждение резины невозможно, так как это приведет к разрушению материала.

Проблемы с обслуживанием

Вопросы технического обслуживания, такие как натяжение, скорость износа, центровка и смазка, могут помочь инженеру определить подходящий метод передачи механической энергии для конкретного механизма.

Заключение

Методы механической передачи энергии гарантируют, что нагрузка получит необходимую мощность безопасно и эффективно. В разных отраслях промышленности используются разные продукты для передачи механической энергии, а иногда и их комбинация для удовлетворения своих потребностей.

Иногда для одного и того же приложения может подходить более одного метода. Все сводится к сравнению плюсов и минусов каждой альтернативы, чтобы определить наиболее подходящий вариант механической передачи энергии для вашей конструкции.