Коллектив авторов
Большая энциклопедия техники

Полная версия

Шарнирные муфты

Шарнирные муфты – устройство, предназначенное для соединения валов с пересекающимися осями, содержащее также несколько цилиндрических подвижных пар. В некоторых механических системах применяется шарнирный четырехзвенный механизм (его также называют коротко-шарнирный четырехзвенник). Такой шарнирный механизм включает в себя три подвижных звена и стойку, т. е. неподвижное звено.

Шарнирный механизм

Шарнирный механизм – механизм, имеющий в своей конструкции один или несколько шарниров в виде звеньев – вращательных пар. Шарнирные механизмы подразделяются на:

  1) двухзвенные (самые простые);

  2) трехзвенные;

  3) четырехзвенные.

Четырехзвенные шарнирные механизмы в механических системах применяются очень часто, к ним относятся:

  1) кривошипно-коромысловый механизм;

  2) двухкривошипный механизм;

  3) двухкоромысловый механизм.

В состав кривошипно-коромыслового механизма входят: кривошип (вращающееся звено шарнирного механизма) и коромысло. Кривошипно-коромысловый механизм предназначен для преобразования вращательного движения кривошипа в качательное движение коромысла или наоборот, качательного движения коромысла во вращательное движение кривошипа. Двухкривошипный механизм представляет собой шарнирный четырехзвенный механизм, в который входят два кривошипа. Данный механизм служит для передачи и преобразования вращательного движения. При вращении первого кривошипа движение через шатун передается второму кривошипу, при этом за один оборот первого кривошипа второй кривошип совершает также один оборот. Кроме того, углу поворота данного кривошипа соответствует угол поворота другого кривошипа. Двухкоромысловый механизм функционирует как шарнирный четырехзвенный механизм, в состав которого входят два коромысла. Такой механизм служит для преобразования качательного движения одного коромысла в качательное движение другого коромысла. Первое коромысло взаимодействует со вторым коромыслом посредством шатуна, при этом каждому значению угла поворота первого коромысла (кроме крайних положений этого коромысла) соответствуют два значения угла поворота второго коромысла, и наоборот – каждому значению (кроме крайних положений второго коромысла) соответствуют два значения угла поворота. Функция положения двухкоромыслового механизма имеет замкнутую форму и может быть реализована только при задании определенного направления при переходе звеньев через «мертвые» точки.

Шатун

Шатун – звено рычажного механизма, образующее кинематические пары только с подвижными звеньями. Шатун выполняют в виде одной или нескольких жестко соединенных между собой деталей. Обычно шатун имеет отверстия, цапфы, направляющие – элементы кинематических пар, посредством которых он взаимодействует с другими звеньями. Шатун может быть соединен с тремя подвижными звеньями посредством двух вращательных пар. Кроме того, возможны и другие сочетания элементов кинематических пар, например, в коромыслово-кулисном мханизме коромысло и кулиса взаимодействуют посредством шатуна. Такой механизм служит для преобразования качательного движения входного звена (коромысла или кулисы) в качательное движение входного звена (другой кулисы или коромысла). Другой пример применения двух шатунов – механизм косилки сельскохозяйственной машины. В данном примере через первый шатун, рычаг и второй шатун движение звеньев от привода преобразуется в возвратно-поступательное движение ножа, срезающего траву.

Шатун также является важной составной частью кривошипно-ползунного механизма, в котором он шарнирно соединен с ползуном и кривошипом. В процессе работы такого механизма крайние точки хода ползуна получаются в том случае, когда центры шарниров кривошипа и шатуна располагаются на одной линии.

В кулачково-мальтийском механизме шатун является важным подвижным элементом, имеющим зацепление посредством цевки с выходным звеном.

В указанном механизме шатун движется относительно кулисы возвратнопоступательно вследствие его взаимодействия с неподвижным кулачком. Применяют кулачково-мальтийский механизм в станках-автоматах и автоматических линиях.

Шевронное колесо

Шевронное колесо (шевронное зубчатое колесо) представляет собой цилиндрическое зубчатое колесо, венец которого по ширине состоит из участков с правыми и левыми зубьями.

Часть венца шевронного колеса, в пределах которого линии зубьев имеют одно направление, называют полушевроном.

Шевронное колесо используют в специальной шевронной цилиндрической передаче, которая относится к тяжело нагруженной передаче.

Шестерня

Шестерня – зубчатое колесо с меньшим числом зубьев по сравнению с другим зацепляющимся с ним зубчатым колесом.

Шестерни в сочетании с зубчатыми колесами широко применяются в различных механических системах, в том числе в токарно-винторезных станках (в частности, в коробках скоростей и коробках подач) и других станках и машинах.

Шестерня является важным составным элементом в таких механизмах, как:

  1) параллелограммно-реечном, предназначенном для получения прерывистого однонаправленного вращения выходного звена в виде шестерни при непрерывном однонаправленном вращении входного звена – кривошипа. В таком механизме шестерня совершает прерывистое движение;

  2) поворот-стол станка, где шестерня взаимодействует с зубчатым сектором, при этом от шестерни движение передается столу через зубчатую пару, а при отключении шестерни от зубчатого сектора стол станка останавливается;

  3) поворотный механизм – устройство для углового перемещения одной части какой-либо машины (транспортной, землеройной, грузоподъемной и др.) относительно другой. В указанном механизме (полноповоротном) шестерня является важным выходным звеном редуктора, взаимодействующим с зубчатым колесом, установленным на раме машины (например, полноповоротного ковшового экскаватора); шестерня, обегая зубчатое колесо, поворачивает платформу, на которой базируется главная часть машины;

  4) реверсивный, где в трех вариантах исполнения данного механизма с автоматическим переключением используются шестерни: в первом варианте две шестерни взаимодействуют с внутренними и внешними венцами; во втором варианте коническая шестерня обкатывается по коническому венцу с одной и другой стороны; в третьем варианте одна шестерня является очень важным входным звеном, а другая поочередно зацепляется с внешним или внутренним венцом, при этом вращается соответственно в ту или иную сторону.

Таким образом, из приведенных выше примеров видно, что шестерня является очень важным элементом различных механизмов и устройств. Из специальных исследований работы шестерен получен такой вывод: чем большую твердость имеют зубья у шестерен, тем большую нагрузку выдерживает соответствующая передача. Для изготовления шестерен используют специальные легированные стали, в частности: 50С2Г, нормализованная сталь 35 ХГС, 25Х2 ГНТА, 12Х2 НУА, 38ХВФЮА-С и др. При изготовлении шестерен сталь (или другой материал) подбирается с учетом особенностей режима работы механизма или устройства, в котором они будут установлены.

Для механизмов слабонагруженных, но работающих в агрессивной среде, для изготовления шестерен используются такие пластмассы, как капролон и фторопласт, обладающие не только химстойкостью, но и высокой прочностью.

Шип вала

Шип вала является аналогом цапфы, выполняется в виде выступа на валу и предназначен в основном для восприятия радиальной нагрузки. Кроме того, шипы на валах устраивают для увеличения прочности в местах, испытывающих значительные нагрузки на изгиб или излом.

Шкив (от голл. schijf) – колесо с широким ободом, охватываемым ремнем или канатом (или транспортерной резинотканевой лентой). Шкив – такое же древнее изобретение человечества, как и колесо: с появлением колеса появились и шкивы, которые на разных языках народов мира назывались по-разному. Мореплаватели-голландцы, ходившие в далекие путешествия по морям и океанам, называли колесо шкивом, потому что оно применялось в больших количествах на парусных судах, где оно выполняло важную функцию при креплении парусов и различных грузов с помощью пеньковых канатов. На этих же судах имелись и лебедки для подъема самых различных грузов, начиная от мешков с сахаром и кончая пушками. Шкивы разных видов и размеров широко применяются в современных подъемных механизмах и машинах. Например, в лебедке двухскоростной, устанавливаемой в системе подъема и опускания лифтов – пассажирских и грузовых, применяются два шкива – канатоведущий и шкив тормоза. Другой пример – механизм литцекрутильной машины, где пучок проволок токопроводящих жил перемещается путем вращения тягового шкива. С этим же шкивом посредством зубчатой пары связан счетчик длины скрученной жилы электрического кабеля. Практически во всех подъемных механизмах, предназначенных для преимущественно вертикального перемещения различных грузов, применяется канатоведущий шкив (в частности, в автомобильных и гусеничных подъемных кранах различной грузоподъемности – от 3 до 50 т и более). (Примечание: канатоведущий шкив в грузоподъемных механизмах – это шкив с направляющими канавками, охватываемый канатами (или тросами) и передающий им тяговое усилие благодаря силам трения между поверхностью канавок и канатом.) Используют такие шкивы также и в шахтных подъемных машинах.

Шлицевое соединение

Шлицевое соединение, зубчатое соединение, пазовое соединение – подвижное или неподвижное соединение двух деталей, имеющих пазы и выступы (выступы одной детали входят в пазы другой).

В различных механизмах применяют преимущественно прямобочное шлицевое соединение. В некоторых малонагруженных механизмах применяются такие шлицевые соединения, как:

  1) эвольвентное;

  2) мелкозубое треугольное.

Для обеспечения концентричности деталей шлицевого соединения их центрируют по:

  1) внешнему диаметру;

  2) внутреннему диаметру;

  3) боковым поверхностям зубьев.

Шнек

Шнек (от нем. Schnecke) – (то же, что винтовой транспортер) – транспортер, предназначенный для непрерывного транспортирования насыпных грузов, обычно в горизонтальной плоскости и с наклоном до 20°.

Шнек выполняется в двух вариантах:

  1) для крутонаклонного транспортирования;

  2) для вертикального транспортирования.

Шнек представляет собой полый внутри цилиндр (металлический, стальной) с винтовой поверхностью, помещенный в металлический стальной желоб.

Перемещение какого-либо сыпучего груза в желобе происходит при вращении шнека-винта.

Шнек широко используется на предприятиях стройиндустрии, на тепловых электростанциях, работающих на угле, и др.

Шнек изготавливают диаметрами от 100 до 800 мм.

Частота вращения шнека изменяется от 6 до 300 об/мин.

Шнек преимущественно используется в сельскохозяйственных машинах.

Шпилька

Шпилька (в технике) – металлический стальной стержень небольших размеров (по длине и диаметру) с резьбой на обоих концах, предназначен для крепления каких-либо деталей в механизмах, машинах, оборудовании, специальных разъемных приспособлениях. Крепление деталей с помощью шпильки осуществляется путем навинчивания гаек с обеих сторон, с предварительной установкой двух или более шайб (на концах шпильки).

Шпиндель

Шпиндель (от нем. Spindle, в буквальном переводе – «веретено») – важный рабочий орган какого-либо металлорежущего станка, передающий вращение обрабатываемой заготовке или детали. Шпинделем также называется вал прокатного стана – оборудования металлургического производства; такой вал передает вращение от двигателя к валкам, по которым осуществляется перемещение металлических стальных полос или шестигранников и др. Шпиндель токарно-винторезного станка представляет собой массивный пустотелый вал, изготовленный из легированной высокопрочной стали. На переднем конце шпинделя выполнен посадочный конус, на котором базируются патроны двух-, трех– или четырехкулачковые, предназначенные для закрепления обрабатываемых заготовок или деталей. С переднего конца шпиндель указанного станка расточен на стандартный конус Морзе № 6. В конической расточке шпинделя устанавливаются передний центр или специальные приспособления (токарные) в виде оправки. Шпиндель токарно-винторезного станка фиксируется на двух опорах качения: передняя – регулируемый двухрядный роликовый подшипник с роликами и внутренними коническими кольцами; задняя – радиально упорный подшипник с постоянным натягом, который обеспечивают пружины, упирающиеся в диск и отжимающие наружное кольцо роликоподшипника. Шпиндель токарно-винторезного станка размещается внутри так называемой передней бабки и связан с коробкой скоростей, регулирующей скорость вращения шпинделя. В современных токарных станках-автоматах, имеющих систему автоматического управления в виде УЧПУ с компьютером, крепление шпинделя и регулирование его скорости вращения выполнено по упрощенной схеме в связи с применением такого привода, как реверсивный электродвигатель. На современных станках-автоматах шпинделей устанавливается несколько: от двух до шести, при этом одни устанавливаются горизонтально, а другие вертикально, в зависимости от вида обрабатываемых заготовок или деталей. Соответственно количеству шпинделей в станках-автоматах в качестве приводов столько же применяется реверсивных электродвигателей. Таким образом, шпиндель является очень важной составной частью различных станков и прокатных станов, обеспечивая их необходимый уровень функционирования.

Шплинт

Шплинт (от нем. Splint) – металлический стальной стержень, вставляемый в отверстия деталей винтового или иного вида соединения и служащий для предотвращения самоотвинчивания гаек. Шплинты изготавливаются из мягкой прутковой стали марки Ст 0 / 10, имеют небольшую длину и диаметр. На метизных производствах шплинты изготавливаются согласно действующим техническим регламентам (ранее были советские государственные стандарты или отраслевые нормали – автомобильные, тракторные, авиационные и др.). Шплинт имеет следующий вид: после установки в отверстие детали «усики» шплинта обязательно раздвигаются, с тем чтобы он не выпал из отверстия. Шплинты имеют минимальную длину в 30 мм, диаметр 5 мм (общий или по 2,5 мм у каждой половинки), а максимальную 10 мм, диаметр 10 мм (т. е. по 5 мм у каждой половинки). При индивидуальном изготовлении на каком-либо транспортном или ремонтном предприятии шплинты могут изготавливаться и больших размеров из стального мягкого прутка.

Впервые шплинты появились на обычных повозках и телегах еще в Средние века – их изготавливали в кузницах и устанавливали в отверстия осей телег и повозок. В настоящее время шплинты применяются не только в автомобилях, тракторах, комбайнах, но также в некоторых соединениях деталей железнодорожных вагонов (грузовых и пассажирских).

Штифт

Штифт (от нем. Stift) – цилиндрический или конический металлический стальной стержень, используемый в различных механических системах (механизмах, машинах, оборудовании для неподвижного соединения двух деталей).

Штифты, например, применяются в дисковых управляемых соединительных муфтах (т. е. в цепных), в которых большие диски присоединяются к корпусу муфты радиально расположенными штифтами (в основном в однодисковых и двухдисковых муфтах). На штифты в годы существования Советского Союза в станкостроительной промышленности была введена нормаль станкостроения под номером Р95 «Элементы срезных муфт» (аналог отраслевого стандарта – ОСТа). По указанному документу были нормализованы срезные штифты предохранительных муфт для срезывающих (т. е. разрушающих) сил, имеющих значения от 70 до 3300 кг. Такие предохранительные муфты разъединяют валы при возрастании крутящего момента или скорости вращения выше допустимого значения. В последнем менее распространенном случае применяются нормально замкнутые центробежные самоуправляемые муфты, снабженные срезными штифтами (т. е. при предельных значениях скоростей или крутящего момента штифты срезаются и соответственно соединение муфты размыкается, что способствует предупреждению разрушения валов и механизма в целом). Срезным штифтам, устанавливаемым в предохранительных муфтах, придают при их изготовлении постепенно уменьшающийся угол подъема и закругленную вершину. Расположение штифтов в предохранительных муфтах осевое или радиальное, при этом их количество может быть от двух до четырехшести.

Как показали специальные исследования, применение нескольких штифтов менее надежно относительно неодинакового распределения между ними нагрузки, но более выгодно в смысле уравновешенности радиальных сил, действующих на валы (соединяемые муфтой).

Шток

Шток (от нем. Stock, в буквальном переводе – «палка», «ствол») – цилиндрический металлический стальной стержень, соединенный с поршнем и расположенный вдоль цилиндра. Шток широко применяется в таких распространенных устройствах, как:

  1) гидроцилиндры;

  2) пневмоцилиндры;

  3) гидрораспределители;

  4) пневмораспределители;

  5) демпферы и др.

(Примечание: демпфер – устройство для успокоения (демпфирования) или предотвращения вредных механических колебаний звеньев машин или каких-либо механизмов путем поглощения энергии.) Например, в одном из вариантов выполнения демпфера при колебаниях штока с поршнем, помещенным в неподвижный цилиндр. Жидкость гидравлическая (специальная) перетекает через канал поочередно из одной полости в другую, при этом соответственно гасятся механические колебания. В гидроцилиндрах шток применяется в таком важном устройстве, как замок (этот замок выполняется в виде устройства, предотвращающего относительное продольное перемещение звеньев гидроцилиндра в их положениях). В первом варианте замка шток в конце хода фиксируется относительно цилиндра шариком, входящим в канавку указанного цилиндра. Во втором варианте замка гидроцилиндра на штоке и втулке выполнены продольные пазы и выступы. В зависимости от углового положения втулки выступы штока могут либо свободно перемещаться между выступами втулки, либо упираются в них. В частности, в конце хода штока выступы свободно перемещаются в крайнее правое положение, а затем разворачивают втулку таким образом, что их обратный ход невозможен. В результате исключается осевое перемещение деталей замка, т. е. обеспечивается соответственно предотвращение относительного продольного перемещения звеньев гидроцилиндра. Шток является очень важной составной частью привода качательных движений, установленного между двумя шарнирно соединенными звеньями и обеспечивающего их относительный поворот. В указанном приводе используются гидроцилиндры, причем в трех вариантах: первый вариант – гидроцилиндр через шток соединен с гибкой связью звеньев; второй вариант – шток гидроцилиндра связан с реечной передачей привода; третий вариант – шток гидроцилиндра привода взаимодействует с шарнирным механизмом.

В современных механических автоматизированных системах машиностроительных производств широко применяется автооператор – устройство, обеспечивающее загрузку ориентированных заготовок в зону обработки и съем обработанных деталей. В данном устройстве также применяется гидроцилиндр со штоком, причем привод обеспечивается перемещением цилиндра относительно штока. В процессе работы автооператора поворот штока вместе со всеми соединенными звеньями осуществляется посредством гидроцилиндра, взаимодействующего со штоком через шатун. Приведенные примеры применения штока в различных устройствах и механизмах составляют весьма незначительную часть от всех случаев использования штока как важной составной части.

Эвольвентное зацепление

Эвольвентное зацепление – определяется в механике как зубчатое зацепление, выполненное с использованием сопряженных зубьев, профиль которых идентичен эвольвенте. (Примечание: эвольвента (от лат. evolvens – «развертывающий») представляет собой кривую, геометрическим местом центров кривизны которой является другая кривая, называемая эволютой.)

Зацепления с эвольвентными зубьями были предложены известным ученым-математиком Л. Эйлером в середине XVIII в., а стали широко использоваться в различных механических системах только в конце XIX – начале ХХ вв. после того, как был предложен эффективный способ нарезания зубьев. (Примечание: эвольвентный зуб – зуб металлического стального колеса (зубчатого), профиль которого очерчен по эвольвенте.) Ввиду того что нормаль к эвольвенте всегда касается основной окружности, то общая нормаль NN к сопряженным профилям касается обеих основных окружностей в точках А и В. Эта же нормаль, в соответствии с основной теоремой зацепления, проходит через полюс «Р». Очевидно, что эта нормаль при вращении круглых колес сохраняет неизменным свое положение.

При ведущем колесе и определенном направлении его угловой скорости точка контакта «К» перемещается в направлении v_K по линии «АВ», которая представляет собой линию зацепления. Таким образом, в эвольвентном зацеплении имеет место прямая линия зацепления. Угол между линией зацепления и перпендикуляром ХХ к линии О₁О₂ называется углом зацепления и обозначается α_w, причем он равен углам АО₁Р и ВО₁Р. Угол зацепления равен углу давления в полюсе зацепления и характеризует направление силы, действующей со стороны одного колеса на другое. Радиусы начальных и основных окружностей связаны следующими зависимостями:

Rw₁ = Rв₁ / cos α_w , Rw₂ = Rв₂ / cos α_w .

Поэтому для эвольвентного зацепления:

a_w = (Rв₁ + Rв₂) / cos α_w , i ₁₂ = (Rw₂ / Rw₁) = (Rв₂ / Rв₁).

Это означает, что передаточное отношение однозначно определяется отношением радиусов основных окружностей.

В связи с этим, если, например, при неизменных Re₁ и Re₂ изменить межосевое расстояние a_w, то изменятся радиусы Rw₁ и Rw₂ и угол α_w, а останется тем же. Это свойство эвольвентного зацепления свидетельствует о том, что при погрешностях расположения осей с сохранением их параллельности передаточное отношение остается постоянным.