Разработка и исследование зубчатых эксцентриковых подшипников и механизмов, построенных на их базе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Курасов, Дмитрий Алексеевич

• Курасов, Дмитрий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Курасов, Дмитрий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕХАНИЗМЫ, СОВМЕЩАЮЩИЕ ФУНКЦИИ РЕДУКЦИИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ, И ДРУГИЕ АНАЛОГИ ЗЭП СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Зубчато-рычажные механизмы и методы их исследования.

1.2. Фрикционные эксцентриковые подшипники.

1.3. Фрикционные механизмы с замкнутыми системами тел качения (ЗСТК).

1.4. Зубчатые подшипники.

1.5. Выводы по главе.

2. ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕНТРОИДНОЙ ПАРЫ.

2.1. Беззарное прямозубое эвольвентное зацепление.

2.2. Зацепление Новикова.

2.3. Сочетание зубчатых зацеплений и дорожек качения.

2.4. Выводы по главе.

3. СТРУКТУРА И КОСТРУКЦИИ ЗЭП.

3.1. Закономерности строения и структурный синтез ЗЭП.

3.2. Выбор структурных схем и разработка принципиальных конструкций ЗЭП.

3.3. Выводы по главе.

4. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЗЭП.

4.1. Условие невыпадения сателлитов.

4.2. Условие сборки ЗЭП.

4.3. Условие соответствия начальных диаметров колёс их расположению.

4.4. Примерный алгоритм геометрического расчёта ЗЭП по условиям сборки.

4.5. Выводы по главе.

5. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЗЭП И МЕХАНИЗМОВ, ПОСТРОЕННЫХ НА ИХ БАЗЕ.

5.1. Кинематические возможности ЗЭП и ЗЭПН.

5.2. Кинематика кривошипно-ползунного механизма с зубчатым эксцентриковым подшипником.

5.3. Модификация закона движения ползуна по принципу сложения двух гармоник.

5.4. Выводы по главе.

6. СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ЗЭП.

6.1. Заменяющий механизм.

6.2. Метод решения задачи силового анализа ЗЭП.

6.3 Определение углов для схемы ЗЭП.

6.4. Метод решения задачи силового анализа для ЗЭПН.

6.5. Алгоритмы и примеры силового расчёта ЗЭП и ЗЭПН.

6.6. Выводы по главе.

7. ВОПРОСЫ ПРОЧНОСТИ, РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ, ИСПЫТАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗЭП.

7.1. Прочность элементов ЗЭП.

7.2. Характерные режимы нагружения и рациональные параметрические соотношения ЗЭП.

7.3. Испытания ЗЭП.

7.4. Перспективы применения ЗЭП.

7.5. Выводы по главе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование зубчатых эксцентриковых подшипников и механизмов, построенных на их базе»

Одним из направлений уменьшения стоимости, упрощения конструкции, снижения металлоёмкости машин является использование элементов, совмещающих в себе несколько функций.

В машиностроении широко распространены механизмы, преобразующие вращательное движение в колебательное (возвратно-поступательное или возвратно-вращательное). Как правило, они используются в сочетании с редуктором. Обычно это рычажные механизмы, содержащие кривошип или эксцентрик, совмещённые с зубчатой или ремённой передачей. Совершенствование таких конструкций может быть достигнуто путём применения одного механизма, соединяющего в себе функции преобразователя и редуктора.

Подобную задачу решают зубчато-рычажные механизмы, но они сложны и громоздки. Более простое конструктивное решение - это фрикционные эксцентриковые подшипники. Однако они имеют серьёзные недостатки: износ сепаратора, ограниченная величина эксцентриситета, обусловленная коэффициентом трения, непостоянство передаточного отношения.

Указанные недостатки эксцентрикового подшипника могут быть устранены заменой фрикционных связей тел качения и колец зубчатыми зацеплениями. Такой механизм будем называть «зубчатый эксцентриковый подшипник» (ЗЭП). Подобный подшипник до настоящего времени не нашёл применения в машиностроении и не был предметом научного изучения. В силу сказанного, исследование структурных, геометрических, кинематических и силовых характеристик этого механизма является актуальной задачей, решение которой позволит существенно упростить конструкцию и удешевить изготовление приводов многих машин, а также расширить их кинематические и функциональные возможности.

Целью диссертации является улучшение кинематических и нагрузочных характеристик эксцентриковых подшипников и изучение технических возможностей механизмов, построенных на их базе.

Исходя из этого, решаются следующие основные задачи:

1) сравнить возможные варианты реализации центроидной пары;

2) исследовать закономерности строения и выполнить синтез рациональных структур ЗЭП;

3) исследовать геометрические условия существования ЗЭП;

4) решить задачу кинематического анализа и изучить кинематические возможности рычажных механизмов, построенных на основе ЗЭП;

5) решить задачу силового анализа ЗЭП;

6) исследовать нагруженность элементов ЗЭП и выявить рациональные параметрические соотношения;

7) произвести экспериментальную проверку работоспособности ЗЭП;

8) определить области возможного применения механизмов, выполненных на базе ЗЭП.

Объект исследования - это зубчатый эксцентриковый подшипник и механизмы, построенные на его базе.

Предмет исследования — геометро-кинематические и нагрузочные характеристики зубчатых эксцентриковых подшипников и механизмов, построенных на их базе.

В ходе выполнения работы применялись следующие методы исследований. Синтез структур ЗЭП производился с использованием комбинаторных методов перечисления графов. В работе использовались аналитические методы кинематического исследования зубчато-рычажных механизмов, классические методы силового анализа рычажных механизмов. Расчёты и решение систем уравнений, полученных в результате исследования, осуществлены с помощью системы компьютерной математики MATHCAD. Достоверность и обоснованность теоретических положений работы подтверждается изготовлением и испытанием работоспособных образцов зубчатых эксцентриковых подшипников.

Научная новизна работы:

- впервые поставлена задача и выполнено комплексное исследование зубчатых эксцентриковых подшипников;

- изучены закономерности строения зубчатой замкнутой системы тел качения (ЗЗСТК), разработана методика структурного синтеза кинематических цепей ЗЭП;

- выведены геометрические условия существования ЗЭП, отличные от аналогичных условий для соосных планетарных передач;

- найден простой и эффективный способ модификации закона движения ведомого звена рычажного механизма по принципу сложения двух гармоник;

- сформулирована теорема о полюсе заменяющего механизма, с использованием которой решена задача силового анализа ЗЭП.

Практическая ценность:

- разработан ряд новых конструкций ЗЭП и передаточных механизмов, построенных на их базе.

- разработана методика инженерного геометрического расчёта ЗЭП.

- разработана методика кинематического расчета рычажных механизмов, построенных на базе ЗЭП.

- разработана методика силового расчёта ЗЭП и выявлены рациональные параметрические соотношения элементов ЗЭП.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры «Детали машин» Курганского государственного университета, на 19-ой Международной Интернет-ориентированной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС пробмаш 2007) (Москва, Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова — 2007 г.), на Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей «Машиноведение и детали машин» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2008 г.), на научно-технической конференции с участием зарубежных представителей «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения» (Ижевск, ИжГТУ - 2008 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Подано 13 заявок на изобретения и полезные модели. По состоянию на октябрь 2008 г. на 6 из них получены патенты, на 6 положительные решения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методы и результаты структурного синтеза ЗЭП.

2. Расчётные зависимости геометрических условий существования и методика геометрического расчёта ЗЭП.

3. Результаты анализа кинематических возможностей рычажных механизмов, построенных на базе ЗЭП.

4. Методика и результаты силового расчёта ЗЭП.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Курасов, Дмитрий Алексеевич

12. Результаты работы приняты к внедрению на предприятиях ЗАО «Курганский машиностроительный завод конвейерного оборудования» и ОАО «СКБМ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Курасов, Дмитрий Алексеевич, 2008 год

1. Карелин B.C. Проектирование рычажных и зубчато-рычажных механизмов Текст. -М.: Машиностроение, 1985. 184 с. : ил.

2. Шашкин А.С. Зубчато-рычажные механизмы Текст.: справочник. — М.: Машиностроение, 1971. 191 с.: ил.

3. Шашкин А.С. Регулируемые зубчато-рычажные и волновые механизмы Текст. Воронеж.: Изд.-во Воронежского университета, 1987. -249 с. : ил.

4. Синенко Е.Г., Абазин Д.Д., Конищева О.В. Кинематика и динамика зубчатого эксцентричного дифференциала Текст. : Технология машиностроения; вып. 9.- М.: Машиностроение, 2008. С. 64-66. - ISNN 1562 - 322Х.

5. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике Текст.: справочное пособие для инженеров, конструкторов и изобретателей ; т. 4: Зубчатые механизмы. 2-е изд., перераб. - М: Наука, 1980. - 592с.

6. Пат. 5.261.364 США, МПК5 F 02 В 75/32. Приспособление для регулирования двухтактного двигателя Текст. / Ландо Балдассини (Италия). № 907,712 ; заявл. 02.07.92 ; опубл. 16.11.93 ; приоритет 04.07.91 ; № F191A0164 (Италия) ;- 4 е., ил.

7. Пат. 5.170.757 США, МКИ5 F 16 Н 21/30. Регулирование мощности выходного вала для поршневого двигателя Текст. / Дамьен Гамаш (Канада). -№ 812,999; заявл. 24.12.91; опубл. 15.12.92 ; 27 е., ил.

8. Пат. 898.373 Германия, МПК F16H21/36; F16H21/00. Кривошипный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот Текст. / Апель Герард Бергедорф (Германия). -заявл. 15.01.49 ; опубл. 30.11.53 ; 4 е., ил.

9. Пат. 799682 Франция, МПК3 F02B41/04; F16H21/30; F02B41/00; F16H21/00. Преобразователь движения Текст. / Э. Маршу (Франция). заявл. 20.03.35 ; опубл. 17.06.36 ; - 8 е., ил.

10. Пат. 4.073.196 США, МПК2 F 16 Н 37/12. Коленчатый вал переменного радиуса Текст. / Дэлл Бэйзил (США). № 714,190 ; заявл. 13.08.76 ; опубл. 14.02.78 ; - 6 е., ил.

11. А. с. 717441 СССР, МКИ5 F 16 Н 1/46. Блочная планетарная передача Текст. / В.Г. Небогин (СССР). № 2653315/25-28 ; заявл. 09.08.78 ; опубл. 25.02.80, Бюл. № 7. - 2 с. : ил.

12. А. с. 629448 СССР, МКИ3 F 16 С 19/22. Радиальный эксцентриковый ролико-подшипник Текст. / М.Ф. Ким Даров.

13. А. с. 314048 СССР, МКИ6 F 16 Н 21/16, F 25 В 9/00. Механизм привода газовой холодильной машины Текст. / И.Х. Карагусов, В.П. Тепляков, Р.В. Карасташевский (СССР). № 1368365/24-6 ; заявл. 17.09.69 ; опубл. 07.09.71, Бюл. № 27. -2с.: ил.

14. А. с. 1237833 СССР, МКИ4 F 16 Н 21/18. Эксцентриковый подшипниковый механизм Текст. / Г.Ю. Волков, А.Ф. Мухин (СССР). № 3838392/25-28 ; заявл. 03.01.85 ; опубл. 15.06.86, Бюл. № 22. - 3 с. : ил.

15. Пат. 1.461.104 Англия, МКИ2 F 16 Н 13/00, F 16 Н 13/04. Роликовая передача Текст. / Е. Краус (США). № 367,194 ; заявл. 05.06.73 ; опубл. 13.01.77 ; приоритет 08.04.74 ; № 15,389/74 (Англия).

16. Пат. 4.481.842 США, МКИ3 F 16 Н 13/06, F 16 Н 13/02. Устройство предельного крутящего момента для передачи Текст. / Бертель С. Нельсон (США).-№ 552,863 ; заявл. 17.11.83 ; опубл. 13.11.84.

17. Пат. 3.945.270 США, МКИ2 F 16 Н 13/14. Фрикционная передача Текст. / Бертель С. Нельсон, Вудроу Д. Нельсон (США). № 550,545 ; заявл. 18.02.75 ; опубл. 23.03.76 ;

18. Пат. 1.093.922 Германия, МКИ2 F 16 С 19/22. Роликоподшипник Текст. / Людвиг М. Дитрих (Германия). № 625,626 ; заявл. 06.05.11 ; опубл. 21.04.14.

19. Пат. 3.380.312 США, МКИ6 F 16 Н 13/00. Фрикционная передача Текст. / Ульрих Макс Вили Барске (ФРГ). № 489,217 ; заявл. 22.09.64 ; опубл. 30.04.68 ; приоритет 24.09.64 ; № 39,030/64 (Англия); НКИ 74-206 ; - 13 е., ил.

20. Пат. 3365254 (США). МКИ3 F16C19/55; F16C19/00. Бессепараторный подшипник качения Текст. / А. Насвитис (США). № 475,780 ; заявл. 29.07.65 ; опубл. 23.01.68.

21. Cageless bearings technology, the standard for the 1980'S. E. Traut. Sample Journal, V 17, № 2.

22. А. с. 846836 СССР, МКИ5 F 16 С 19/20, F 16 С 33/51. Подшипник качения Текст. / A.M. Селезнев (СССР). № 2858192/25-27 ; заявл. 26.12.79 ; опубл. 15.07.81, Бюл. №26.-2 с. : ил.

23. А. с. 846836 СССР, МКИ6 F 16 С 33/38. Пластмассовый сепаратор подшипника Текст. / Р.Н. Подшивалов, А.Ф. Вакжа, С.В. Худеев (СССР). № 871504/25-27 ; заявл. 19.12.63 ; опубл. 11.10.66, Бюл. № 20. - 2 с.: ил.

24. Пат. 4053191 США, МКИ2 F16C19/24; F16C19/40; F16C19/50. Упругие роликоподшипники Текст. / Э. Траут (США). № 308,177 ; заявл. 03.08.75 ; опубл. 11.06.77.

25. А. с. 1581896 СССР, МКИ5 F 16 С 19/20. Подшипник качения / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль, А.В. Бородин (СССР) № 4290776 / 31-27. заявл. 27.07.87 ; опубл. 30.07.90, Бюл. № 28. 3 с. : ил.

26. А. с. 1432297 СССР, МКИ4 F 16 Н 13/08. Фрикционная многопоточная передача Текст. / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль, M.JI. Ерихов, А.В. Бородин, М.Ю. Степанов (СССР). № 4191453/25-28 ; заявл. 04.02.87 ; опубл. 23.10.88, Бюл. № 39. -4с.: ил.

27. А. с. 1610156 СССР, МКИ5 F 16 Н 37/12. Механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное/ Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль (СССР). -№ 4455637/25-28; заявл. 05.07.88 ; опубл. 30.11.90, Бюл. № 44. -2с.: ил.

28. Волков Г.Ю., Крохмаль Н.Н. Закономерности строения фрикционных механизмов, представляющих собой замкнутую систему тел качения Текст. : Известия Вузов ; № 10-12. М.: Машиностроение, 1992 г. - С.52 - 57.

29. Пат. 149302 Германия, МКИ2 F 16 С 19/22. Роликоподшипник Текст. / Стилсон, Бредфорд (США), опубл. 28.11.1902.

30. Артоболевский И.И., Левитский Н.И., Черкудинов С.А. Синтез плоских механизмов, М: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1959 г. 1084 с. : ил.

31. А. с. 8620 СССР, МКИ6 F 16 С 19/22, F 16 С 33/34, F 16 С 33/58. Роликовый подшипник Текст. / Г.С. Долгоруков (СССР). № 19056 ; заявл. 29.08.27 ; опубл. 30.03.29, Бюл. № .-1с.: ил.

32. А.с. 125979 СССР, МКИ6 F 16 С 33/36, F 16 С 33/58. Подшипник качения Текст. / М.Л. Новиков. № 587701/25 ; заявл. 29.08.27 ; опубл. 12.12.1957. Бюл. №3.-2 с.: ил.

33. А.с. 188231 СССР, МКИ6 F 16 С 19/22, F 16 С 33/36, F 16 С 33/58. Роликоподшипник Текст. / Р.В. Федякин, В.А. Чесноков. № 935258/25-27 ; заявл. 15.12.64 ; опубл. 20.10.1966. Бюл. № 21. - 2 с. : ил.

34. А.с. 1548545 СССР, МКИ5 F 16 С 19/22. Роликоподшипник Текст. / В.П. Любимов, А.Н. Митяев, И.-У.В. Рискин, М.М. Бондаренко, В.А. Чесноков. № 4225390/25-27 ; заявл. 08.04.90 ; опубл. 07.03.90. Бюл. № 9. - 3 с. : ил.

35. Курасов Д.А. Зубчатый эксцентриковый подшипник Текст. : тезисы докладов XIX Международной интернет-ориентированной конференции по проблемам машиностроения МИКМУС-2007. (Москва, 5-12 декабря 2007 г.) -Москва: Изд-во ИМАШ РАН, 2007. - С. 60.

36. Пат. 4.485.898 США, МКИ4 В 24 В 23/04. Плоско-шлифовальная машина Текст. / Эрих Прейс (ФРГ). № 92,597 ; заявл. 03.09.87 ; опубл. 11.07.89 ; приоритет 04.09.86 ; № 3630155 (ФРГ); - 5 е., ил.

37. Болотовский И.А. Справочник по геометрическому расчёту эвольвентных зубчатых и червячных передач Текст. М.: Машиностроение, 1986. - 447 с.

38. Заявка № 2007113442 РФ, МПК F 16 С 27/00. Зубчатый подшипник Текст. / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет; заявл. 10.04.2007 ; опубл. 27.10.2008. Бюл. № с. : ил.

39. Заявка № 2007126151 РФ, МПК F 16 С 19/22. Эксцентриковый подшипник качения Текст. / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет; заявл. 09.07.2007, положительное решение от 06.05.2008.

40. Пат. № 73045 РФ, МПК F 16 С 19/22. Эксцентриковый подшипник качения Текст. / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет. 2007126220; заявл. 07.09.2007; опубл. 10.05.2008, Бюл. №13.-1 с. : ил.

41. Заявка № 2007126152 РФ, МПК F 16 С 19/22. Эксцентриковый подшипник качения Текст. / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет; заявл. 09.07.2007 ; положительное решение от 27.06.2008.

42. Заявка № 2007126150 РФ, МПК F 16 С 19/22. Эксцентриковый подшипник качения Текст. / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет; заявл. 09.07.200712, положительное решение от 06.05.2008.

43. Крайнев А. Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.Машиностроение, 1981.-438 с.

44. Волков Г.Ю., Ратманов Э.В., Курасов Д.А. Условие сборки зубчатого эксцентрикового подшипника Текст. : Сборка в приборостроении и машиностроении подшипника; вып. 8. М.: Машиностроение, 2008. - С 3-4.

45. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 12 Текст. СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-576 е.: ил.

46. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи Текст. : изд. 2-е. JL: Машиностроение, 1966. - 308 с. : ил.

47. Волков Г.Ю., Курасов Д.А. Кинематические возможности механизмов, построенных на базе зубчатых эксцентриковых подшипников (ЗЭП) // Вестник Курганского государственного университета. 2008. - Вып. 4. - №3 (13). - С. 58.

48. Волков Г.Ю., Курасов Д.А. Модификация закона движения ползуна кривошипно-ползунного механизма за счёт применения зубчатого эксцентрикового подшипника Текст. : Вестник машиностроения; вып. 5. — М.: Машиностроение, 2008. С. 6-8. - ISNN 0042 - 4633.

49. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин Текст. М.: Наука, 1967.-719 с. : ил.

50. Выготский М.Я. Справочник по высшей математике Текст. М.: ACT, 2005.-991 с. : л.

51. Колчин Н.И. Механика машин. Структура и кинематика механизмов. Геометрический и кинематический анализ и синтез механизмов Текст.; т.1, изд. 2-е перераб. Л.: Машгиз, 1962. - 549с. : ил.

52. Тарг С.М. Краткий курс теретической механики Текст. М.: Высш. Школа, 2006. - 416 с. : ил.

53. Решетов Д.Н. Детали машин Текст. М.: Машиностроение, 1964. - 723 с. : ил.

54. Березовский Ю. Н., Чернилевский Д.В., Петров М.С. Детали машин Текст. М.: Машиностроение, 1983. - 384 с.

55. Машиностроение: энциклопедический справочник ; т. 2. Раздел первый. Инженерные расчёты в машиностроении Текст. / под. ред. А.С. Акопов, И.И. Артоболевский, Н.С. Ачеркан и др. М.: Машгиз, 1948. — 892 с.

56. Беляев А.Е., Оразов К.О., Старухин С.В., Тубольцева С.С. Цилиндрические зубчато-роликовые передачи Текст. Новоуральск: НГТИ, 2002. - 196 с.

57. Подшипники качения. Справочник-каталог / под. ред. В.Н. Нарышкина, Р.В. Коросташевского. М.: Машиностроение, 1984. - 280с., ил.

58. В.В. Гортинский, А.Б. Демский, М.А. Борискин Процессы сепарирования на зерно-перерабатывающих предприятиях Текст. -М.: Колос, 1973, 304 с.

59. Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания Текст. -М.: Машиностроение, 1968. 151 с.

60. Пат. 69178 РФ МПК F 16 Н 21/18. Зубчато-рычажный преобразователь вращательного движения в возвратное / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет. 2007127190; заявл. 16.07.2007; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 48. -1с.: ил.

61. Заявка № 2007127128 РФ, МПК F 16 Н 21/18. Зубчато-рычажный преобразователь вращательного движения в возвратное Текст. / Волков Г.Ю., Курасов. Д.А; Курганский государственный университет; заявл. 16.07.2007.