Компактность конструкций

При проектировании станка не всегда обращают внимание на компактность, говорят: «Ему не летать». Между тем, компактность, не являясь самоцелью, часто сказывается на важнейших эксплуатационных характеристиках, таких как точность и надежность, и комплексно характеризует уровень разработок. В отдельных случаях при больших размерах обрабатываемой детали очень важно уменьшить занимаемую станком площадь, снизить его массу, т.е. компактность может выступать и как целевая функция. Но даже при неизменных размерах конкретной машины выгодно иметь более компактные отдельные узлы и механизмы, поскольку их рабочие функции в этом случае могут выполняться более эффективно.

Интуитивно конструктор всегда стремится к созданию компактной (как говорят, красивой) конструкции, обеспечивая снижение массы, что влияет на динамические характеристики, металлоемкость, эффективнее используя рабочее пространство, совмещая функции отдельных механизмов и др. Можно оценивать компактность конструкции по следующему:

  • при одинаковых с прототипом размерах она обеспечивает большие жесткость и мощность, имеет лучшие рабочие параметры (например, передаточные отношения, крутящий момент и т.п.);
  • имеет меньшие, по сравнению с прототипом, размеры и массу и гарантирует обработку изделия с требуемыми свойствами.

В табл. 2.22 приведены некоторые (далеко не исчерпывающие) способы улучшения компактности станков и их механизмов. Обычно консольные компоновки (схемы 1) токарно-карусельных, фрезерных и других станков занимают меньшую, на 30...40%, площадь, чем портальные. В узлах и механизмах станков возможность уменьшения размеров в одном или разных направлениях предопределяет, как правило, реализацию того или иного конструктивного решения, когда необходимо «вписаться» в заданное пространство.

Объединение нескольких механизмов в один (схемы 2). Это, кроме уменьшения размеров и массы, часто способствует повышению надежности. На схеме 2 табл. 2.23 и рис. 2.43 это проиллюстрировано в совмещенном приводе главного движения и круговой подачи шпинделя токарного станка (схема 2, I, рис 2.43). Вращение на выходной вал 9 (и далее на шпиндель) передается от входного вала 1 либо через двухскоростную планетарную коробку скоростей 7, либо от волновой передачи 2. При работе в режиме главного привода (с высокой частотой вращения) колесо 8 с внутренним зубом занимает крайнее правое либо крайнее левое (как на рис 2.43) положение. В первом случае коробка скоростей работает как муфта с передаточным числом, равным единице, поскольку зубчатые колеса 12, 11 и 10 замкнуты через венец б. Во втором случае колесо с внутренним зубом 8 становится неподвижным, так как венец б сцепляется с венцом 5 корпуса. Вращение от вала 1 передается на колеса 12 и 11, водило 10 и на ведомый вал 9 (реализуется передаточное число 4...5).

При работе в режиме привода подачи подвижное зубчатое колесо 8 устанавливается в среднее положение и происходит расцепление колес 10 и 8, 5 и 6. Диск 4 перемешается влево, и зубчатые муфты 3 и 13 сцепляют входной вал 1 с генератором волн 15, а венец 14 волнового редуктора - с диском 4. Вращение передается от вала 1 к муфте 13 и через генератор 15, гибкое колесо 2, муфту 3, диск 4, водило 10 на выходной вал 9. В этом случае передаточное число может достигать 100 и даже более.

При традиционном решении имеются, как правило, два автономных двигателя для главного движения и подачи, коробки скоростей и подач, переключающие, блокировочные устройства, что существенно менее компактно. Другим примером объединения механизмов является совмещение устройства переключения скоростей и рабочего вала коробки передач (схема г, II). В этом случае вал 1 выполняют подвижным в осевом направлении, и он перемещается гидроцилиндром 2, осуществляя переключение скоростей.

Компактность конструкций

 

Компактность конструкций

 

Компактность конструкций

Параллельная нередача сил (схемы 3). Это достигается, например, с помощью двух червячных колес или двумя гидроцилиндрами. Распределение нагрузки между колесами 1 и 2 (схема I) зависит от погрешности червячных передач и от жесткости элементов, передающих нагрузку. В схеме II сила на поршне удваивается. В этом случае достигается сокращение радиальных размеров по сравнению с традиционным устройством, имеющим один поршень. Снижение массы и размеров передач достигается за счет повышения рабочих скоростей. Но при этом увеличивается износ, растет температура и усложняются требования к приводу.

Использование многопоточных одновременно работающих передач (схемы 4). Этот метод позволяет решить задачу повышения компактности весьма эффективно. В схеме I в качестве многопоточных передач выступают три сателлита I, установленные на водиле 2 планетарного редуктора. В схеме II уменьшение радиальных размеров редуктора происходит благодаря применению шевронной передачи, одно из колес 1 которой может перемещаться вдоль оси (при возникновении неодинаковых сил зацепления в полушевронах) и осуществлять равномерную передачу момента обоими полушевронами. Примеры реализации этого принципа даны на рис. 1.35, б; 2,43 и 2.61, а.

Применение многоконтактных механизмов (схемы 5). Это гарантирует уменьшение размеров по сравнению с мало-, одноконтактными при одних и тех же силовых параметрах. В волновой передаче вследствие большого числа одновременно работающих зубьев гибкого колеса 1 (схема I) происходит передача большого крутящего момента. На рис. 2.44 показана схема волнового редуктора, предназначенного для передачи большого крутящего момента с передаточным отношением около 100. От вала I двигателя движение передается через волновой редуктор 2 на электромагнитную зубчатую муфту 3 и далее на выходное зубчатое колесо 4.

Компактность конструкций

В зубчатой муфте (схема II) одновременная работа зубьев I обеспечивается их точным изготовлением. Многие механизмы с большой редукцией (винтовые, червячные передачи, червяк-рейка, зубчатые передачи с внутренним зубом) функционируют как многоконтактные и благодаря этому передают значительные нагрузки.

Реализация одинаковых или подобных функций механизма посредством одного элемента (схемы б). «Связанные колеса» 1 и 4 коробки подач (схема 1) взаимодействуют с блоками зубчатых колес 2 и 3, расположенными на разных валах. В обычной схеме зубчатые колеса блоков 2 и 3 зацепляются каждое со своим колесом, что требует установки на среднем валу четырех колес. При применении «связанных» колес их число сокращается до трех (схема а) или до двух (схема б), что уменьшает осевой размер L коробки. В традиционной схеме L > 8b, при одной «связанной» передаче L > 7b, а при двух «связанных» колесах L> 4b (где 6 - ширина зубчатого колеса). В гидростатической опоре (схемы II) уплотняющие дросселирующие щели 1 и 2 радиального подшипника служат дросселями упорных 3 и 4 (схема б), что исключает необходимость установки автономных дросселирующих устройств I (схема а).

Рациональная конструктивная схема (схемы 7). Простым изменением конструкции подвижного блока (схемы I) можно добиться сокращения осевого габарита коробки с L > 11b (схема 6) до L > 1b (схема а). Аналогичных результатов достигают при правильном размещении проточки 1 (шириной 6) под вилку, перемещающей блоки зубчатых колес (схемы II). При рациональном размещении проточки (схема б) длина коробки сокращается на величину 6.

Принцип «матрешки» (схемы 8). Он успешно применяется для сокращения размеров, например, в коробках передач (см. рис. 1.35, а и 1.43) или в телескопических устройствах. В коробках скоростей и подач (схема I) установка одного вала 1 внутри другого (полого) 2 позволяет существенно уменьшить, в первую очередь, радиальные размеры, так как при обычной схеме требуется место для размещения третьего вала. В механизме гидроразгрузки ползуна 1 (схема II) обеспечивается компактность в направлении перемещения за счет телескопической установки гидроцилиндров 2 и 3. Одновременно гидроразгрузка, «обезвешивая» ползун, позволяет применять привод с меньшим усилием, а следовательно, с меньшими размерами. Телескопическая защита направляющих и винта, подвод масла к перемещаемому элементу с помощью телескопических труб также являются примерами реализации этого принципа.

Совмещение функций устройств (схемы 9). Гидростатические опоры служат как для вращения шпинделя 1 (схема I), так и для его фиксации, когда в кольцевой карман 2 осевого подшипника прекращается подача масла под давлением. Давление в кармане 3 смещает шпиндель 1 в осевом направлении, и происходит его зажим силами трения. Иногда по давлению в карманах осуществляют контроль нагрузки, и это может служить примером выполнения разнообразных функций одним устройством (гидростатическими опорами). Зубчатое колесо I (схема II) кроме основной функции - передачи момента с вала 2 на вал 3 и изменения частоты вращения — работает как муфта при переключении скоростей (см. рис 1.29). Примерами совмещении функций служат механизмы, показанные на рис. 1.19, а; 1.26; 1.29; 1.35, в.

Использование различных физических эффектов - пьезоэффекта, магни- тострикции, упругости материала и др. (схемы 10). Для уменьшения радиальных габаритов, обеспечения быстросъемности и исключения необходимости обработки крепежных отверстий для фиксации крышки 1 (схема I) используются упругие свойства пружины 2. В схеме II существенное увеличение передаваемой силы при одновременном изменении ее направления гидроцилиндрами 1 и 2 с разными диаметрами обеспечивается за счет гидростатического давления. При решении конкретных задач могут использоваться механические колебания (для отвода стружки, облегчения перемещения); инерция (в приводе) и другие физические эффекты (см. рис. 2.6, д; 1.36).

Реализация дополнительных функций (схемы 11). В схеме I дополнительная функция (фиксация от осевого смещения) реализована наружным кольцом 1 шарикоподшипника при установке на нем пружинного кольца 2, а в схеме II кольцеобразная канавка 1, выполненная на наружной поверхности втулки 2 гидростатического радиального подшипника, служит дросселем для питания карманов, благодаря чему обеспечивается компактность опор, не требуется установка внешних дросселей (см. рис. 1.37).

Расширение универсальности узлов, особенно несущих инструмент или заготовку, способствует повышению компактности конструкции станков (схемы 12). Известен горизонтально-расточный станок, в шпиндельной бабке которого предусмотрен поворотный ползун. В ползуне на одинаковом расстоянии от оси поворота установлены два рабочих шпинделя, служащие для черновой и чистовой обработок. Поворотом ползуна вокруг оси требуемый шпиндель устанавливается в рабочую позицию Поворотная головка 1 (схема I и рис. 2.45, а) позволяет устанавливать рабочий шпиндель 2 как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях (уменьшается число съемных узлов). Для этого плоскость поворота 3 головки расположена под углом 45° к горизонту. Для фиксации головки предусмотрена зубчатая муфта 4. Такое решение может реализовываться как в токарных модулях, обеспечивая комплексную обработку деталей типа тел вращения, так и на фрезерных станках.

Фрезерный шпиндель 1 (схема II и рис. 2.45, 6) может устанавливаться и закрепляться под любым углом в пределах угла поворота подвижной части головки 180°. Поворот осуществляется с помощью червячной передачи 2, закрепление поворотной части - сильфонной втулкой 3 (рис. 2.45, б). Такая конструкция используется в токарно-карусельных, продольно-фрезерных станках.

Компактность конструкций

Рациональное базирование деталей позволяет создавать компактные конструкции без снижения эксплуатационных качеств (схемы 13). Сокращением числа базирующих элементов в направляющих типа «ласточкин хвост» (схема а, I) обеспечивается компактность базирования. То же самое относится к цилиндрическим направляющим. Существенного уменьшения осевого размера при установке точных деталей (червячных и цилиндрических колес, планшайб и др.) можно достигнуть при замене центрирования деталей по диаметру или конусу на центрирование по короткому конусу и развитому торцу (схема б, I, см. также рис. 1.121). Выигрыш в осевом направлении может быть в 3 раза и более. Перестановка подвижных и неподвижных элементов методом инверсии (схема II) может способствовать сокращению размеров.

Применение рычажных механизмов для увеличения сил, изменения направления перемещения (схемы 14). Эти механизмы располагают колоссальными возможностями для сокращения размеров и могут быть основаны как на единичных эффектах, так и на их совокупности (клин с эксцентриком, два клина, клин и рычаг и др.). На схеме II показано использование клинового 1 и рычажного 2 механизма для увеличения силы зажима (см. рис. 1.115, г).

Преобразование структуры, например, компоновки токарно-карусельных станков при обработке кольцеобразных деталей 1 большого диаметра (схема а, II) уменьшает габариты станка (по сравнению со схемой а, I) и обеспечивает переналадку на обработку еще больших деталей при тех же размерах станка. Изменение структуры коробки передач с большим передаточным числом (схема б, II) также уменьшает размеры. В схеме а, I большая редукция реализуется в одной паре колес 1-2, вследствие чего колесо 2 имеет большие размеры, что определяет габариты коробки передач. В схеме б, II, несмотря на дополнительный вал, размеры коробки меньше, так как общее передаточное число распределено между двумя парами колее 1-2, 3—4.

Создание меньшего трения в элементах конструкции улучшает условия использования рабочего объема, снижает мощность привода и т.п. (схемы 16). В схеме I зажим ползуна 1 производится клиновым механизмом 2 с опорами качения. Это повышает КПД механизма и силу зажима. Применение гидростатического смазывания (схема II) в крупном радиальном подшипнике 1, например планшайб, позволяет при одинаковых габаритах с опорой качения иметь существенно большее внутреннее отверстие D, которое используется в одних случаях для установки деталей типа вала (зубофрезерные станки), а в других - для уборки стружки через центр. Более совершенное трение может обеспечить компактность механизмов выставки тяжелых заготовок, переустановку узлов и т.п.

Уменьшение числа деталей в элементах конструкции, ликвидация лишних звеньев (схемы 17). В главном приводе зубодолбежной головки перемещение долбяка 1 (вверх-вниз) происходит от кривошипно-шатунного механизма б (схема а). Для освобождения долбяка при его холостом ходе (вверх) применен зубчатокулачковый механизм 4-5, при повороте которою происходит взаимодействие кулачка 4 с подпружиненной тягой 3. Долбяк в это время может свободно покачиваться на шарнире 2, обеспечивая отвод долбяка от обработанной поверхности при холостом ходе. В схеме б тот же механизм выполнен без зубчатых колес, только с помощью поворотного кулачка 4, благодаря чему уменьшились размеры механизма. Этот пример (рис. 2.46) иллюстрирует также реализацию различных функций одним и тем же элементом, а именно - кривошипно-шатунный механизм используется и для главного движения, и для согласованного с ним открепления-закрепления долбяка.

Компактность конструкций

 

Компактность конструкций

Замена точечного контакта линейчатым дает возможность передавать существенно большие нагрузки при одинаковых размерах деталей (схемы 18). Роликоподшипник (схема б, I), применяемый вместо шарикоподшипника (схема а, I) в сочетании с использованием в качестве дорожек качения поверхностей валов, позволяет значительно уменьшить радиальные размеры. Применение цангового зажима 1 (схема II) инструмента 2 вместо шарикового 3 обеспечивает получение большей силы при одинаковых размерах механизма.

Распределением передаточных отношений между зубчатыми колесами (схемы 19) можно существенно влиять на размеры редуктора: схема 11 более компактна, чем схема I. Использование рациональной силовой схемы (исключение работы деталей на изгиб, замыкание сил на коротком участке и т.п.) позволяет уменьшить размеры механизмов (схемы 20). В главном приводе токарно-карусельного станка на консольно установленных конических колесах развиваются большие силы (схема I), что требует соответствующих размеров. В схеме II вращение от двигателя М через коробку скоростей КС передается непосредственно на венец 7, вращающий планшайбу 2 (рис. 2.47, б). Общее пространство, занимаемое приводом, в этом случае существенно уменьшилось (см. рис. 1.115, а; 2.60, а).

Использование принципиально новых решений на всех этапах конструирования, особенно на ранних, позволяет эффективнее решить многие проблемы, в том числе и проблемы компактности. В последнее время бурно развиваются мехатронные механизмы, сочетающие в себе преимущества механических и электрических (электронных) систем. Среди них можно отметить устройства для автоматического радиального перемещения резца в расточных оправках, механизмы поворота деталей на требуемый угол и т.п. Пример принципиального нового решения компоновки дан на рис. 2.84. Реализация принципа инверсии (см. рис. 1.33) также позволяет улучшить компактность.

Компактность конструкций

Создание статически неопределимых систем (см. п. 2.3.3), обеспечение са- моустановки механизмов также создают возможности для сокращения габаритов. Во многих случаях различные способы повышения компактности реализуются в одном механизме. На рис. 2.47, а шкив 1 ременной передачи используется и как корпус планетарного редуктора 2 с большим передаточным числом (8-10). Здесь компактность обеспечивается уменьшением числа звеньев, объединением элементов, рациональной конструктивной схемой, совмещением функций. На рис. 2.47, б показана двухступенчатая планетарная коробка скоростей привода планшайбы 4 токарно-карусельного станка. Коробка скоростей 1 частично размещена внутри шкива 2 (принцип «матрешки»), кроме того, используются многопоточные передачи 3 (три сателлита); реализуется принцип объединения и уменьшения числа звеньев; обеспечивается рациональная конструктивная схема, когда входной и выходной элементы коробки скоростей установлены соосно.

Широкие возможности повышения компактности заложены в использовании энергоемких источников - гидравлики в механизмах зажима (см. рис. 1.36), гидроразгрузки для облегчения движения узлов (см. рис. 1.109) и индивидуальных современных приводов для перемещения механизмов; в применении цепных и ременных передач между удаленными валами (взамен зубчатых) и механизмов с малым трением (например, бесконтактных); в использовании многошпиндельных станков, рациональных сечений; в совершенствовании методов расчета, гарантирующих работоспособность без большого запаса.

Смотрите также