Механизм - редуктор

     МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

            ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет инженерной механики и машиностроения

Кафедра «Мехатронных      систем машиностроительного оборудования»

Реферат

 по дисциплине «Теория технических систем»

Тема «Редуктор»

Выполнил:ст.гр.МСМОз-11

                                                                       Чабин И.Ю

                                                                       Проверил:Гринев Ю.А

Донецк – 2013 г

Оглавление

1 Область использования  технической системы

Редукторы - продукция  материально-технического назначения. Эти механизмы служат для изменения  скорости вращения при передачи вращательного  движения от одного вала к другому. По типу передачи они делятся на зубчатые, червячные и гидравлические.

Мотор-редуктор представляет собой электродвигатель и редуктор, соединенные в единый агрегат (в некоторых странах его называют редукторным электродвигателем). Мотор-редуктор более компактен по сравнению с приводом на базе редуктора, его монтаж значительно проще, кроме того, уменьшается материалоемкость фундаментной рамы, а для механизма с насадным исполнением (с полым валом) не требуется никаких рамных конструкций. Большое количество конструкционных решений и типоразмеров дает возможность оснащения предприятий прецизионными редукторами приводов различных назначений, размеров и мощностей. Наибольшее распространение в промышленности получили планетарные и цилиндрические мотор-редукторы, выполненные по соосной схеме взаимного расположения электродвигателя и выходного вала. К мотор-редукторам общемашиностроительного применения относят: цилиндрические мотор-редукторы, планетарные мотор-редукторы, спироидные мотор-редукторы, червячные и цилиндрическо-червячные мотор-редукторы, волновые мотор-редукторы, мотор-редукторы специального назначения. Область применения: средства автоматизации и системы управления, устройства регулирования, автоматические и автоматизированные системы управления, следящие мини-приводы, средства обработки и представления информации, специальные инструменты, медицинская техника.

Наибольшее распространение  в промышленности получили планетарные  редукторы и цилиндрические редукторы, выполненные по схеме взаимного расположения электродвигателя и выходного вала. Такие механизмы пригодны для использования в умеренных климатических условиях, при установке в помещении или на открытом воздухе под навесом.  

2 Этапы исторического  развития исследуемой технической системы до настоящего времени

Античность. Первое применение зубчатых передач началось несколько тысячелетий назад. В Древнем Египте на берегах Нила для орошения плодородных земель уже использовались оросительные устройства, состоявшие из деревянной зубчатой передачи и колеса с большим числом ковшей. Такое устройство приводилось в действие быком. Вода поднималась на более высокий уровень и по каналам доставлялась к потребителю. 

Первоначально зубчатые колеса изготовлялись ремесленниками и имели самую простую форму. Вместо зубьев применяли деревянные цилиндрические или прямоугольные пальцы, которые устанавливали по периферии деревянных ободьев. 

Для откачки воды из шахт или подъема воды для орошения в древности использовались как  архимедовы винты, так и водочерпальные колеса. Это устройство – «архимедов винт» – состояло из наклонной деревянной трубы, погруженной одним концом в воду, подлежащую откачке. Внутри трубы была укреплена винтовая переборка. «Улитка» вращалась мускульной силой рабов или животных. Вода выливалась из верхнего конца трубы. Использовался «архимедов винт» и для откачки воды из трюмов больших грузовых судов. Сами по себе нехитрые механизмы, тем не менее, они означали гигантский технологический прорыв человечества.  

В книге Герона Александрийского «Механика», дошедшей до нас полностью лишь в арабском переводе, Герон подробно рассматривает простые механизмы (ворот, рычаг, блок, клин, винт), зубчатые передачи и другие более сложные механизмы. «Механика» Герона являлась своеобразной энциклопедией античной техники.

Сама по себе идея механической передачи восходит к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим  образом. Пусть два колеса с параллельными  осями вращения плотно соприкасаются  своими ободьями. Если одно из колес  начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Большее колесо будет делать, по сравнению со связанным с ним меньшим, во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие и колеса проскальзывают. Этот недостаток античными изобретателями был устранен - вместо гладких колес начали использовать зубчатые. Так и появились первые редукторы. Но широкое распространение они получили значительно позже. 

Средние века. В это время появляются новые источники энергии для нужд ремесел и промышленности. Соответственно, возникает необходимость преобразовывать параметры вращательного движения. Эпоха Возрождения была своеобразным историческим итогом, воплотившим лучшие достижения тысячи лет европейского и арабского Средневековья. 

Гений эпохи Возрождения, Леонардо Да Винчи, оставил потомкам множество записей, чертежей и даже действующих моделей различных  механизмов, использующих колесные зубчатые передачи. В Средние века существовали только два механических двигателя - ветряной и водяной. Леонардо одним из первых в полную силу заставил служить людям еще одну энергию – потенциальную энергию упругости. Именно эти источники энергии и служили основой устройств и механизмов, спроектированных Леонардо. Это и шагомер, и механическая пила с вертикальным полотном. Токарный станок с педальным приводом он снабдил массивным маховым колесом, которое обеспечивало равномерное вращение. Печатный станок Леонардо дополнил устройством для автоматической подачи листов бумаги – так появился прототип современного принтера с автоподачей бумаги. Механику Леонардо не зря называл «раем математических наук», именно в этой области разум гения взмывал в неведомые и беспредельные высшие сферы творчества. 

В наследии Леонардо оказались  представлены весьма сложные и разнообразные  варианты зубчатых передач. Начиная от простейшей, так называемой цевочной, где зубьями колес служат цилиндрические шпеньки, до весьма сложной глобоидной червячной, в которой поверхность ведущего элемента (винта или червяка) имеет вогнутую форму и охватывает ведомую шестерню под большим углом. Леонардо начертил эскизы устройств для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Он сконструировал коническую и спиральную передачи, придумал роликовую цепь, которая и сегодня применяется в велосипедах, мотоциклах и множестве других механизмов. Конструирование сложных машин и их элементов привело Леонардо к созданию основ теории передаточных механизмов - пространственных и плоских зубчатых зацеплений, передач с гибкими звеньями и с переменными скоростями вращения. Оно послужило фундаментом, на котором спустя века выросла классическая инженерная механика, обретшая строгую математическую форму только в Новое время, когда индустриализация Европы востребовала все накопленное цивилизацией научное наследие.  

Новое время. Промышленная революция ознаменовалась переходом от деревянных передач к металлическим. Ветряные и водяные движители уже могли создавать усилия, которые не выдерживали деревянные детали. Поиск новых источников энергии и создание механизмов, способных заменить ручной труд, явились одним из основных факторов промышленной революции. Только во Франции к началу 18 века имелось 80 тыс. мукомольных мельниц, 15 тыс. мельниц, используемых в промышленных целях, и 500 мельниц для измельчения железной руды. По сравнению со Средними веками, передаточные механизмы начали использоваться очень широко. От мельниц с помощью зубчатых и ременных передач приводились в движение токарные станки, сверлильные станки, роликовые станки для получения металлических листов и ротационные резаки для их разрезания, вентиляторы для шахт, шахтные подъемники и насосы для шахт с цепным приводом. Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с целью приведения в действие ударных устройств средневековые мастера стали применять кулачковый и кривошипный механизмы. Таким образом, механизированные фабрики Европы Нового времени в результате промышленной революции заменили ручной труд машинами, а также сконцентрировали большие мощности на относительно небольших площадях. Однако передаточные механизмы были в 17-18 веках достаточно громоздкими и неэффективными. Именно в это время ученые-механики начали разрабатывать классическую теорию зацепления профилей зубьев (Ф.Делахир, М.Камус, Л.Эйлер). 

С появлением паровой  машины возникла необходимость в  передаче еще больших мощностей. Соответственно, потребовалось конструировать металлические редукторы. К 1850 году ткацкие станки с механическим приводом были уже втрое производительнее ручных станков. Более дешевая энергия дала возможность повысить быстродействие станков, и это укрепило их экономическое преимущество. Паровой двигатель был достаточно мощным, чтобы приводить в движение несколько текстильных станков, и соответствующие станки приходилось размещать вокруг двигателя. Паровой двигатель также сделал возможным размещение производств не только у воды, а там, где были уголь, рабочие руки, рынки сбыта и транспорт. Новое время проводило и селекцию самых оптимальных конструкций зубчатых передач – тиражироваться начинали именно те, что давали максимальный экономический эффект. К середине 19 века, по-видимому, следует отнести появление первых серийных редукторов. Ну а появление во второй половине 19 века электрического привода, бензиновых и дизельных двигателей означало разработку редукторов с заданными параметрами. Зубчатые механизмы предназначались для передачи вращательного движения от высокооборотных двигателей и преобразования (снижения) его параметров. Даже самые первые электродвигатели и ДВС обладали скоростью и моментом, как правило, не подходящим для использования в технологическом процессе.

Это сегодня трудно найти  такую машину, в которой нет  зубчатого механизма. Они применяются практически во всех машинах, во всех разновидностях технологического оборудования. Но, как мы видим, зубчатые передачи прошли многовековой путь развития.

3 Характеристика признаков объекта исследования как технической системы

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это  совокупность упорядоченно взаимодействующих  элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных  элементов, и предназначенная для  выполнения определенных полезных функций.

Таким образом, техническая  система имеет 4 главных (фундаментальных) признака:

• функциональность,
• целостность (структура),
• организация,
• системное качество.

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой.

3.1 Функциональность

В основе любого трудового  процесса, в том числе изобретательского, лежит понятие цели. Бесцельного изобретения не существует. В технических системах цель задается человеком и они предназначены для выполнения полезной функции.

Появление цели - это результат  осознания потребности. Потребность состоит в необходимости понижения скорости вращения на выходном валу и увеличении крутящего момента (увеличение усилия). Один из способов реализации потребности – редуктор с цилиндрическим зубчатым зацеплением.

3.1.1 Выделение и описание рабочего органа

Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции - это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая  функция - это воздействие на предмет  труда (изделие) или служение человеку. То есть, не хватает промежуточного звена - рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. РО - единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательные.

Рабочий орган редуктора  – зубчатое зацепление. Зýбчатая переда́ча — это механизм или часть механизма механической передачи, в состав которого входят зубчатые колёса.

3.1.2 Главная полезная функция системы

Функция - это способность  ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или  величину.

• передача вращательного движения между валами, которые могут иметь параллельные, пересекающиеся и скрещивающиеся оси.
• преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот.

При этом усилие от одного элемента к другому передаётся с  помощью зубьев.

3.2 Целостность (структура)

Совокупность (целостность) элементов и свойств неотъемлемый признак системы. Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели.

Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом  осуществления требуемой полезной функции.

Структура остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий.

Главное в структуре: элементы, связи, неизменность во времени.

структура определяет функционирование системы с помощью цилиндрической прямозубой передачи.

3.2.1 Физический принцип осуществления главной полезной функции

Физический принцип осуществление главной полезной функции: движение передается путем непосредственного зацепления нанесенных на одной из поверхностей колес зубьев различной формы.

Зуб вращающегося ведущего колеса заставляет ведомое колесо повернуться на некоторый  угол, после чего в зацепление входит  следующая пара зубьев. Таким образом ведомое колесо приводится в непрерывное вращение.

3.2.2 Основные элементы системы и характер связей между ними

Редуктор состоит из корпуса 3, в котором смонтированы подшипниковые узлы, служащие опорами валов редуктора. Концы входных и выходных валов, выступающие из редуктора (хвостовики) служат для закрепления на них полумуфт, шкивов и др. деталей. Корпус закрыт крышкой. В верхней части крышки имеется закрываемое смотровой крышкой отверстие, предназначенное для осмотра внутренней части редуктора и заливки масла. При сборке редуктора крышка прикрепляется к корпусу болтами.

Простая модель ТС:

1. Быстроходный вал
2. Тихоходный вал
3. Корпус
4. Крышка

Классификация элементов:

• Гомогенный элемент – элемент, однотипный с другими (примеры: шарики в шарикоподшипнике).
• Гетерогенный элемент – элемент, разнотипный с другими (зубчатое колесо и вал в редукторе).
• Программный элемент – элемент, действующий по жесткой программе (зубчатое колесо).
• Адаптивный элемент – элемент, обладающий возможностью приспособления (подшипник).
• Постоянный элемент – элемент, отличающийся относительно длительным временем существования (зубчатое колесо, вал, корпус).
• Элемент настоящего – элемент, характерный для настоящего времени существования системы (большинство элементов технических систем).
• Основной элемент – элемент, играющий определяющую роль в системе (зубчатая передача).
• Неосновной элемент – элемент, играющий второстепенную роль в системе (болтовое соединение, смотровое окно, подставка).
• Определенный элемент – элемент, оказывающий определенное воздействие на систему (зубчатая передача, электродвигатель).

Связь - реальный физический (вещественный или полевой) канал для передачи Э (энергии), В (вещества), И (информации).

Главное условие работы связи - "разность потенциалов" между  элементами, то есть градиент поля или  вещества. При градиенте возникает  движущая сила, вызывающая поток Э  или В:

• градиент температуры - поток теплоты (теплопроводность),
• градиент концентрации - поток вещества (диффузия),
• градиент скорости - поток импульса,
• градиент электрического поля - электрический ток,

а также градиенты  давления, магнитного поля, плотности  и т.д.

Связи в системе могут быть:

• функционально необходимые - для выполнения ГПФ,
• вспомогательные - увеличивающие надежность,
• вредные, лишние, избыточные.

Элементарные:

• односторонняя (ведущий и ведомый валы),
• рефлексивная (крутящий момент на входном валу),
• положительная (увеличивающая мощность при увеличении "разности потенциалов – передача крутящего момента)
• проектируемая (желаемая – передача крутящего момента).

Увеличение степени  организации системы прямо зависит  от числа связей между элементами:

1. включение элементов системы в связи с надсистемами,
2. задействование более низких уровней организации подсистемы или вещества.

При увеличении числа  связей на один элемент, увеличивается  количество полезно работающих свойств  элементов.

3.2.3 Характеристика структуры технической системы по классификационным признакам

1. По положения в иерархии – система,
2. По связи с реальным окружением – открытая (имеет вход и выход),
3. По изменению состояния – статическая, т.к. состояние во времени не изменяется, если и изменяется то ничтожно мало,
4. По характеру функционирования – детерминирования, т.к в зависимости, от состояния можно однозначно судить о функционировании,
5. По типу элементов – конкретная, т.к. элементы системы реальные,
6. По происхождению – искусственная, т.к. создана человеком,
7. По характеру зависимости выхода – секвентивная, т.к. выход зависит от входа,
8. По степени сложности – простая,
9. По типу элементов – типа «объект», т.к. все элементы системы являются объектами. 
   

3.2.4  Описание формирования структуры и ее формы

Структура системы – это совокупность устойчивых отношений между элементами системы, которые обеспечивают целостность системы и тождественность самой себе.

Характеристики структуры

• объём – количество элементов, включённых в структуру,
• общее количество отношений между элементами,
• частота отношений, т.е. количество отношений, приходящихся на один элемент и определяющих интенсивность взаимодействия элементов,
• количество внутренних отношений, которые определяют внутреннее устройство системы,
• количество внешних отношений, характеризующих взаимодействие системы со средой, ее открытость,
• оперативность – способность быстро реагировать на изменение обстановки и внешнее воздействие в соответствии с целевым назначением,
• живучесть – способность сохранять значение других показателей при разрушении части структуры.

Формирование структуры - основа синтеза системы.  
Некоторые принципы формирования структуры:

• принцип функциональности,
• принцип причинности,
• принцип полноты частей,
• принцип дополнительности.

Каждое событие в  ТС имеет одну (или несколько) причин и само является причиной последующих событий. Все начинается с причины, поэтому важный момент - обеспечение "запуска" (включения) причины. Для этого необходимо наличие следующих условий:

• обеспечить внешние условия, не препятствующие проявлению действия,
• обеспечить внутренние условия, при которых осуществляется событие (действие),
• обеспечить извне повод, толчок для "запуска" действия.

Главное требование к  структуре - минимальные потери энергии  и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надежность причинно-следственной цепочки.

Принцип дополнительности заключается в особом способе соединения элементов при включении их в систему. Элементы должны быть не только согласованы по форме и свойствам (для того, чтобы иметь принципиальную возможность взаимного соединения), но и дополнять друг друга, взаимно усиливаться, складывать полезные свойства и взаимно нейтрализовать вредные. Это основной механизм возникновения системного эффекта (качества).

Форма - это внешнее  проявление структуры ТС, а структура - внутреннее содержание формы. Эти  два понятия тесно взаимосвязаны. В технической системе может  преобладать одно из них и диктовать  условия воплощения другой (например, форма крыла самолета обуславливает его структуру). Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и функциями системы. Форма в большинстве случаев зависит от требований надсистемы.

Основные требования к форме:

• функциональные (форма зуба),
• эргономические (удобство расположения, цвет),
• технологические (простота и удобство изготовления, обработки, транспортировки),
• эксплуатационные (срок службы, прочность, стойкость, удобство ремонта). 

3.3 Организация

Организация возникает  одновременно со структурой. В сущности, организация это алгоритм совместного функционирования элементов системы в пространстве и времени.

Организация возникает, когда между элементами возникают  объективно закономерные, согласованные, устойчивые во времени связи (отношения). При этом одни свойства (качества) элемента выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие ограничиваются, гасятся, маскируются.

Главное условие возникновения  организации - связи между элементами и/или их свойствами должны превышать  по мощности (силе) связи с несистемными элементами.

Сложность организации  характеризуется числом и разнообразием  элементов, числом и разнообразием  связей, числом уровней иерархии.

При развертывании на полезно-функциональных подсистемах, отрабатываются принципы организации (условия взаимодействия, связи и функции), затем организация переходит на микроуровень (функция подсистемы выполняется веществом).

К факторам, нарушающим организацию относятся три группы вредных воздействий:

• внешние (надсистема, природа, человек),
• внутренние (форсирование или случайное взаимоусиление вредных свойств)
• энтропийные (саморазрушение элементов из-за конечности срока жизни).

Внешние факторы разрушают  связи, если их мощность превышает мощность внутрисистемных связей.

Внутренние факторы изначально есть в системе, но с течением времени из-за нарушений в структуре их количество увеличивается.

Примеры энтропийных  факторов: износ частей (вынос из системы части вещества), перерождение связей (ржавчина).

3.3.1 Характеристика связей между элементами системы и их количество на один элемент

• Ненаправленное отношение (физическое сопряжение подшипника и корпуса, отношения включения в иерархической структуре технической системы).
• Одностороннее отношение (передача механического вращательного движения от шестерни к зубчатому колесу).
• Неравноправные отношения (ведущий и ведомый вал).
• Непрерывное отношение (примеры: физическое сопряжение подшипника и корпуса, шестерни и зубчатого колеса).
• Прерывистое (дискретное) отношение (переход на другую шестерню).
• Внутреннее отношение – отношение между элементами системы (передача механического вращательного движения от шестерни к зубчатому колесу).
• Внешнее отношение – отношение между элементом системы и окружением.
• Входное отношение (передача механического вращательного движения от электродвигателя к входному валу редуктора).
• Выходное отношение (передача механической энергии на выходе).

3.3.2 Надсистема и подсистемы исследуемой системы

Надсистемой для системы «редуктор» выступает система, в привод которой включен редуктор, например система «станок» или «гидропривод», подсистемой является например «узел подшипника», или крепеж «болт-шайба-гайка».

3.4 Системный эффект или системное качество

Все элементы в системе  и сама система в целом обладают рядом свойств:

1. Структурно-вещественные: свойства вещества, определяемые его составом, видом компонентов, физическими особенностями (вода, воздух, сталь, бетон).
2. Структурно-полевые: например, вес является неотъемлемым свойством любого элемента, магнитные свойства, цвет.
3. Функциональные: специализированные свойства, которые могут быть получены из разных вещественно-полевых сочетаний, лишь бы они обладали требуемой функцией; например, теплоизоляционные маты.
4. Системные: совокупные (интегральные) свойства; в отличие от свойств 1-3 они не равны свойствам элементов, входящих в систему; эти свойства "вдруг" возникают при образовании системы; такая неожиданная прибавка - главный выигрыш при синтезе новой ТС.

Правильнее различать  два вида системных прибавок:

• системный эффект - непропорционально большое усиление (уменьшение) свойств, имеющихся у элементов,
• системное качество - появление нового свойства (надсвойства - вектора имеющихся свойств), которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему.

Чтобы точнее определить системный эффект (качество) данной ТС можно воспользоваться простым  приемом: надо разделить систему  на составные элементы и посмотреть, какое качество (какой эффект) исчезло.

Если разделить систему «редуктор» на составные части, даже если убрать некоторые детали (узел подшипника, любой из валов, зубчатый венец) система перестанет выполнять необходимую функцию.

Если например, убрать одну или несколько деталей крепежа, то система не перестает выполнять свою функцию, но ее работа становится нестабильной и небезопасной. 

4 Анализ объекта исследования на основе применения законов развития технических систем

1. Управление технической системой и ее частями

Одно из важных свойств  организации - возможность управления, то есть изменения или поддержания состояния элементов в процессе функционирования системы. Управление идет по специальным связям и представляет собой последовательность команд во времени. Управление по отклонению величины является наиболее распространенным и достоверным способом.