Механические передачи следящих систем

ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ

4.1. Общие соображения

Обычно приводные механизмы (нагрузка) СС тихоходны, а исполнительные устройства (ИУ) выполняются относительно быстроходными для того, чтобы их вес, габариты и стоимость не были чрезмерно высоки. Поэтому в СС и электроприводах используются понижающие редукторы.

В качестве передач обычно применяются редукторы, составленные из пар прямозубых цилиндрических шестерен. Червячные передачи, как и ряд других передач применяются сравнительно редко в специальных системах вследствие возможности заклинивания при реверсировании.

Современные следящие системы требуют высокого качества выполнения зубчатых передач для удовлетворительного выполнения следующих функций, как элемента СС:

- надежная механическая связь между командным и исполнительным валами;

- согласование силового элемента (ИУ) с нагрузкой (механизмом) для наиболее эффективной передачи мощности, сообщения максимального ускорения нагрузке и удовлетворения других специальных требований СС;

- масштабные изменения в устройстве;

- реверсирование направлений вращения;

- передача многоцифровой визуальной информации на шкалы (в приборных СС);

- регулировка усиления системы в замкнутом контуре и др.

Для задач автоматического регулирования можно выделить две различные фазы проектирования зубчатых передач и установления требований к ним: задача проектирования системы и выбор редуктора, как элемента СС; задача расчета механической конструкции. Проектирование системы состоит в задании характеристик зубчатой передачи в отношении передаточного числа, точности, моментов инерции, мертвого хода (люфтов), основанных на функции редуктора, как элемента СС. Конструктивное проектирование охватывает разработку деталей редуктора, способных удовлетворить требования, установленные анализом системы.

Наиболее важными факторами при выборе и задании технических требований на зубчатые передачи в СС являются:

- передаточное число i, соответствующее оптимальному согласованию двигателя и нагрузки или обеспечивающее настройку усиления системы или жесткость;

- число ступеней передачи и распределение передаточного числа между ними с целью получения минимальных моментов инерции (с учетом стоимости и компактности конструкции);

- мертвый ход (люфт), как результат некачественного центрирования, износа и неточности профилирования зубьев (люфт является серьезной причиной неустойчивости замкнутых систем);

- прецезионность выполнения, имеющая непосредственное отношение к требуемой точности СС (ошибки редуктора часто ограничивают точность воспроизводимых функций в решающих СС);

- материал шестерен, выбираемый не только из условий стойкости против износа, но и для минимального приращения момента инерции (это связано с устойчивостью работы высокочастотных СС, т.к. условия окружающей среды, вызывающие коррозию, ускоряющие износ, также определяют выбор материала);

- механическая прочность и динамическая характеристика; возможность передачи мощности и жесткость зубцов и валов при быстрых реверсивных и ударных нагрузках влияют на устойчивость и долговечность СС; конструктивными параметрами шестерен являются: профиль зубцов, угол зацепления и модуль;

- специальные устройства: фрикционная муфта для ограничения перегрузки, шестерни с противолюфтными пружинами, кожухи и уплотнительные устройства для защиты зацеплений и подшипников, смазка, подшипники и т.д.

4.2. Редуктор  как элемент СС

Идеальная зубчатая передача м.б. рассмотрена, как механический трансформатор для преобразования крутящего момента и скорости.

Рис. 4.1

Однако, действительные передачи обладают весьма значительными отклонениями от идеальных. Влияние этих скрытых отклонений необходимо рассматривать в связи с общими причинами неустойчивости в замкнутых системах.

Рассмотрим возможные фазовые сдвиги, которые может вносить редуктор в систему вследствие задерживающих свойств цепи зубчатой передачи и связанных с ней механических элементов. Эти свойства могут иметь форму инерционных явлений, мертвого хода или люфта и упругих деформаций.

Рассмотрим электрическую аналогию упругого вала.

Рис. 4.2

Упругости соответствует параллельно включенная емкость в электрических системах. Для абсолютно жесткого вала Υ=0. В системах с высокой инерцией упругие валы могут привести к значительным колебаниям.

На рис. 4.3 приведена схема двух жестких валов, соединенных зубчатой передачей с люфтом. Т.к. люфт можно рассматривать, как форму нелинейной податливости, то его эквивалент можно представить, как нелинейный параллельно включенный конденсатор. При оценке устойчивости системы упругие валы и соединения с люфтами рассматриваются, как последовательные элементы в замкнутом контуре, вызывающие сдвиг фаз и, следовательно, и неустойчивость. Их влияние может иметь нелинейный характер.

Рис. 4.3

При синусоидальной форме входного момента (или эквивалентного напряжения), приложенного к соединению с люфтом, выходной момент принимает искаженную форму. (рис. 4.4). Приближенную передаточную характеристику соединения можно получить из основной составляющей выходной величины, пренебрегая высшими гармониками (метод гармонической линеаризации).