Геометрические параметры исполнительных устройств приводов технологического оборудования на базе механизмов с замкнутой системой тел качения

785763 828894

ISBN 978-5-7638-2889-4

М. В. Меснянкин 
М. А. Мерко 
А. Е. Митяев

Монография 

Политехнический институт

Геометрические параметры 
исполнительных устройств приводов 
технологического оборудования 
на базе механизмов с замкнутой 
системой тел качения 

В монографии сформулированы условия симметрии 
структурных схем механизмов с замкнутой системой тел 
качения с диаметрами как равной, так и разной величины. 
Предложены методики определения номинальных значений геометрических параметров всех видов симметричных 
схем данных механизмов как с зазором между телами качения, так и без данного параметра. Сформированы области 
существования механизмов, обеспечивающие выбор исходных данных для решения задачи по определению геометрических параметров. Получены формулы для всех видов 
передаточных отношений данных механизмов. Выполнено 
моделирование полученных результатов, подтверждающее 
корректность разработанных методов.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М. В. Меснянкин, М. А. Мерко, А. Е. Митяев 
 
 
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ  ПАРАМЕТРЫ 
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ  УСТРОЙСТВ  
ПРИВОДОВ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ОБОРУДОВАНИЯ 
НА  БАЗЕ  МЕХАНИЗМОВ 
С  ЗАМКНУТОЙ  СИСТЕМОЙ  ТЕЛ  КАЧЕНИЯ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2013 

УДК 62-8:681.587.3 
ББК  34.447 

М531 

Р е ц е н з е н т ы:  

В. А. Меновщиков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Техноло
гия машиностроения» Института управления инженерными системами 
Красноярский государственный аграрный университет; 

Ж. С. Шаршембиев, д-р техн. наук, проф. кафедры «Организация 

и безопасность движения», директор Технико-экономического колледжа 
при Кыргызском национальном аграрном университете им. К. И. Скрябина 

Меснянкин, М. В. 
М531 
 
Геометрические параметры исполнительных устройств приводов технологического оборудования на базе механизмов с замкнутой системой тел качения : монография / М. В. Меснянкин, 
М. А. Мерко, А. Е. Митяев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2013. – 114 с. 

ISBN 978-5-7638-2889-4 

В монографии сформулированы условия симметрии структурных 

схем механизмов с замкнутой системой тел качения с диаметрами как равной, так и разной величины. Предложены методики определения номинальных значений геометрических параметров всех видов симметричных схем 
данных механизмов как с зазором между телами качения, так и без данного 
параметра. Сформированы области существования механизмов, обеспечивающие выбор исходных данных для решения задачи по определению геометрических параметров. Получены формулы для всех видов передаточных 
отношений данных механизмов. Выполнено моделирование полученных результатов, подтверждающее корректность разработанных методов. 

Монография предназначена для инженеров-конструкторов, специали
зирующихся на проектировании исполнительных устройств приводов технологического оборудования на базе механизмов с замкнутой системой тел 
качения. Может быть полезна студентам вузов, изучающим дисциплины 
«Теория механизмов и машин», «Механика» и «Прикладная механика». 

УДК 62-8:681.587.3 
ББК 34.447 

ISBN 978-5-7638-2889-4 
© Сибирский федеральный 

университет, 2013  

ВВЕДЕНИЕ 

Обеспечение требуемых величин показателей качества механизмов 

приводов технологического оборудования является одним из приоритетных 
направлений модернизации машиностроительной промышленности России. 
Достижение данной цели возможно только посредством комплексного решения задач по определению величин геометрических параметров новых 
видов механизмов приводов технологического оборудования. 

В настоящее время активно проводятся исследования механизмов 

преобразования движения, в которых используется зацепление при помощи промежуточных тел качения в виде шариков или роликов, которые находятся в постоянном контакте с дорожками качения основных звеньев. 
Тела качения в подобных механизмах заменяют зубья зубчатых колес, что 
позволяет формировать фрикционные механизмы, характеризующиеся 
принципиально новыми структурными решениями и функциональными 
возможностями. Большинство фрикционных механизмов превосходят зубчатые по быстроходности, бесшумности и КПД, однако проигрывают им 
в нагрузочной способности. Последнее удается частично скомпенсировать 
за счет применения рациональных структурных решений. К механизмам 
с подобными свойствами относятся механизмы с промежуточными телами 
качения (ПТК), которые обладают рядом достоинств, присущих планетарным и волновым механизмам, таких как компактность, многопоточность, 
высокий коэффициент перекрытия и др. Использование многопоточных 
структур позволяет одновременно сократить число подвижных звеньев 
и соединений. Механизмы данного вида способны решать определенные 
задачи из ряда специальных областей инженерной практики. Однако неотработанная технология изготовления звеньев со сложными профилями рабочих поверхностей и несовершенный станочный парк предприятий России пока не позволяют в полной мере реализовать их потенциал. 

Наибольший вклад в развитие теории и методов инженерных расче
тов фрикционных механизмов, использующих для передачи движения трение, внесли И. Г. Крагельский, Б. А. Пронин, Г. А. Ревков, К. И. Заблонский, 
В. Ф. Мальцев, 
А. В. Андреев, 
Я. И. Есипенко, 
А. Е. Шустер, 

П. Д. Балакин, Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль и др. [1–7]. 

Развитие технологических возможностей машиностроения позволяет 

формировать структуры механизмов, в которых функции ряда основных 
звеньев выполняют тела качения, образуя замкнутую систему тел качения 
(ЗСТК). Сегодня известно несколько разных вариантов структурных решений механизмов с ЗСТК, которые будут рассмотрены ниже. 

Приведенный далее (в главе 1) анализ разнообразных структурных 

решений фрикционных механизмов позволяет утверждать, что разработка 

Введение 

4 

механизмов преобразования движения, в которых используется зацепление 
при помощи систем тел качения, реализованных в виде шариков или роликов, находящихся в постоянном контакте с дорожками качения основных 
звеньев, является весьма актуальной. 

Существование большого числа структурных решений, подтвер
жденных патентами как России [33–48], так и ряда зарубежных стран 
[49–65], указывает на наличие интереса к механизмам с подобными структурами. Однако анализ литературных источников показывает недостаточное развитие методологии решения задач по определению номинальных 
величин геометрических параметров [6, 7, 66–73], так как они не в полной 
мере охватывают всё многообразие механизмов с ЗСТК, а в некоторых 
случаях вовсе не имеют приемлемого решения. 

В настоящей монографии представлены результаты исследований по 

совершенствованию методики определения номинальных величин геометрических параметров исполнительных устройств приводов технологиче-
ского оборудования на базе механизмов с замкнутой системой тел качения. 

Объектом исследования выступают механизмы с замкнутой систе
мой тел качения с диаметрами как равной, так и разной величины. 

Предметом исследования являются геометрические параметры меха
низмов с замкнутой системой тел качения. 

Задачи исследования:  
1) совершенствование метода определения номинальных величин 

геометрических параметров посредством формирования начальных условий, условий симметрии и определения поправки для каждого вида симметричной структурной схемы механизмов с ЗСТК; 

2) вывод формул для определения всех видов передаточных отноше
ний механизмов с ЗСТК без учета скольжения (проскальзывания); 

3) компьютерное моделирование и анализ результатов исследования. 
Научная новизна заключается в развитии метода определения номи
нальных величин, позволяющего посредством вариации начальных условий, условий симметрии и направлений ввода поправки определить геометрические параметры механизмов с ЗСТК, являющихся исполнительными 
устройствами приводов технологического оборудования, наилучшим образом удовлетворяющих заданным условиям. 

Механизмы с замкнутой системой тел качения 

5 

Глава 1.  МЕХАНИЗМЫ 
С  ЗАМКНУТОЙ  СИСТЕМОЙ  ТЕЛ  КАЧЕНИЯ 

 
1.1. Механизм Гарарда 

Одним из первых известных фрикционных механизмов с замыкани
ем нормальных сил на охватывающие звенья в виде тел качения является 
механизм Гарарда [8], схема которого приведена на рис. 1.1. 

Структура механизма Гарарда содержит три катка 1, 2 и 3, центры 

которых расположены на одной прямой. Катки охватываются свободно 
вращающимся кольцом 4, надетым с натягом. При этом опоры хотя бы 
двух катков должны обладать податливостью в направлении прямой, 
на которой расположены их центры. За ведущее звено моет быть принят 
любой из трех катков. 

 
 
Рис. 1.1. Схема механизма Гарарда 

В начале движения, за счет разницы окружных скоростей звеньев 1 

и 3, кольцо 4 перемещается. Происходит затягивание механизма, что увеличивает нормальные силы между фрикционными элементами. Это повышает нагрузочную способность механизма, не нагружая опоры звеньев. 

Среди недостатков передач такого типа отмечают их инерцион
ность, люфт при нестационарной нагрузке и наличие скольжения в зонах 
контакта. 

Глава 1 

6 

1.2. Фрикционный механизм Козловых 
с замкнутой системой тел качения 

Схема фрикционного механизма Козловых с замкнутой системой тел 

качения [9] представлена на рис. 1.2. 

Передача движения от ведущего звена 1 к ведомому звену 2 осуще
ствляется посредством системы тел качения, выполненных в виде промежуточных заклинивающих роликов 3 и 4, один из которых силами трения 
затягивается в пространство между колесами 1 и 2. Натяжная обойма 5 
удерживает заклинивающие ролики 3 и 4 в требуемых положениях. Звенья 
6–9 позволяют ограничить натяжение в механизме, уменьшить люфт 
и скольжение в зонах контакта. 
 

 
 
Рис. 1.2. Схема фрикционного механизма Козловых с ЗСТК 

К недостаткам передач такого вида можно отнести большие нагруз
ки, действующие на опоры звеньев 1 и 2, а также повышенный износ 
контактных поверхностей заклинивающих роликов 3 и 4. 

 
1.3. Червячный механизм  
с замкнутой системой тел качения 

Схема червячного механизма с замкнутой системой тел качения при
ведена на рис. 1.3 [10]. 

Червячный механизм с ЗСТК содержит червяк 1 с контактной по
верхностью, выполненной в виде винтовой нарезки, в витках которой размещены два вида тел качения: рабочие 2 и сепараторные 3 шарики. 

Механизмы с замкнутой системой тел качения 

7 

 
 
Рис. 1.3. Схема червячного механизма с ЗСТК 

Диаметры сепараторных шариков 3 меньше диаметров рабочих ша
риков 2, контактирующих с зубьями червячного колеса 4. Шарики удерживаются в витках червяка неподвижным корпусом 5, в котором выполнен 
канал 6 для перехода шариков из одного конца зацепления в другой. 
В корпусе имеется прорезь для обеспечения контакта зубьев червячного 
колеса с рабочими шариками 2. 

 
1.4. Винтовой механизм  
с замкнутой системой тел качения 

Винтовой механизм с замкнутой системой тел качения, схема кото
рого приведена на рис. 1.4 [10, 11], состоит из винта 1 и гайки 2, между 
витками которых расположены тела качения 4, выполненные в виде шариков. 

 
 
Рис. 1.4. Схема винтового механизма с ЗСТК 

Глава 1 

8 

Перемещение тел качения (шарики) 4 происходит через внешний 

возвратный канал 3, выполненный в теле гайки 2. С целью снижения потерь на трение, ЗСТК помещают в сепаратор.  

Предварительный натяг в зоне контакта тел качения с рабочими по
верхностями винта 1 и гайки 2 достигается путем осевого смещения витков 
гайки 2 относительно витков винта 1 или посредством подбора тел качения 
с диаметрами несколько большими, чем размер канавок, образованных 
витками винта 1 и гайки 2. 

 
1.5. Волновые механизмы 
с замкнутой системой тел качения 

Механизмы, представленные на рис. 1.1–1.4, содержат тела качения 

с неподвижными осями вращения и имеют общий недостаток, заключающийся в перенагруженности опор звеньев. Данный недостаток может быть 
исключен посредством применения планетарных или волновых механизмов с замкнутыми системами тел качения. 

В отличие от традиционных волновых механизмов, в волновых ме
ханизмах с ЗСТК отсутствует гибкое колесо, которое заменяет замкнутая 
система тел качения.  

Особенности структур волновых механизмов с замкнутой систе
мой тел качения описаны в ряде патентов как России, так и других государств. 

 
1.5.1. Волновой осевой механизм 
с замкнутой системой тел качения 

Волновой осевой механизм с замкнутой системой тел качения со
стоит из трех звеньев, взаимодействующих друг с другом через промежуточные тела качения. Схема такого механизма приведена на рис. 1.5 [10]. 
Механизмы подобного типа содержат также соосные валы – наружный 1 
и внутренний 3 – с замкнутыми периодическими дорожками качения. Сепаратор 2 имеет продольные прорези, в которых располагаются тела качения 4. Роль генератора волн выполняет ведущий вал. При ведущем 
внутреннем вале 3 выходным звеном является наружный вал 1, а сепаратор 2 функционально связывается с корпусом 5 и является неподвижным 
звеном. 

При однопериодном волновом генераторе периодическая дорожка 

качения представляет собой косую канавку. 

Механизмы с замкнутой системой тел качения 

9 

 
 
Рис. 1.5. Схема волнового осевого механизма с ЗСТК 

Многопериодный генератор имеет зигзагообразно изогнутую канав
ку с числом периодов, отличающихся от числа периодов второго звена. 

 
1.5.2. Волновой радиальный механизм 
с замкнутой системой тел качения 

Схема волнового радиального механизма с замкнутой системой тел 

качения представлена на рис. 1.6 [10, 12–15]. 

 
 
Рис. 1.6. Схема волнового радиального механизма с ЗСТК