Проектирование привода общего назначения с цилиндрическим редуктором
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра "Механики"
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Тема: Проектирование привода общего
назначения с цилиндрическим редуктором.
Выполнил студент:ЭТ-3 Герасимчук И.Г.
Проверил преподаватель:
Лашманова Е.В.
Самара 2012
Содержание
Техническое задание
Введение
1. Расчет мощностей и выбор двигателя
2. Кинематический и силовой анализ
3. Выбор материала и расчет допускаемых напряжений
4. Расчет прямозубой цилиндрической передачи
5. Проектный расчет валов. Подбор подшипников
5.1 Входной вал
5.2 Выходной вал
6. Расчет элементов корпуса редуктора
7. Подбор и проверочный расчет шпоночных соединений
7.1 Входной вал
7.2 Выходной вал
8. Проверочный расчет выходного вала
8.1 Расчет и построение эпюр изгибающих моментов
8.2 Расчет коэффициента запаса усталостной прочности
9. Проверочный расчет подшипников выходного вала
10. Подбор соединительной муфты
Список литературы
Техническое
задание
Частота вращения вала двигателя
дв=1500 об/мин
Частота вращения выходного вала
вых=250 об/мин
Вращающийся момент на выходном валу
вых=80 Н∙м
Срок службы редуктора (в годах)=3
Тип редуктора: цилиндрический (ЦР)
Коэффициент загрузки Кгод=0,5; Ксут=0,2
редуктор цилиндрический подшипник привод
Введение
Электромеханический привод состоит из двигателя и редуктора,
соединенных между собой муфтой. Привод в виде единой установки размещается на
литой плите или сварной раме.
Редуктор-это механизм, служащий для уменьшения частоты
вращения и увеличения вращающегося момента. Редуктор состоит из литого
чугунного корпуса, в котором размещены зубчатые или червячные передачи,
закрепленные на валах. Передача движется от колес к валам и наоборот
производится с помощью шпонок. Валы опираются на подшипники качения,
размещенные в гнездах корпуса. Подшипники удерживаются от осевого смещения
крышками, которые с двух сторон привертываются винтами к корпусу редуктора.
Для уменьшения потерь на трение детали передач смазываются
маслом. Уровень масла контролируется маслоуказателем. Масло заливается через
смотровое окно. Это окно закрывается крышкой с пробкой-отдушиной через которую
из редуктора улетучиваются пары разогретого масла. Загрязненное масло удаляется
через сливное отверстие, закрываемое резьбовой пробкой. Для предотвращения
выбросов масла из редуктора на входном и выходном валах устанавливаются
уплотнения в виде резиновых манжет.
Все детали редуктора разделяются на оригинальные и
стандартные. Оригинальные - это детали передач (шестерни, колеса, червяк), валы
корпус редуктора. Размеры валов и колес находят из проектных и проверочных
расчетов. Остальные детали (крышки, маслоуказатель, пробки уплотнения и т.д.)
не воспринимают нагрузку и их размеры назначают конструктивно.
Достоинства передачи:
высокий КПД редуктора.
простота в изготовлении и сборке.
высокая нагрузочная способность. Цилиндрические редукторы
соответствующих габаритов способны передавать почти без потерь большую мощность.
Недостатки передачи:
низкое передаточное число на одной ступени
уровень шума.
Цилиндрические редукторы - более шумные по сравнению с
червячными.
1. Расчет
мощностей и выбор двигателя
Мощность на выходном валу редуктора
Расчетная мощность двигателя
где η=0,98 - КПД цилиндрического
редуктора
По каталогу выбираем двигатель тип двигателя 4А90L c Рдв=2,2
кВт; диаметр вала двигателя dдв=24 мм
2. Кинематический
и силовой анализ
Передаточное отношение редуктора
Частота вращения валов
1=nдв=1500 об/мин2=nвых=250
об/мин
Момент на выходном (1-ом) валу
Суммарное время работы редуктора
Σ= L∙365∙Kгод∙24∙Ксут=3∙365∙0,5∙24∙0,2=2628
час
Здесь L - срок службы в годах
3. Выбор
материала и расчет допускаемых напряжений
Расчетная твердость стали
По величине выбираем сталь 45, термообработанную на твердость НВ=219
Предел контактной выносливости
МПа
Базовое число циклов
Число циклов нагружения зуба шестерни
Коэффициент долговечности
Принимаем КHL=1 (если КHL<1). Допускаемые
контактные напряжения
Где SH=1,1 - коэффициент безопасности
Придел изгибной выносливости
МПа
Базовое число циклов NFO=4∙106
Коэффициент долговечности
Принимаем КFL=1 (если КFL<1, принять КFL=1)
Допускаемые напряжения изгиба
где SF=1.75 - коэффициент безопасности.
4. Расчет
прямозубой цилиндрической передачи
Расчетное число зубьев шестерни
Принимаем Z1=23 (округлить до целого числа)
Число зубьев колеса
Принимаем Z2=138
Расчетный делительный диаметр шестерни
где КН=1,2 - коэффициент нагрузки;
Ψbd=0.8 - коэффициент ширины шестерни;
Расчетный модуль зацепления
Принимаем m=2 мм (округлить в большую сторону по ряду: 0,8 1 1,25
1,5 2 2,5 3). Межосевое расстояние
мм
Диаметр делительной окружности шестерни
мм
Диаметр делительной окружности колеса
мм
Диаметр окружности вершин зубьев
мм
Диаметр окружности впадин зубьев
Ширина зацепления
Принимаем b=37 мм. Ширина шестерни b1= b+4=
37+4= 41 мм. Ширина колеса b2= b= 37 мм
Проверочный расчет
Рабочее контактное напряжение
192,36 МПа ≤ 282,318 МПа
Коэффициент формы зуба шестерни
Расчетные напряжения изгиба в зубьях шестерни
,28 МПа ≤ 225,25 МПа
где KF= 1,3 - коэффициент нагрузки.
Силы в зацеплении (на колесе)
Окружная
Радиальная
5. Проектный
расчет валов. Подбор подшипников
5.1 Входной
вал
Предварительный диаметр выходного участка
Где [τ] =20 МПА - допускаемое
напряжение кручения.
Принимаем dв1=dдв=24 мм
Диаметр ступени под уплотнение
у1=dв1+ (3÷5) =24+3=28 мм
Диаметр ступени
под подшипники
п1 =dу1+ (1÷4) =28+2=30 мм
(значение диаметра dп1 принять
по ряду: 20 25 30 35 40 45)
Диаметр упорного
буртика
б1=dп1+6= 30+6=36 мм
В опорах волов
устанавливаем радиальные шарикоподшипники легкой серии. Габаритные размеры
подшипников:=dп1= 30 мм, D=62 мм, В=16 мм
5.2 Выходной
вал
Предварительный диаметр выходного участка
Принимаем dв2=dв1+6= 24+6=30 мм
Диаметр ступени под уплотнение
y2=dв2+ (3÷5) = 30+5=35 мм
Принимаем dy2=35
мм
(значение диаметра
dу2 принять по ряду: 20 22 24 25 28 30 32 35 36 38 40 42 44 46 48)
Диаметр ступени
под подшипники
п2=dy2+ (1÷4) = 35+4=39 мм
Принимаем dп2=
50 мм
(значение
диаметра dп2 принять по ряду: 20 25 30 35 40 45 50 55)
Диаметр ступени
под цилиндрическое колесо
к2= dп2+5=40+5=45 мм
Диаметр упорного
буртика
б2=dк2+10= 45+10=55 мм
В опорах волов
устанавливаем радиальные шарикоподшипники легкой серии
Габаритные
размеры подшипников: d=dп2= 40 мм, D= 62 мм, В=16 мм
Динамическая
грузоподъемность подшипников Cr=19500 H
6. Расчет
элементов корпуса редуктора
Толщина стенки корпуса
Принимаем δ=6 мм (округлить в большую
сторону по ряду: 6 8 10)
Диаметр стяжных болтов
Принимаем dБ=80 мм (значение округлить в большую сторону по ряду: 8 10 12)
Ширина фланца корпуса
=3∙ dБ=3∙8=24 мм
Толщина фланца корпуса и крышки корпуса
δфл=1,5∙δ=1,5∙6=9 мм
Толщина фланца основания корпуса
δосн=2∙δ=2∙6=12 мм
Толщина ребер жесткости
δж=5 мм
Диаметр фундаментных болтов
ф=dБ+2=8+2=10 мм
Ширина фланца
основания корпуса
Кл=3∙dф=3∙10=30
мм
Диаметр винтов
крышек подшипниковв=6 мм
7. Подбор и
проверочный расчет шпоночных соединений
7.1 Входной
вал
Принимаем lв1=l1=50 мм
По диаметру dв1=24 мм и длине
выходного участка L=lв1 выбираем шпонку 8х7х45 мм
Проверочный расчет на смятие:
где t1=4 - глубина паза на валу
[σ] =120 МПа - допускаемое
напряжение на смятие.
7.2 Выходной
вал
Для выходного участка по диаметру dв2=30 мм и
длине выходного участка L=2dв2 выбираем шпонку 8х7х50 мм.
Для ступени под колесо сечение шпонки bxh выбираем по
диаметру dк2=45 мм, а длину - по длине ступицы колеса L=lст 14х9х56
мм.
8.
Проверочный расчет выходного вала
8.1 Расчет и
построение эпюр изгибающих моментов
Нагрузка на вал: Ft2=463,7 Н; Fr2=168,7
Н.
Расстояние между опорами: l1=44,38 мм; l2=45,38
мм.
Плоскость Axz - действует сила Ft2
; RBz∙ (l1+l2) - Ft2∙l1=0
Az=Ft2-RBz=463,7-229,2=234,4
Н
Изгибающий момент на участке x1:
z1=
RAz ∙x1; при x1=0Mz1=0;
при x1= l1Mz1= RAz∙
l1=234,4 ∙44,38=10402,67 Н∙мм
Плоскость Ayx - действует сила Fr2
; RBy∙ (l1+l2) - Fr2∙l1=0
Ay=Fr2-RBy=168,7-85,26=393
Н
Изгибающий момент на участке x1:
My1= RAy ∙x1;
при x1=0My1=0;
при x1= l1My1= RAy∙
l1=83,44 ∙44,38=3703 мм
Суммарный изгибающий момент в опасном сечении
=Tвых∙103=80∙103=8∙104
Н∙мм
Рисунок 1.
Эпюра крутящих и изгибающих моментов на выходном валу
8.2 Расчет
коэффициента запаса усталостной прочности
Вал изготавливаем из стали 40 (ГОСТ 1054-74) с пределом
прочности σв=620 МПА и пределами
выносливости на изгиб σ-1 и кручение τ-1:
σ-1= 0,43∙σв=0,43∙620=267 МПА
τ-1= 0,58∙ σ-1=0,58∙267=155 МПА
Коэффициенты концентрации напряжений
σ=0,9+0,0014∙ σв=0,9+0,0014∙620=1,768τ=0,6+0,0016∙ σв=0,6+0,0016∙620=1,592
Масштабные факторы
εσ=0,984-0,0032∙dk2=0,984-0,0032∙55=0,808
ετ=0,86-0,003∙dk2=0,86-0,003∙55=0,695
Коэффициент шероховатости: β=0,92
Коэффициенты асимметрии цикла: Ψσ=0,2; Ψτ=0,1
Осевой W и полярный Wp моменты сопротивления:
где b, t1 - ширина и глубина шпоночного паза на
валу.
Напряжения в опасном сечении
σm=0
Коэффициенты запаса прочности по нормальным напряжениям
изгиба:
Коэффициенты запаса прочности по касательным напряжениям
кручения:
Общий коэффициент запаса усталостной прочности:
Проверка условия прочностиn≥ [n] =1,7 8,85≥1,7
9.
Проверочный расчет подшипников выходного вала
Рисунок 2.
Реакции опор
Raz=234,4 Н
Rау=83,44 Hz=
229,2 Нy = 85,26 Н
Динамическая грузоподъемность подшипниковr=32000 H
Полные реакции опор
Приведенная радиальная нагрузка при отсутствии осевых сил:
где V = 1 - коэффициент вращения; R - большее значение
из полных реакций опор RA и RB; Кб =
1,4 - коэффициент безопасности; Кт = 1 - температурный
коэффициент. Долговечность подшипников
где tΣ=2453 час - суммарное
время работы передачи.
10. Подбор
соединительной муфты
Для соединения электродвигателя и редуктора выбираем муфту
упругую со звездочкой по ГОСТ 14084-76.
Проверка на передаваемый момент ТР:
где КH = 2 - коэффициент режима работы;
T1 - момент на входном валу;
[T] =63Н∙м - момент, передаваемый стандартной муфтой.
11.
Подбор смазки и уплотнений валов
Сорт масла выбирается по кинематической вязкости, которая зависит
от величины контактных напряжений в зубьях и окружной скорости колеса .
Для смазки редуктора при расчетном контактном напряжении = 463,4 МПа и окружной скорости
Выбираем масло индустриальное И-30А
Для уплотнения валов выбираем резиновые манжеты по ГОСТ 8752-79.
Основные детали и узлы редуктора.
Подшипники.
В опорах валов установлены радиальные шарикоподшипники легкой
серии. Габаритные размеры подшипников d, D и В берутся из каталога на
подшипники ГОСТ 8338-75.
Уплотнения.
В качестве уплотнения валов используются резиновые манжеты по ГОСТ
8752-79.
Болты, винты, гайки, шайбы пружинные.
Для соединения отдельных деталей редуктора используются резьбовые
соединения - болты, винты, гайки.
Болт, винт ГОСТ 7808-70
Гайка ГОСТ 2524-70
Шайба пружинная ГОСТ 6402-70
Подшипниковые узлы.
Подшипниковый узел воспринимает нагрузку от валов и передает ее на
корпус редуктора.
Он состоит из подшипников, крышки подшипника, уплотнения и
элементов крепления.
В узле с выходным участком вала устанавливают сквозную крышку
подшипника, в противоположном узле - глухую крышку подшипника.
В сквозной крышке для предотвращения выброса масла из редуктора
устанавливается уплотнение - резиновая манжета.
Крышки подшипников винтами присоединяются к корпусу редуктора и
ограничивают осевое смещение валов и подшипников.
Основные размеры сквозной и глухой крышек приведены на
соответствующих рисунках.
Шпоночное соединение.
Шпоночное соединение служит для передачи вращающегося момента с
вала на втулку (зубчатое колесо, полумуфта) и наоборот. ГОСТ 23360-78
Фланцевое соединение основания и крышки корпуса.
Соединение основания и крышки корпуса осуществляется стяжными
болтами диаметром dБ.
Для этого на основании и крышке корпуса выполняется фланец шириной
К=3dБ, где dБ - диаметр стяжного болта.
Толщина фланцев равна δфл=1,5δ, где δ - толщина стенки корпуса. С целью
предотвращения самоотвинчивания гайки болтовое соединение выполняют с пружинной
шайбой.
Штифты.
Конические штифты применяются для жесткого соединения и точной
установки и основания корпуса при сборке редуктора. Конические штифты имеют
конусность 1: 50.
ГОСТ 3129-70
Крышка смотрового люка (окна)
Для заливки масла и осмотра зубчатых колес в крышке корпуса
имеется смотровой люк (окно). Люки делают прямоугольной формы и закрывают
стальной крышкой. Размер люка должен быть максимально возможным и назначается
конструктивно. Чтобы внутрь корпуса не попадала пыль, под крышку ставят
прокладку из технического картона.
Маслоуказатель.
Контроль уровня масла, находящегося в редукторе, производится с
помощью жезлового маслоуказателя. Маслоуказатель устанавливается в положение,
обеспечивающем его свободное извлечение - маслоуказатель не должен упираться во
фланец корпуса. Угол наклона маслоуказателя находится в пределах а=. Масло заливается до уровня, обеспечивающего погружение зубчатого
колеса на высоту зуба.
Пробка сливная.
При работе передач масло постепенно загрязняется продуктами износа
и свойства его ухудшаются. Поэтому масло, налитое в корпус редуктора,
периодически меняют. Для этой цели в корпусе предусматривают сливное отверстие,
закрываемое пробкой с цилиндрической резьбой. Под пробку ставят уплотняющую
прокладку из маслостойкой резины. Маслоспускное отверстие выполняют на уровне
дна или несколько ниже его.
Пробка сливная имеет цилиндрический поясок и шестигранник под
ключ.
Сборка редуктора.
Перед сборкой внутреннюю полость корпуса редуктора тщательно
очищают и покрывают маслостойкой краской.
Сборку производят в соответствии со сборочным чертежом редуктора,
начиная с узлов валов:
на ведущий вал насаживают мазеудерживающие кольца и
шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле до 80-100°С;
в ведомый вал закладывают шпонку 16×10×70 и напрессовывают зубчатое колесо до упора
в бурт вала; затем надевают распорную втулку, мазеудерживающие кольца и
устанавливают шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле.
Собранные валы укладывают в основание корпуса редуктора и надевают
крышку корпуса, покрывая предварительно поверхности стыка крышки и корпуса
спиртовым лаком. Для центровки устанавливают крышку на корпус с помощью двух
конических штифтов; затягивают болты, крепящие крышку к корпусу.
После этого на ведомый вал надевают распорное кольцо, в
подшипниковые камеры закладывают пластичную смазку, ставят крышки подшипников с
комплектом металлических прокладок для регулировки.
Перед постановкой сквозных крышек в проточки закладывают войлочные
уплотнения, пропитанные горячим маслом. Проверяют проворачиванием валов
отсутствие заклинивания подшипников (валы должны проворачиваться от руки) и
закрепляют крышки винтами.
Далее на конец ведомого вала в шпоночную канавку закладывают
шпонку, устанавливают звездочку и закрепляют ее торцевым креплением; винт
торцевого крепления стопорят специальной планкой.
Затем ввертывают пробку маслоспускового отверстия с прокладкой и
жезловый маслоуказатель.
Заливают в корпус масло и закрывают смотровое отверстие крышкой с
прокладкой из технического картона; закрепляют крышку болтами.
Собранный редуктор обкатывают и подвергают испытанию на стенде по
программе, устанавливаемой техническими условиями.
Список
литературы
1.
Чернавский С.А., Боков К.Н., Чернин И.М. Курсовое проектирование деталей
машин: Учебное пособие. Издание третье стереотипное. Перепечатка с издания 1987
г. М.: ООО ТИД "Альянс", 2005.
.
Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин. М.:
Издательский центр "Академия", 2003.