Проектирование одноступенчатого редуктора с цилиндрическими прямозубыми эвольвентными зубчатыми колесами
Проектирование одноступенчатого
редуктора с цилиндрическими прямозубыми эвольвентными зубчатыми колесами
Введение
привод зубчатый колесо
Редуктор - это механизм состоящий из зубчатых или червячных передач,
заключенный в отдельный закрытый корпус.
Редуктор предназначен для понижения числа оборотов и, соответственно,
повышения крутящего момента.
Редукторы делятся по следующим признакам:
по типу передачи - на зубчатые, червячные или зубчато-червячные:
по числу ступеней - на одноступенчатые (когда передаче осуществляется
одной парой колес), двух-, трех- или многоступенчатые:
по типу зубчатых колес - на цилиндрические, конические или
коническо-цилиндрические;
по расположению валов редуктора в пространстве - на горизонтальные,
вертикальные, наклонные.
В данном курсовом проекте проектируется одноступенчатый редуктор с
цилиндрическими прямозубыми эвольвентными зубчатыми колесами в исполнении для
районов с умеренным климатом ( тип ЦУ).
Редуктор предназначен для работы в горизонтальном положении, опорной
плоскостью вниз.
Существующий ряд редукторов данного типа обеспечивает крутящие моменты на
тихоходном валу 250 - 4000 Н∙м в диапазоне передаточных чисел 2 ÷ 6,3. Межосевые расстояния - 100 ÷ 250 мм, массы - 27 ÷ 250 кг, кпд - 0,98.
Обозначение редуктора: ЦУ-160 , где 160 мм - межосевое расстояние.
Типовая конструкция редуктора представлена на рис. 1.
Корпус редуктора 4 и крышка 1 соединены болтами с двумя коническими
штифтами. Вал-шестерня 12 (быстроходный вал редуктора) вращается на двух
роликоподшипниках 11. Он находится в зацеплении с зубчатым колесом 7,
напрессованным на выходной вал 15, который вращается на двух роликоподшипниках
13. Регулировка подшипников осуществляется набором регулировочных колец 6 и 10,
устанавливаемых между торцом наружного кольца подшипника и закладными крышками
9 и 5. Неподвижные соединения уплотняются прокладками, а выходные концы валов -
манжетами 8 и 14 по ГОСТ 8752-79. Для залива масла в редуктор в крышке 1
предусмотрено отверстие, закрытое крышкой 2. Для струйной смазки поливанием в
крышке установлено сопло 3. Масло сливается через отверстие в нижней части
корпуса, закрытое пробкой 16. Для контроля за уровнем масла служит контрольная
пробка 17. Смазывание осуществляется из общей масляной ванны: деталей
зацепления - окунанием, а подшипников - разбрызгиванием.
При эксплуатации редукторов допускают кратковременные перегрузки,
возникающие при пусках и остановах, в 2,2 раза превышающие номинальные, если
число циклов- нагружения тихоходного вала за время действия этих перегрузок не
превысит 105 в течение всего срока службы редуктора. При работе
редукторов в реверсивном режиме номинальные крутящие моменты на тихоходном
валу, должны быть снижены на 30 %.
Рис.1. Общий вид одноступенчатого редуктора.
1. Общие
определения и рекомендации
Проектирование машин, механизмов и их узлов заключается в конструктивной
разработке общего расположения и выборе формы отдельных деталей. Основными
требованиями, предъявляемыми к объектам проектирования, принимают: прочность,
долговечность, экономическую целесообразность и безопасность в обслуживании.
Причем требование экономической целесообразности, определяемое стоимостью
затрат как на проектирование так и на изготовление и эксплуатацию, ставится на
одно из первых мест.
Стоимость объекта определяется стоимостью материалов, стоимостью
изготовления и обработки отдельных деталей, а также его массой и габаритами,
определяющими стоимость транспортировки, складских и производственных площадей.
С целью снижения стоимости деталей для их изготовления применяют наиболее
дешевые материалы. Например, при изготовлении деталей машин целесообразно
применять пластмассы вместо цветных и черных металлов. Вместе с тем снижение
стоимости может быть достигнуто, если основные детали машины изготовить из
более прочного, хотя и более дорогого материала. Например, применение
высокопрочных легированных сталей для изготовления деталей часто приводит к
значительному уменьшению их размеров, что приводит к уменьшению размеров всей
конструкции, в том числе и ее дорогостоящих корпусных деталей, а следовательно
к снижению полной стоимости конструкции.
Стоимость обработки деталей определяет выбор способа получения заготовок
и технологических маршрутов обработки деталей в рамках определенного производства.
Для снижения стоимости обработки руководствуются выбором наиболее простых
формообразующих поверхностей деталей, например цилиндрических и конических,
унификацией и применением стандартных деталей, а также использованием
прогрессивных методов изготовления, таких как сварка, холодная и горячая
штамповка, литье в кокиль и центробежное литье и др.
Габариты и масса в значительной степени определяются кинематической
схемой и компоновкой основных узлов и деталей.
Одним из наиболее эффективных средств экономии машиностроительных
материалов является использование точных методов расчета деталей машин,
позволяющих брать для последних минимальные запасы прочности. Рациональное и
грамотное использование расчетных методов, положенных в основу проектирования
деталей машин, приносит существенный экономический эффект как на стадиях
проектирования, так и в процессе производства и при эксплуатации машин.
Расчеты деталей на прочность, жесткость и устойчивость производят в
основном по формулам сопротивления материалов. Причем в последние десятилетия
для этих целей используют численные методы, например метод конечных элементов,
реализованные в пакетах компьютерных программ. Применение численных методов
повышает точность расчетов качественных характеристик машин, следовательно
влияет на эффективность их проектирования, производства и эксплуатации.
В условиях рыночной экономики при отсутствии плана экономического
развития экономическая целесообразность проектирования и производства машин
обосновывается бизнес-планами, которые определяют эффективность проекта на
основании стоимости работ, анализа рынка, условий конкуренции, прибыли,
инвестиций, факторов внешней среды и др. При этом оценка стоимости работ
требует достаточной конструкторской подготовки от специалистов, проводящих экономическую
экспертизу проектов.
2. Исходные
данные
При выполнении курсового проекта рекомендуется придерживаться следующего
порядка:
. Определить мощность на приводном валу и выбрать электродвигатель.
. Провести кинематический расчет привода.
. Рассчитать основные параметры зубчатых колес.
. Сконструировать вал редуктора и выполнить его чертеж.
Рис.2. Схема одноступенчатого прямозубого редуктора
Таблица 1. Исходные данные.
Величины
|
Вариант
|
|
2
|
Долговечность привода
|
t Ʃ = 30 000 часов
|
Требуемая мощность тихоходного вала
|
N2 = 5 кВт
|
Требуемая частота вращения тихоходного вала
|
n2 = 400 об/мин
|
Материал вала сталь 45 с термообработкой - улучшением, с
твердостью поверхности 215 НВ
|
3. Расчет силовых и кинематических характеристик привода
Определение
мощности на приводном валу
Привод состоит из редуктора и электродвигателя, соединенных посредством
зубчатой муфты. Соединение муфты с валом электродвигателя и быстроходным валом
редуктора производится посредством призматических шпонок. Тихоходный вал
редуктора также имеет шпоночный паз для соединения с последующими ступенями
машины и обеспечивающий передачу выходного крутящего момента T2.
Изобразим расчетную кинематическую схему привода (рис. 3).
Требуемая
мощность двигателя определяется по формуле
,
где
-мощность на тихоходном валу; -общий к. п. д. привода, равный произведению частных
к. п. д. кинематических пар
,
где
n -число зацеплений (n=1); x - число пар подшипников (x=2). Ориентировочные
значения частных к. п. д. приведены в таблице 2.
Таблица
2. Ориентировочные значения частных к.п.д., i
Наименование
|
Обычное изготовление
|
Точного изготовления и приработанные
|
Консистентная смазка
|
|
Жидкая смазка
|
|
Зубчатая передача с цилиндрическими колесами 0,9750,95 -0,980,95 - 0,97
|
|
|
|
Пара подшипников качения 0,99 - 0,995
|
|
Муфты 0,995
|
|
Рис.3.
Кинематическая схема редуктора.
Общий к. п. д. редуктора с одним зацеплением точного изготовления и двумя
парами подшипников качения вычислим на основании значения частных к. п. д.,
приведенных в таблице 2 по формуле:
.
Требуемая
мощность двигателя:
.
Выбор
электродвигателя
В общем машиностроении широкое распространение получили асинхронные
двигатели трехфазного тока с короткозамкнутым ротором.
Асинхронные
двигатели имеют ²жесткую² механическую
характеристику. При этом значительное изменение нагрузки вызывает
несущественное изменение частоты вращения ротора. Практически принимаем, что в
рабочем диапазоне нагрузок (исключая период пуска) частота вращения ротора = const, тогда частота вращения двигателя связана с
частотой вращения рабочего органа. Выбор двигателя производят из каталога по
номинальной мощности , при условии, что .
Для
нашего примера выберем электродвигатель 4A132S6Y3 со
следующими характеристиками: синхронная
частота вращения диаметр вала ротора кратность
максимального момента . Частота вращения ротора двигателя при номинальной
нагрузке меньше синхронной частоты и определяется по формуле:
,
Кинематический
расчет привода
Определим передаточное число редуктора по отношению частот
вращения входного и выходного валов
.
Полученное
значение лежит в рекомендованных для одноступенчатых передач пределах (1,6 -
8). Принимаем ближайшее стандартное значение по СТ СЭВ 229-75 (первый ряд) u=2
и уточняем частоту вращения тихоходного вала редуктора
.
При
этом угловые скорости вращения валов рассчитаем по формулам:
;
Вращающие
моменты на быстроходном и тихоходном валах (с учетом к. п. д.) соответственно:
;.
Таблица
3. Сводная таблица силовых и кинематических характеристик привода
№ вала
|
1. Быстроходный
|
2. Тихоходный
|
ni , число оборотов в минуту
|
960 об/мин.
|
400 об/мин.
|
, угловая скорость.
|
|
|
Ti, момент.
|
|
|
Ni, мощность двигателя
|
|
|
4. Расчет
параметров зубчатых колес
Определение
механических свойств материалов
Основной причиной выхода из строя зубчатых колес является повреждение
активных поверхностей зубьев в результате развития усталостного выкрашивания. В
расчетах прочности вводят ограничения по контактным напряжениям, допустимые
величины которых определяются на основании механических свойств материалов
зубчатых колес.
Традиционными материалами, применяемыми для изготовления зубчатых колес
являются конструкционные углеродистые и легированные стали. В технологическом
процессе изготовления зубчатых колес и валов предполагается термическая
обработка заготовок, которая изменяет механические свойства их материалов, в
частности, твердости поверхности НВ или HRC. Так при нормализации
("Н") или улучшении ("У") твердость заготовки не превышает
НВ 350, а при закалке "З" и цементации "Ц" или азотировании
поверхности достигается большая твердость НВ> 350 (HRC 56 -63). При
твердости НВ<350 с целью улучшения условий контактной прочности принимают
материал для шестерни на 10 -30 единиц выше, чем для колеса.
В процессе термической обработки механические свойства материалов, как
правило, неравномерны по толщине заготовки и по этой причине для детали в целом
они определяются диаметром ее заготовки.
По марке материала шестерни, приведенной в задании, выбираем для шестерни
сталь 45 с термообработкой улучшением НВ 240, а для колеса тоже сталь 45 с
термообработкой нормализацией НВ 215.
Примем предварительно: для шестерни диаметр заготовки до 100 мм, а для
колеса до 400 мм. При этом имеем:
-для
материала шестерни: предел текучести =440 МПа,
предел прочности =780 МПа;
для
материала колеса: предел текучести =280 МПа,
предел прочности =550 МПа.
Рассчитаем
допускаемые контактные напряжения для материала шестерни и колеса. Для чего по
заданной долговечности t=30 000 час. определяем число рабочих циклов:
-шестерни
60 960 30000=1,72 109;
-колеса
60 480 30000=0,86 109;
При
> 10 7 принимаем коэффициент долговечности =1
Коэффициент
безопасности для колес из нормализованной и улучшенной стали, а
также при закалке принимают =1,1 -
1,2.
Примем
=1,15.
Допускаемые
контактные напряжения для материалов зубчатой передачи определяются по формуле
,
где
- предел контактной выносливости при базовом числе
циклов. Принимаем при НВ£350 НВ = 2 НВ
+70, тогда:
для
шестерни = 550 МПа;
478,3
МПа;
для
колеса = 500 МПа.
434,8
МПа;
5. Расчет
параметров передачи
Основные размеры цилиндрических прямозубых передач внешнего зацепления
определяются параметрами венца: числом зубьев z, модулем m, коэффициентом
смещения x в соответствии с ГОСТ 13755 -81 (СТ СЭВ 308-76).
Введем
коэффициент, учитывающий динамичность нагрузки и неравномерность зацепления и определим межосевое расстояние из условия контактной выносливости и выбранного
значения коэффициента ширины колеса =0,4 по
следующей формуле:
Полученное
значение межосевого расстояния округляем до ближайшего значения по СТ СЭВ
229-75. Принимаем:
=100 мм.
Рис. 4. Параметры зубчатого зацепления
Приближенно оцениваем модуль зацепления
Определяем
суммарное число зубьев шестерни и колеса
,
а
также отдельно для быстроходной ступени передач
(с
учетом округления ) и тихоходной ступени
(с
учетом округления ). После чего уточняем передаточное число,
изменившееся из-за округлений числа зубьев до целых значений:
.
Основные
размеры шестерни и колеса вычислим с учетом следующих соотношений:
-делительные
диаметры:
;
;
-диаметры
вершин зубьев:
;
;
ширина
колеса прямозубой передачи при =0,4
;
ширина шестерни
,
диаметры окружностей впадин:
;
;
-коэффициент ширины шестерни по диаметру
Таблица 4. Сводная таблица параметров зубчатых колес
Параметр
|
i = 1
|
i = 2
|
Модуль зацепления, m
|
2 мм
|
2 мм
|
Число зубьев, zi
|
33
|
67
|
Делительный диаметр, di
|
66 мм
|
134 мм
|
Диаметр окружностей впадин, dfi
|
61 мм
|
129 мм
|
Диаметр вершин зубьев, dai
|
70 мм
|
138 мм
|
Ширина зубчатого венца, bi
|
44 мм
|
40 мм
|
Список
литературы
1. Курсовое проектирование деталей машин /Под общ. ред. В.Н.
Кудрявцева. - Л.: Машиностроение, 1984. - 400 с
. Кудрявцев В.Н. Детали машин. Л.:Машиностроение, 1980
. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. - Л.:
Машиностроение. 1983
. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т. 1,
2, 3. М.: Машиностроение, 2001.
. Детали машин: Атлас конструкций. Учебное пособие для
машиностроительных вузов, В.Н.Беляев, И.С. Богатырев, А.В. Буланже и др.; Под
ред. д-ра техн. наук проф. Д.Н.Решетова. М.: Машиностроение, 1979.
. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей
машин. Учебное пособие для машиностроительных вузов. М.: Высшая школа, 1985.
. Иванов М.Н., Иванов В.Н. Детали машин. Курсовое
проектирование. Учебное пособие для машиностроительных вузов. М.: Высшая школа,
1975.
. Ноздрина Т.А. Основы конструирования узлов и деталей
механического привода с учетом ЕСКД. Учебное пособие. Л.: Изд. ЛКИ, 1984.
. Чернавский С.А. и др. Проектирование механических передач.
Учебно-справочное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1984.