Проектирование привода к шнеку
Министерство науки и образования РК
Карагандинский государственный технический университет
Кафедра САПР
Пояснительная записка
к курсовой работе
по дисциплине «Основы конструирования и автоматизации проектирования»
Тема: «Проектирование привода к шнеку»
Руководитель
___________ ____________ __________
(оценка) (подпись) (дата)
Студент
___________ __________
(подпись) (дата)
Караганда 2009
Содержание
1 Выбор электродвигателя. Кинематический и силовой расчёт привода
1.1 Определение общего КПД привода
1.2 Определение требуемой мощности электродвигателя
1.3 Определение общего передаточного числа привода и разбивка его по ступеням
1.4 Кинематический и силовой расчёт привода
2 Расчет зубчатых колес редуктора
3 Предварительный расчет валов редуктора
3.1 Быстроходный вал
3.2 Тихоходный вал
4 Конструктивные размеры шестерни и колеса
5 Конструктивные размеры корпуса и крышки редуктора
6 Расчет цепной передачи
7 Первый этап эскизной компоновки редуктора
8 Проверка прочности шпоночных соединений
8.1 Быстроходный вал
8.2 Тихоходный вал
9 Выбор муфты
10 Второй этап компоновки редуктора
11 Вычерчивание редуктора
12 Выбор основных посадок деталей
13 Выбор сорта масла
14 Описание сборки редуктора
15 Список используемой литературы
1. Выбор электродвигателя. Кинематический и силовой расчёт привода
1.1 Определение общего КПД привода
Общий КПД привода равен произведению КПД отдельных передач и их элементов.
η>общ.>
= η>ц.п.>·η>з.п.>·(η>п.к.>)3·η>м.>
=
1.2 Определение требуемой мощности электродвигателя
Мощность на валу рабочего органа Р>вых> = 5 кВт
Требуемая мощность электродвигателя
Р>тр >=
=
кВт
По Р>тр> электродвигателя выбираем электродвигатель согласно условию:
Р>дв> ≥ Р>тр>
Р>дв> = 7,5 кВт
1.3 Определение общего передаточного числа привода и разбивка его по ступеням
Частота вращения рабочего органа
n>вых>
= 120
Принимаем синхронную частоту
вращения двигателя n>с>
= 1000
,
тогда асинхронная частота вращения
вала электродвигателя
n>дв>
= n>с>·(1-
)
=
Общее передаточное число привода равно произведению передаточных чисел отдельных передач
u>общ
>= u>ред
>·u>ц.п.
>=
=
Принимаем для цепной передачи u>ц.п>= 3
Находим:
u>ред
>=
=
Принимаем ближайшее стандартное значение u>ред.ст. >= 2,5
Тогда фактическое значение передаточного числа цепной передачи будет равно
U>ц.п.ф.
>=
=
Все полученные данные заносим в таблицу:
Таблица 1
|
Р>дв>, кВт |
7,5 |
|
Р>тр>, кВт |
5,81 |
|
n>c>,
|
1000 |
|
s % |
3,2 |
|
Типоразмер |
132М6 |
|
n>дв> |
968 |
|
n>вых> |
120 |
|
u>общ> |
8,06 |
|
u>ред.ст.> |
2,5 |
|
u>ц.п.ф.> |
3,22 |
1.4 Кинематический и силовой расчёт привода
1.4.1 Вал электродвигателя
Р>тр> = 5,81 кВт
n>дв>
= 968
Угловая скорость:
ω>дв >=
=
Вращающий момент:
Т>дв>
=
=
Нм
1.4.2 Вал I – быстроходный
n>1
>=n>дв>
= 968
ω>1>
=ω>дв>
= 101,32
Т>1> =
Т>дв>· η>м.>·
η>п.к.>
=
Нм
1.4.3 Вал II – тихоходный
n>2 >=
=
ω>2>
=
=
Т>2> =
Т>1>·
u>ред.ст.>·η>п.к.>·η>з.п.>
=
Нм
1.4.4 Вал III – рабочего органа
n>3>
=
ω>3> =
Т>3> =
Т>2>·u>ц.п.ф.>∙
η>ц.п..>·η>п.к.>
=
Нм
2. Расчет зубчатых колес редуктора
Выбираем материалы со средними механическими характеристиками: для шестерни сталь 45, термическая обработка – улучшение, твердость HB 230; для колеса – сталь 45, термическая обработка - улучшение, но твердость на 30 единиц ниже – HB 200.
Допускаемые контактные напряжения
,
=2HB+70
где
-
предел контактной выносливости при
базовом числе циклов.
K>HL>-
коэффициент долговечности; при числе
циклов нагружения больше базового, что
имеет место при длительной эксплуатации
редуктора, принимают K>HL>=1;
коэффициент безопасности
=1,10.
Для косозубых колес расчетное допускаемое контактное напряжение:
;
для шестерни
МПа;
для колеса
МПа
Тогда расчетное допускаемое контактное напряжение
МПа
Требуемое условие
выполнено.
Коэффициент
=1,25.
Принимаем для косозубых колес коэффициент ширины венца по межосевому расстоянию
Межосевое расстояние из условия контактной выносливости активных поверхностей зубьев по формуле
a
=112мм
Нормальный модуль зацепления принимаем по следующей рекомендации:
m>n>=
=
Принимаем m>n>> >=1,25мм.
Примем предварительный угол
наклона зубьев
и определим числа зубьев шестерни и
колеса
Принимаем z>1>=50,
тогда z>2>=z>1*>u=
Уточненное значение угла наклона зубьев
Основные размеры шестерни и колеса:
диаметры делительные:
Проверка:
мм
диаметры вершин зубьев:
диаметры впадин зубьев:
- 2,5 m>n>
=
мм
-2,5
m>n>>
>=
мм
ширина колеса b>2>=ψ>ba>a>w>=
мм;
ширина шестерни b>1>=b>2>+5мм
=
мм.
Определяем коэффициент ширины шестерни по диаметру:
ψ>bd>=
Окружная скорость колес и степень точности передачи
При такой скорости для косозубых колес следует принять 8-ю степень точности.
Коэффициент нагрузки K>H>=K>Hβ>K>Hα>K>Hν>;
K>Hβ>=1,08; K>Hα>=1,08; K>Hν>=1,0
K>H>> >=1,08∙1,08∙1,0=1,166
Проверка контактных напряжений
Силы, действующие в зацеплении:
окружная
радиальная
осевая
Проверяем зубья на выносливость по напряжениям изгиба:
Здесь коэффициент нагрузки K>F>=K>Fβ>K>Fν>. При ψ>bd>=0,78, твердости HB≤350 и несимметричном расположении зубчатых колес относительно опор K>Fβ>=1,17, K>Fν>=1,3.K>F>=1,17∙1,3=1,52; Y>F> – коэффициент, учитывающий форму зуба и зависящий от эквивалентного числа зубьев z>ν>:
у шестерни
у колеса
Y>F>>1>= 3,64 Y>F>>2>=3,60
Допускаемое напряжение
;
Для шестерни
МПа; для колеса
МПа.
[S>F>]=[S>F>]'[S>F>]"-
коэффициент безопасности, где [S>F>]'=1,75,
[S>F>]"=1.
Следовательно, [S>F>]=1,75.
Допускаемое напряжение:
для шестерни
для колеса
Находим отношения
для шестерни
для колеса
Дальнейший расчет следует вести для зубьев колеса, для которого найденное отношение меньше. Определяем коэффициенты Y>β> и K>Fα>:
для средних значений коэффициента торцового перекрытия ε>α>=1,5 и 8-й степени точности K>Fα>=0,92
Проверяем прочность зуба колеса:
МПа
<[σ>F>>2>]
=206МПа.
Условия прочности выполняются.
3. Предварительный расчет валов редуктора
Предварительный расчет проведем на кручение по пониженным допускаемым напряжениям.
3.1 Быстроходный вал
диаметр выходного конца при допускаемом напряжении [τ>к>]=25 МПа
Так как вал редуктора соединен муфтой с валом электродвигателя, то необходимо согласовать диаметры ротора d>дв> и вала d>в1>.
d>в1>= (0,75…1,15) d>дв> =(0,75…1,15) *38 =(28,5…43,7)мм
У подобранного электродвигателя диаметр вала d>дв> =38мм.
Выбираем МУВП по ГОСТ 21424-75 с расточками полумуфт под d>дв> =38мм, и d>в1> =35мм. Примем под подшипниками
d>п1 >= d>в1 >+5=35+5=40мм ,
d>пер
>=
мм,
d>f>>1
>=60,88мм, d>1>=64мм,
d>а1>=66,5
мм.
Рисунок 3.1– Конструкция ведущего вала
3.2 Тихоходный вал
Учитывая влияние изгиба вала от натяжения цепи, принимаем [τ>к>]=20 МПа.
Диаметр выходного конца вала
Принимаем ближайшее большее значение d>в2> =35 мм. Диаметр вала под подшипниками принимаем d>п2 >= d>в2> +5=35+5=40мм, под зубчатым колесом
d>к2 >= d>п2> +5=40+5=45мм, d>пер> = d>к2> +5=50мм.
Рисунок 3.2 – Конструкция ведомого вала
4. Конструктивные размеры шестерни и колеса
Шестерню выполняем за одно целое с валом; d>1> = 64мм; d>а1> = 66,5мм; d>f>>1>=60,88мм; b>1> =50 мм;
Колесо кованое d>2 >=160 мм; d>a>>2> = 162,5мм; d>f>>2> = 156,88мм; b>2> = 45мм.
Диаметр ступицы d>ст >= 1,6d>к2> = 1,6*45=72мм; длина ступицы l>c>>т> = (1,2÷1,5) d>к2> =(1,2÷1,5)·45=54÷67,5 мм, принимаем l>c>>т> =65мм.
Толщина обода δ>0> =(2,5 ÷ 4)m>n> = (2,5 ÷ 4)·1,25=3,125÷5мм, принимаем δ>0> = 8 мм.
Толщина диска С = 0,3 ∙ b>2> = 0,3·45=13,5мм, принимаем С = 14 мм
5. Конструктивные размеры корпуса и крышки редуктора
Толщина стенок корпуса и крышки: δ = 0,025a>w>+1 = 0,025·112+1=3,8 мм, принимаем δ = 8 мм; δ>1> = 0,02а>w> + 1 = 0,02·112 + 1=3,24 мм, принимаем δ>1> = 8 мм.
Толщина фланцев поясов корпуса и крышки:
верхнего пояса корпуса и пояса крышки
b = 1,5 δ = 1,5·8=12мм; b>1> = 1,5 δ>1> = 1,5·8=12мм;
нижнего пояса корпуса
p = 2,35 δ = 2,35·8=18,8мм; принимаем p = 19 мм.
Диаметры болтов:
фундаментных d>1>=(0,03 ÷ 0,036)a>w>+12=(0,03 ÷ 0,036)·112 +12=15,36 ÷16,03мм; принимаем болты с резьбой М16;
крепящих крышку к корпусу у подшипников d>2>=(0,7÷0,75)d>1>=(0,7÷0,75)·16=11,2÷12 мм ; принимаем болты с резьбой М 12;
соединяющих крышку с корпусом d>3>=(0,5÷0,6)d>1>= (0,5÷0,6)·16=8÷9,6мм; принимаем болты с резьбой М10.
6. Расчет цепной передачи
Выбираем приводную роликовую однорядную цепь.
Вращающий момент на ведущей звездочке Т>2> = 133,55·103Н∙мм.
Передаточное число было принято ранее u>ц> =3,22
Число зубьев: ведущей звездочки z>3>=31-2u>ц> =31-2·3,22=24,56;
ведомой звездочки z>4>= z>3>u>ц> =25·3,22=80,5.
Принимаем z>3>=25 и z>4> =81
Тогда фактическое
u>ц>
=
Отклонение
%
= -0,621%, что допустимо.
Расчетный коэффициент нагрузки
K>э>=k>д>k>а>k>н>k>р>k>см>k>п>=1·1·1·1,25·1·1=1,25,
где k>д> =1- динамический коэффициент при спокойной нагрузке; k>а> =1 учитывает влияние межосевого расстояния; k>н> =1- учитывает влияния угла наклона линии центров; k>р> учитывает способ регулирования натяжения цепи; k>р>=1,25 при периодическом регулировании натяжения цепи; k>см>=1 при непрерывной смазке; k>п> учитывает продолжительность работы в сутки, k>п>=1
Для определения шага цепи надо знать допускаемое давление [p] в шарнирах цепи. Ведущая звездочка имеет частоту вращения
n>2 >=387,2об/мин. Среднее значение допускаемого давления при n ≈ 400об/мин [p] =19 МПа.
Шаг однородной цепи (m = 1)
Подбираем по ГОСТ 13568-75, t =19,05 мм; разрушающая нагрузка Q ≈ 31,8кН; масса q =1,9кг/м; А>оп> =105,8 мм2.
Скорость цепи
м/с.
Окружная сила
Давление в шарнире проверяем по формуле
Уточняем допускаемое давление [p]=20 [1+0,01(z>3>-17)]= 20[1+0,01(25-17)]=21,6 МПа. Условие p < [p] выполнено.
Определяем число зубьев цепи:
где
;
Тогда
.
Округляем до четного числа
154.
Уточняем межосевое расстояние цепной передачи
Определяем диаметры делительных окружностей звездочек
;
.
Определяем диаметры наружных окружностей звездочек
где d>1>=11,91 мм – диаметр ролика цепи;
Силы, действующие на цепь:
окружная F>t>>ц>=
;
от центробежных сил F>v>=qv2=1,9·3,072 =18 H;
от провисания F>f>>
>=9,81k>f>qa>ц>=
9,81·1,5·1,9·946,29·10-3 =26,46Н,
где k>f>
= 1,5 при угле наклона передачи
.
Расчетная нагрузка на валы
F>в>=F>t>>ц
>+ 2F>f>>
>=
Н.
Проверяем коэффициент запаса прочности
Это больше, чем нормативный коэффициент запаса [s] ≈ 8,9; следовательно, условие s > [s] выполнено.
Размеры ведущей звездочки: ступица звездочки d>ст>= 1,6·35=56мм; l>c>>т> = (1,2÷1,6) ·35=42÷56 мм; принимаем l>c>>т >= 50 мм;
толщина диска звездочки 0,93В>вн >= 0,93·12,7=11,81мм, где В>вн >– расстояние между пластинками внутреннего звена.
7. Первый этап эскизной компоновки редуктора
Компоновку обычно проводят в два этапа. Первый этап служит для приближенного определения положения зубчатых колес и звездочки относительно опор для последующего определения опорных реакций и подбора подшипников.
Компоновочный чертеж выполняется в одной проекции – разрез по осям валов при снятой крышке редуктора; желательный масштаб 1 : 1, чертить тонкими линиями.
Примерно посередине листа параллельно его длинной стороне проводим горизонтальную линию; затем две вертикальные линии – оси валов на расстоянии а>w>> >= 112 мм.
Вычерчиваем упрощенно шестерню и колесо в виде прямоугольников; шестерня выполнена за одно целое с валом.
Очерчиваем внутреннюю стенку корпуса:
принимаем зазор между торцом ступицы колеса и внутренней стенкой корпуса А>1> = 1,2δ =1,2*8=9,6 мм, принимаем А>1>=10мм;
принимаем зазор от окружности вершин зубьев колеса до внутренней стенки корпуса А = δ = 8 мм;
принимаем расстояние между наружным кольцом подшипника ведущего вала и внутренней стенкой корпуса А= δ =8 мм.
Предварительно намечаем радиальные шарикоподшипники средней серии;
габариты подшипников выбираем по диаметру вала в месте посадки
подшипников d>п1 >=40 мм, d>п2 >=40 мм.
Таблица 7.1
|
Условное обозначение подшипника |
d |
D |
B |
Грузоподъемность, кН |
|
|
Размеры, мм |
C |
C>0> |
|||
|
208 |
40 |
80 |
18 |
32 |
17,8 |
Решаем вопрос о смазывании подшипников. Смазка подшипников осуществляется разбрызгиванием масла из ванны редуктора. Расстояние от внутренней стенки редуктора до подшипников принимаем равным y = 2 мм. Измерением находим расстояние на ведущем валу l>1>=53,5мм и на ведомом валу l>2 >= 53,5 мм.
8. Проверка прочности шпоночных соединений
Шпонки призматические со скруглёнными концами. Размеры сечений шпонок и пазов и длины шпонок – по ГОСТ 23360-78
Материал шпонок – сталь 45 нормализованная.
Напряжения смятия и условие прочности по формуле:
Допускаемые напряжения смятия
при стальной ступице
МПа, при чугунной
МПа.
8.1 Быстроходный вал
8.1.1 Проверяем шпоночное соединение под полумуфтой
d = 35мм;
b
h
= 10×8 мм;
t>1>= 5 мм;
длина шпонки l = 50 мм (при длине ступицы полумуфты МУВП 58 мм);
момент на быстроходном валу Т>1>=
Нмм;
Материал полумуфт МУВП – чугун марки СЧ 20.
8.2 Тихоходный вал
8.2.1 Проверяем шпоночное соединение под зубчатым колесом
d= 45мм;
bh=14×9
мм;
t>1>=5,5 мм;
длина шпонки l=56 мм (при длине ступицы колеса 65 мм);
момент на тихоходном валу Т>2>=133,55·103 Н·мм;
Материал колеса – сталь 45
8.2.2 Проверяем шпоночное соединение под звездочкой
d=35 мм;
bh=
10×8мм;
t>1>=5 мм;
длина шпонки l=40мм (при длине ступицы звездочки 50мм);
момент на тихоходном валу Т>2>=
Нмм;
Обычно звездочки изготовляют из термообработанных углеродистых или легированных сталей.
Условие
выполнено.
9. Выбор муфты
Для соединения быстроходного вала редуктора с валом электродвигателя выбираем муфту по величине расчетного крутящего момента:
,
где
-
расчетный крутящий момент,
-
номинальный момент,
К- коэффициент режима работы привода,
[T] – допускаемый крутящий момент.
При постоянной нагрузке принимаем К =1,5
Номинальный момент Т>1>
= 55,63Нм
=1,5·55,63=83,45
Нм
Выбираем полумуфту упругую втулочно-пальцевую по ГОСТ 21424-75 для диаметра выходного конца быстроходного вала d>в1> =35 мм и с крутящим моментом [T] =250 Hм.
=83,45
< [T]
=250 Hм.
10. Второй этап компоновки редуктора
Второй этап компоновки имеет целью конструктивно оформить зубчатые колеса, валы, корпус, подшипниковые узлы и подготовить данные для проверки прочности валов и некоторых других деталей.
Примерный порядок выполнения следующий.
Вычерчиваем шестерню и колесо по конструктивным размерам, найденными ранее (2). Шестерню выполняем заодно целое с валом.
Конструируем узел быстроходного вала:
наносим осевые линии, удаленные от середины редуктора на расстояние l>1>. Используя эти осевые линии, вычерчиваем в разрезе подшипники качения;
вычерчиваем крышки подшипников с уплотнительными прокладками (толщиной ~ 1мм) и болтами. Болт условно заводится в плоскость чертежа, о чем свидетельствует вырыв на плоскости разъема.
Переход вала 40мм к присоединительному концу 35мм выполняют на расстоянии 10-15мм от торца крышки подшипника так, чтобы ступица полумуфты не задевала за головки болтов крепления крышки.
Длина присоединительного конца вала 35 мм определяется длиной ступицы полумуфты.
Аналогично конструируем узел тихоходного вала. Обратим внимание на следующие на следующие особенности:
для фиксации зубчатого колеса в осевом направлении предусматриваем утолщение вала с одной стороны и установку распорной втулки – с другой; место перехода вала от 45 мм к 40 мм смещаем на 2-3 мм внутрь колеса, чтобы гарантировать прижатие распорной втулки к торцу колеса;
отложив от середины редуктора расстояние l>2>, проводим осевые линии и вычерчиваем подшипники;
Вычерчиваем крышки подшипников с прокладками и болтами;
На быстроходном и тихоходном валах применяем шпонки призматические со скругленными торцами по ГОСТ 23360-78. вычерчиваем шпонки, принимая их длины на 5-10 мм меньше длин ступицы.
11. Вычерчивание редуктора
Редуктор вычерчивают в двух проекциях на листе формата А1(594*841 мм) в масштабе 1:1 с основной надписью и спецификацией.
12. Выбор основных посадок деталей
Посадка зубчатого колеса на вал
по ГОСТ 25347-82.
Посадка звездочки цепной передачи
на вал редуктора
.
Шейка валов под подшипники выполняем с отклонением вала k6. отклонения отверстий в корпусе под наружные кольца по H7.
Посадка распорного кольца на
вал
.
13. Выбор сорта масла
Смазывание зубчатого зацепления производится окунанием зубчатого колеса в масло, заливаемое внутрь корпуса до уровня, обеспечивающего погружение колеса примерно на 10 мм. Объем масляной ванны V определяем из расчета 0,25 дм3> >масла на 1 кВт передаваемой мощности: V =0,25дм3·5,81=1,45дм3
Устанавливаем вязкость масла.
При контактных напряжениях
и скорости v = 3,24м/с рекомендуемая вязкость
масла должна быть примерно равна 28∙10-6
м2/с. Принимаем
масло индустриальное И-30А (по ГОСТ
20799-75).
Камеры подшипников заполняем пластичным смазочным материалом УТ-1.
14. Описание сборки 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 быстроходный вал насаживают шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле до 80-100ºС;
в тихоходный вал закладывают шпонку и напрессовывают зубчатое колесо до упора в бурт вала; затем надевают распорную втулку 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, крепят крышку к корпусу.
После этого на тихоходный 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 манжетные уплотнения. Проверяют проворачиванием валов отсутствие заклинивания подшипников (валы должны проворачиваться от руки) и закрепляют крышки винтами.
Далее на конец тихоходного вала в шпоночную канавку закладывают шпонку, устанавливают звездочку и закрепляют ее торцовым креплением; винт торцового крепления стопорят специальной планкой.
Затем ввертывают пробку маслоспускного отверстия с прокладкой и жезловый маслоуказатель.
Заливают в корпус масло и закрепляют смотровое отверстие крышкой с прокладкой из технического картона; закрепляют крышку болтами.
Собранный редуктор обкатывают и подвергают испытанию на стенде по программе, устанавливаемой техническими условиями.
15. Список используемой литературы
1. Чернавский С.А., Боков К.Н. Курсовое проектирование деталей машин: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1987г.
2. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1985г.