Привод с цилиндрическим одноступенчатым вертикальным косозубым редуктором
Курсовой проект
Привод с цилиндрическим одноступенчатым вертикальным косозубым редуктором
Екатеринбург 2010
Введение
Редуктором называют механизм, состоящий зубчатых или червячных передач, выполненный в виде отдельного агрегата.
Редуктор предназначен для понижения угловой скорости и повышения крутящего момента ведомого вала по сравнению с ведущим.
Редуктор состоит из корпуса (литого чугунного или сварного стального), в котором помещают элементы передачи – зубчатые колеса, валы, подшипники и т.д.
Чаще всего в технике применяются цилиндрические зубчатые передачи из-за ряда преимуществ:
1. Компактность.
2. Возможность передачи больших мощностей.
3. Постоянство передаточного отношения.
4. Применение недефицитных материалов.
5. Простота в обслуживании.
Шевронные зубчатые колёса из-за сложности изготовления применяются реже, главным образом для тяжело нагруженных передач и в тех случаях, когда недопустима осевая нагрузка на опоры.
1. Выбор электродвигателя и расчет кинематических параметров привода
1.1 Требуемая мощность электродвигателя
P>тр>=,
где T-крутящий момент на валу исполнительного механизма, Т=Н•М;
n – частота вращения вала исполнительного механизма, n=120 об/мин;
з>0> – общий КПД привода,
з>0>= з>ред*> з>ц.п.>
з>зп> – кпд зубчатой передачи, з>зп >=0,98;
з>пк> – кпд пары подшипников качения, з>пк>=0,99;
з>ц.п >= кпд цепной передачи з>ц.п.>=0,92
з>ред >= з>з. п. *> з>п.к.>2 =0,98*0,992=0,96
з>0>=0,96*0,92=0,88
P>тр> = =6,8 кВт.
1.2 Выбор электродвигателя
Марка электродвигателя 132M6
Мощность P>э>=7,5 кВт.
Синхронная частота n>c>= 1000 об/мин.
Скольжение S=3,2%.
Диаметр вала электродвигателя d>э>=32 мм.
Расчет привода выполнен по кинематической схеме привода
1.3 Частоты вращения валов
Вала электродвигателя n>э >= n>c>•(1 – (0.01•S)) =1000*(1 – (0,01*3,2))=968 об/мин.
Валов редуктора: быстроходного n>б>=968 об/мин;
тихоходного n>т>= n>б> / U>ред.> =968/3,55=272,6 об/мин.
Вала исполнительного механизма (расчетная) n>к>= n>т>/U>ц.п.>=272,6/2,5=109,07 об/мин.
1.4 Передаточные числа
Редуктора U>p>=n>б>/n>т>=968/272,6=3,55
Передач:
U>З.П.>=3,2; U>Ц.П.>=2,5; U>ПРИВОДА>=8,06
U>З.П.(ТАБЛ.)>=3,55
1.5 Крутящие моменты на валах
Вал электродвигателя T>э>=9550*6,8/968=67,09 Н•М.
Валы редуктора: быстроходный T>б>=9550*6,8/968=67,09 Н•М,
тихоходный T>т>= 9550*6,5/272,6=227,7 Н•М.
Вал исполнительного механизма T>к>=9550*5,98/109,07=523,6 Н•М.
2. Расчет цилиндрической зубчатой передачи
2.1 Выбор материалов и определение допускаемых напряжений
Определяем размеры характерных сечений заготовок по формулам (1), принимая, что при передаточном числе зубчатой передачи u > 2.5 шестерня изготавливается в виде вал-шестерни. Тогда
D>m>>1>=20•= 20•=53,27 мм,
S>m>>2>= 1.2•= 1.2••= 14.54 мм.
Диаметр заготовки для колеса равен d>к> = u•D>m1>= 3,55•53.27=189,1 мм.
Выбираем для шестерни Сталь 45, термообработка улучшение, твердость поверхности зуба шестерни 262 НВ, D>m>=125 мм > D>m>>1.>
Выбираем для колеса Сталь 45, термообработка нормализация, твердость поверхности зуба шестерни 207 НВ
Механические свойства материалов:
Шестерня
Материал Сталь 45
Термическая обработка Улучшение
Твердость поверхности зуба 235–262 НВ
Колесо
Материал Сталь 45
Термическая обработка нормализация
Твердость поверхности зуба 179–207 НВ
Расчет допускаемых контактных напряжений
>,>
где j=1 для шестерни, j=2 для колеса;
>H>> >>lim>> >>j> предел контактной выносливости, S>H>>j> коэффициент безопасности,
К>HL>> >- коэффициент долговечности;
К>HLj> =,
N>HOj> – базовое число циклов при действии контактных напряжений (табл. 4),
N>HO>>1>= циклов, N>HO>>2> = циклов
Коэффициент эквивалентности при действии контактных напряжений – >h>>,> определим по табл. 6 в зависимости от режима нагружения.
Режим нагружения, 4 – легкий >h> = 0,125
t>h> – суммарное время работы передачи в часах;
t>h>> >= L•365•24•K>г>•К>с>•ПВ;
Kг – коэффициент использования передачи в течение года;
Kс – коэффициент использования передачи в течение суток;
L – срок службы передачи в годах; ПВ – продолжительность включения;
Кг= 0.5, Кс= 0.8, L= 10 лет, ПВ=70%=0.7, t>h>> >= 24528 ч.
N>>>j> суммарное число циклов нагружения, N>>>j> = 60•n>j>•c•t>h>>;>
с – число зацеплений колеса за один оборот, с = 1;
n>j>> >– частота вращения> >j-го колеса, n>1>= 968 об/мин, n>2>= 272,6 об/мин;
N>>>1>= 60•968•1•24528 = 1424586240=1,4•109,
N>>>2>= 60•272,6•1•24528 = 401179968 =0.4•109
N>HEj> – эквивалентное число циклов контактных напряжений;
N>HE j>= N>Уj> >h; >N>HE1>=178073280 =0,18•109, N>HE2>= 50147496 =0.05•109
Коэффициенты долговечности: К>HL>>1>= 1, К>HL>>2>= 1.
Значения >H>> >>lim>> >>j>> >и S>H>>j> найдем по табл. 5: >Hlim>>1>= 2 НВ>1> + 70=2•262+70=594 МПа,
>Hlim>>2>= 2 НВ>2> + 70=2•207+70=484 МПа, S>H>>1>= 1.1, S>H>>2>=1.1
Допускаемые контактные напряжения: >HP>>1>= 540 МПа, >HP>>2>=440 МПа.
Допускаемые контактные напряжения для косозубой передачи
>HP>=0.45 (>HP>>1>+>HP>>2>) 1.23•>HP>>2>,
>HP>=0.45 (540+440)=441 МПа, =1.23•>HP>>2>=541.2 МПа.
Учитывая, что >НР> ≤ 1.23•>HP>>2>, окончательно принимаем >HP>=441 МПа.
Расчет допускаемых напряжений изгиба
,
где >F>> >>lim>> >>j> предел выносливости зубьев при изгибе (табл. 7),
>F lim 1> =1.75•HB>1>=1.75•262 = 458.5 МПа, >F lim 2> = 1.75•207 = 362.25 МПа.
S>Fj> коэффициент безопасности при изгибе (табл. 7): S>F>>1>= 1.7, S>F>>2>=1.7
K>FLj> коэффициент долговечности при изгибе:
К>FLj> =,
q>j> – показатели степени кривой усталости: q>1> = 6, q>2> = 6 (табл. 6);
N>FO> – базовое число циклов при изгибе; N>FO>> >= 106.
N>FEj> – эквивалентное число циклов напряжений при изгибе; N>FE>> >>j>= N>У>>j> >Fj>>.>
Коэффициент эквивалентности при действии напряжений изгиба – >Fj>> >определяется по табл. 6 в зависимости от режима нагружения и способа термообработки: >F>>1 >=0.038, >F>>2> = 0.038,
N>FE>>1> = 1424586240•0.038 = 54134277,12; N>FE>>2> = 401179968•0.038 = 15244838,78
Поскольку N>FE>> >> N>FO>, принимаем
К>FL>>1 >= 1, К>FL>>2 >= 1;
K>FCj> коэффициент, учитывающий влияние двухстороннего приложения нагрузки для реверсивного привода, K>FC>>1>= 0.65, K>FC>>2>= 0.65.
Допускаемые напряжения изгиба: >F>> >>P>> 1 >= 175.309 МПа, >F>> >>P>> 2 >= 138.507 МПа.
Межосевое расстояние определяем из условия контактной прочности:
a>w>> >= K>a>•(u + 1) ,
редуктор передача электродвигатель агрегат
где K>a> – коэффициент вида передачи, K>a>> >= 410 для косозубых передач,
ш>ba> – коэффициент ширины венца по межосевому расстоянию, выбираем из ряда по ГОСТ 2185–66 с учетом расположения опор относительно зубчатого венца ш>ba> = 0.4,
К>Н> коэффициент контактной нагрузки, принимаем на этапе проектного расчета К>Н> =1.2.
Расчетное межосевое расстояние a>w> = 123.69 мм. Полученную величину округлим до ближайшего стандартного значения (табл. 2): a>w> =125 мм.
Находим ширину колеса и шестерни по формулам: b>w>>2 >= ш>ba> a>w>=0.4•125=50>,>
b>w>>1 >= b>w>>2 >+2…5=50+4 =54. Полученные значения округляем до ближайшего числа из ряда нормальных линейных размеров по ГОСТ 6636–69: b>w>>1 >= 54 мм, b>w>>2 >= 50 мм.
Модуль выбираем из диапазона m=(0.01…0.02)•a>w>=(1,25…2,5) и округляем до стандартного значения по ГОСТ 9563–60 (табл. 1), учитывая, что применение модуля меньше 2 мм для силовых передач не рекомендуется: m= 2,5.
Для косозубых передач стандартизован нормальный модуль m>n> =m = 2,5.
Суммарное число зубьев: для прямозубой передачи Z=, для косозубой передачи Z=, где >1> – начальный делительный угол наклона зуба(=12 для косозубых передач).
Суммарное число зубьев получим округлением Z=97,81 до ближайшего целого числа: Z>У >= 98.
Для косозубых и шевронных передач определяем делительный угол наклона зуба по формуле>>= 11028’42’’. Число зубьев шестерни и колеса, а также уточненное передаточное отношение равны:
, Z>2>= Z-Z>1, >> >>;>
Z>1> = 22, Z>2> = 76, U>ф> = 3,46.
Если Z>1>> 17, то принимают коэффициенты смещения x>1>=0, x>2>=0, суммарный x>>= 0.
При u4.5 отличие фактического передаточного числа от номинального должно быть не больше 2.5%.
u=100=100=2.5%≤2.5%.
Определение диаметров окружностей зубчатых колес.
Делительные окружности косозубых колес d>j>=,
d>1> = 56,122 мм, d>2> = 193.8778 мм.
Окружности впадин зубьев: d>fj> = d>j>- (1.25 – x>j>),
d>f>>1> = 49.872 мм, d>f>>2> = 187.6268 мм.
Окружности вершин зубьев:
d>a1> = 2• a>w> – d>f2> – 0.5•m = 61.1232 мм,
d>a2> = 2• a>w> – d>f1> – 0.5•m = 198.878 мм.
Окружная скорость в зацеплении V= = 2.845 м/с. Для полученной скорости назначим степень точности передачи n>ст>=8 (табл. 8), учитывая, что n>ст>=9 для закрытых зубчатых передач применять не рекомендуется.
3. Проверочный расчет передачи
Проверка на выносливость по контактным напряжениям
Определим контактные напряжения по формуле
=,
где Z= 8400 для косозубых передач.
K>H> коэффициент контактной нагрузки, K>H> = K>Hб> K>Hв> K>HV.>
Коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями равен
K>H>>б >=1+A•(n>ст>-5)•К,
где А=0.15 для косозубых передач,
К- коэффициент, учитывающий приработку зубьев. Если НВ>2>350, то К определяют по формуле:
К=0.002•НВ>2> + 0.036•(V-9),
В результате расчета получим: К= 0.192, K>H>>б>= 1.086
Динамический коэффициент определим методом интерполяции по табл. 10: К>Н>>V>> >=1.037
Коэффициент неравномерности распределения нагрузки по ширине колеса> >определяется по формуле
К>Н>>b>> >= 1+ (K -1) К,
где K=1.035 – коэффициент распределения нагрузки в начальный период работы (табл. 9).
В таблице значение K дано в зависимости от коэффициента ширины венца по диаметру , величина которого определяется выражением =0.5 (u + 1)= 0,91. Окончательно получим К>Н>>b>> >= 1.0067, коэффициент контактной нагрузки K>H>= 1.134. Расчетные контактные напряжения >H> =419.743 МПа. Допускается перегрузка по контактным напряжениям не более 5%, рекомендуемая недогрузка до 15%. Поскольку <>HP>>,> выполняем расчет недогрузки по контактным напряжениям
=100=100=4,82%<15%.
Проверка на выносливость по напряжениям изгиба
Проверочный расчет на выносливость при изгибе выполняется по формулам:
, ,
где Y>Fj> коэффициенты формы зуба, определяются по формуле
Y>Fj>=3.47++0.092•,
здесь Z>Vj>= – эквивалентное число зубьев, Z>V>>1>= 23.3746, Z>V>>2>= 80.7487,
Y>F>>1>= 4.035, Y>F>>2>=3.633
Y>> коэффициент, учитывающий влияние угла наклона зуба на его прочность,
= 0.885 > 0.7,
Y- коэффициент, учитывающий перекрытие зубьев, Y= для непрямозубых передач. Получим Y= 0.603
Коэффициент торцевого перекрытия=(1.88–3.2•(+))•cos=1.6586.
Коэффициент нагрузки при изгибе К>F> определяем по формуле K>F> = K>F>>б> K>F>>в> K>FV>>.>
Коэффициенты, входящие в эту формулу, имеют такой же физический смысл что и коэффициенты в формуле для К>Н>. Для их определения используют следующие зависимости: K>F>>б>=1+A•(n>ст>-5) для непрямозубых передач, K>F>>в> = 0.18+0.82 K, K>FV> = 1+1.5•(K>HV>-1) при НВ>2 ><350.
K>F>>б> = 1.45, K>F>>в> = 1.028, K>FV>> >= 1.056, K>F>> >= 1.574.
Расчетные напряжения изгиба
< ,
< .
Допускается перегрузка по напряжениям изгиба не более 5%, недогрузка не регламентируется.
4. Определение сил в зацеплении
Окружная сила: , F>t>> >= = 2390.86 Н.
Радиальная сила: , F>r>> >=2390.86•= 887.96 Н.
Осевая сила: F>a>=F>t>>, >F>a>> >= 2390,86• tg=485.48 Н.
4.1 Суммарное время работы передачи
t>h>> >= 0.01•L•365•24•K>г>•К>с>•ПВ;
K>г> – коэффициент использования передачи в течение года;
K>с> – коэффициент использования передачи в течение суток;
L – срок службы передачи в годах; ПВ – продолжительность включения;
К>г>=0,5, К>с>=0,8, L=10 г., ПВ=70%,
t>h>> >= 24528 ч.
4.2 Эквивалентный срок службы передачи
t>hE>=K>E>•t>h>,
где K>E>> >– коэффициент приведения режима нагружения,
K>E>=0,125,
t>hE>=0,125*24528=3066 ч.
4.3 Число зубьев ведущей звездочки
Z>1>=29–2•U=24.
4.4 Число зубьев ведомой звездочки
Z>2>=Z>1>•U=60.
4.5 Фактическое передаточное отношение
U>ф>== 2,5.
4.6 Коэффициент эксплуатации
K>э>=K>д>•K>н>•K>р>•K>с>,
где K>д >– коэффициент динамичности нагрузки, K>д>=1 (т. к. спокойная);
K>н >– коэффициент, учитывающий наклон линии центров звездочек к горизонту,
K>н>= 1 (т.к. наклон меньше 60 град);
K>р >– коэффициент, учитывающий способ регулировки натяжения цепи,
K>р>=1,25 т.к. периодический;
K>с >– коэффициент, учитывающий способ смазки передачи,
K>с>= 1,4 (т.к. при периодической смазке K>с >=(1,3……1,4));
K>э>=1*1*1,25*1,4=1,75.
4.7 Выбор цепи
Расчетное значение шага цепи
t>p>=, t>p>= =16,68 мм.
Выбрана цепь ПР – 19,05–2500
со следующими характеристиками:
шаг t =19,05 мм,
площадь опорной поверхности шарнира цепи A= 105,8 мм2,
масса одного погонного метра цепи q>m>=1,9 кг/м,
диаметр ролика D>p>=11,91 мм,
расстояние между внутренними пластинами B>BH>=12,7 мм.
4.8 Число звеньев цепи
L>t>=2•A>t>+0.5•(Z>1>+Z>2>)+=2*40+0,5*(24+60)+=122,8
Приняли после округления L>t>=123.
4.9 Длина цепи
L=t•L>t>=19,05*123=2343 мм.
4.10 Межосевое расстояние
a=0.25•t•[Y+,
где Y=L>t>-0.5•(Z>1>+Z>2>)= 123–0,5*(24+60)=81,
a= 0.25•19,05•[81+ =763,7 мм
4.11 Диаметры делительных окружностей звездочек
d>j>=, d>1>==145,9 мм, d>2>= =364 мм.
4.12 Максимальная допустимая частота вращения ведущей звездочки
n>max>=,
где W – геометрическая характеристика цепи, W=,
W= = 1,99,
- коэффициент скорости удара цепи о зуб звездочки,
=sin= sin =0,71
n>max>= =1088,8 об/мин. (n>1> < n>max>; 272,6 < 1088,8)
4.13 Допускаемое давление в шарнире цепи
[p]=, [p]= =75,78 МПа.
4.14 Окружное усилие в цепи
F>t>===3121,3 Н.
5. Расчет тихоходного вала
Расчет выполняется на кручение по пониженным допускаемым напряжениям [>k>]. Ориентировочно определяем диаметр вала в опасном сечении в мм по формуле
d=,
Т – крутящий момент на валу, [Нм]
Полученный результат округляем до ближайшего значения из стандартного ряда
d==38 мм,
Наименование опасного сечения – I
Диаметр вала в опасном сечении d =48 мм
Определение опорных реакций
Горизонтальная плоскость
R>1Г >=81,63 Н
R>2Г >=2477,4 Н
Вертикальная плоскость
R>1В >=72,18 Н
R>2В >=815,77 Н
Радиальные опорные реакции:
R>1 >== 8164,02 Н
R>2 >== 2608,25 Н
Моменты в опасном сечении
M>Г >= 448174,4 Н – изгибающий момент в горизонтальной плоскости;
M>B>> >= 0 – изгибающий момент в вертикальной плоскости;
M===448174,4 Н*мм
где M – суммарный изгибающий момент.
Осевая сила в опасном сечении F>a>> >=485,48 Н
Коэффициенты запаса прочности
n =,
где n>> коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям,
n>>> >= ,
>-1> – предел выносливости стали при симметричном цикле изгиба;
>-1 >=0,43*>В;> >В>=570 МПа
>-1>=0,43*570=245,1 МПа
k>> эффективный коэффициент концентрации нормальных напряжений;
>>> >– масштабный фактор, учитывающий размеры детали при изгибе;
=2,7 (по таблице)
= 0,95 – коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности;
>>=0,15 – коэффициент, учитывающий различное влияние на усталостную прочность амплитудных и средних напряжений цикла при изгибе;
>а> – амплитуда цикла нормальных напряжений,
>а >=,
W>x>> >–осевой момент сопротивления,
W>x>=10,86*10-6,
>а>=41,268 МПа
>m> – среднее напряжение цикла нормальных напряжений,
>m>> >= ,
A = 3,14*1,809*10-3 мм2 – площадь опасного сечения
>m>> >= КПа = 0,27 МПа
n>> коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям
n>ф >=
ф >-1>=142,158 МПа–предел выносливости стали при симметричном цикле кручения,
k >ф> эффективный коэффициент концентрации касательных напряжений;
е >ф> – масштабный фактор, учитывающий размеры детали при кручении;
=0,6*+0,4=0,6*2,7+0,4=2,02
=0,1 – коэффициент, учитывающий различное влияние на усталостную прочность амплитудных и средних напряжений цикла при кручении;
ф>a>> >и ф>m>> >– амплитудное и среднее напряжения цикла касательных напряжений,
Для от нулевого цикла ф>a> = ф>m> = , где W>p>> >– полярный момент сопротивления, W>p>=2* W>x> =2*10,86*10-6=21,72*10-6
ф>a>> >= 5,24 МПа
n>>=2,31; n>ф >=13,43
Суммарный коэффициент запаса прочности в опасном сечении
n=2,28 >2
Толщина стенки корпуса и крышки одноступенчатого цилиндрического редуктора:
д = 0,025*a>w>+1=0.025*125+1=4,125 => д = 8 мм.
д>1 >= 0.02*a>w> +1=0.02*125+1=3,5 => д>1>=8 мм.
Толщина верхнего пояса (фланца) корпуса:
b=1.5 д, b =1,5*8= 12 мм,
Толщина нижнего пояса (фланца) крышки корпуса:
b>1>=1,5 д>1,>
b>1>=1,5*8=12 мм,
Толщина нижнего пояса корпуса:
P=2.35*д=2.35*8=18.8 мм
Толщина ребер основания корпуса
m=0,9д=7,2 мм
толщина ребер крышки
m=0.9 д=7.2 мм
Диаметр фундаментальных болтов:
d>1>=0,036 a>w> +12, d>1>=0,036*125+12=16,5 мм,
после округления до ближайшего большего значения принимаем d>1>=16 мм.
Диаметр болтов:
у подшипников
d>2> =0,7d>1>, d>2> =0,7*16=11,2 мм,
принимаем d>2> =12 мм,
на фланцах:
d>3> =0,55d>1>, d>3> =0,55*16=8,8,
принимаем d>3> =12 мм.
Расчет конических штифтов:
диаметр d= d>3 >d=12 мм
длина L = b+ b>1> +5, l =12+12+5 = 29 мм
Высота бобышки под болт d>2>
h>В> выбирают конструктивно, так чтобы образовалась опорная поверхность под головку болта и гайку.
Смазывание зубчатого зацепления производится окунанием колеса в масло, заливаемое внутрь корпуса до уровня, обеспечивающего погружение колеса примерно на 10 мм.
По таблице устанавливаем вязкость масла. При контактных напряжениях у>HP>=441 МПа, скорости V=2,8 м/с и температуре около 500С – вязкость масла определяем равной 28*10-6 м2/с.
Принимаем масло индустриальное И-30-А. (И-индустриальное, А – по эксплуатационным свойствам является маслом без присадок, класс кинематической вязкости – 22).
Для контроля уровня масла используется фонарный маслоуказатель. Для слива масла служит отверстие у дна корпуса, закрываемое пробкой с цилиндрической резьбой.
В крышке редуктора имеется люк. В крышке люка устанавливается отдушина, через которую выходит воздух, расширяющийся от выделения тепла в зацеплении. Люк, закрываемый крышкой, используется для заливки масла и осмотра.
Перед сборкой внутреннюю полость редуктора тщательно очищают и покрывают малостойкой краской.
Сборку производят в соответствии со сборочным чертежом редуктора, начиная с узлов валов:
на ведущий вал одевают маслоотражательные кольца, и устанавливают шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле до 80–100 град. С.
в ведомый вал закладывают шпонку 16x10x52 мм и напрессовывают зубчатое колесо до упора в бурт вала; затем надевают распорную втулку, маслоотражательные кольца и устанавливают конические роликоподшипники, предварительно нагретые в масле.
Далее быстроходный вал устанавливают в крышку корпуса, тихоходный закладывают в корпус редуктора и надевают крышку корпуса, покрывая предварительно поверхность стыка крышки и корпуса спиртовым лаком. Для точной фиксации крышки корпуса относительно корпуса используют 2 конических штифта, затем затягивают болты, крепящие крышку к корпусу.
Далее на валы одевают крышки подшипниковых узлов с, предварительно установленными прокладками и манжетами (для сквозных крышек).
Закрепляют крышки болтами, проверяя поворачиванием валов от руки отсутствие заклинивания подшипников (валы должны свободно поворачиваться).
Ввертывают пробку маслоспускного отверстия с прокладкой. Устанавливают маслоуказатель. Заливают в корпус масло и закрывают смотровой люк крышкой с прокладкой из технического картона, закрепляют крышку болтами.
Собранный редуктор обкатывают и подвергают испытанию на стенде по программе, установленной техническими условиями.