Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Расчет зубчатой цилиндрической передачи редуктора



 

4.1. Выбор материала для изготовления шестерни и колеса

 

При выборе материала для изготовления зубчатой пары для обеспечения одинаковой долговечности обоих колес и ускорения их приработки твердость материала шестерни следует назначать больше твердости материала колеса. Разность твердостей для колес с ННВ < 350 НВ рекомендуется: у прямозубых – (20–50) НВ; косозубых (20–70) НВ; при ННВ > 350 НВ – (4–6) HRC.

Для изготовления шестерни и колеса передачи редуктора выбираем сталь 40Х (ГОСТ 4543). Термообработка – улучшение: для шестерни – до твердости ННВ1 = 325 НВ, для колеса – до твердости ННВ2 = 270 НВ.

 

4.2. Определение допускаемых контактных напряжений при расчете на выносливость

Допускаемые напряжения определяются для шестерни и колеса по формуле

,

 

где σН lim b – предел контактной выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов напряжений (табл. 4.2):

 

σН lim b1 = 2HНВ1 + 70 = 2 · 325 + 70 = 720 МПа,

σН lim b2 = 2HНВ2 + 70 = 2 · 270 + 70 = 610 МПа;

 

SH – коэффициент запаса прочности; для зубчатых колес с однородной структурой материала SH = 1,1 (при твердости колес ННВ < 350 НВ); с поверхностным упрочнением SH = 1,2 (при твердости колес ННВ > 350 НВ) ;

ZN – коэффициент долговечности:

 

при NH limN K, но не более 2,6 для однородной структуры материала и 1,8 для поверхностного упрочнения;

 

 

при NH lim < N K, но не менее 0,75 ;

NH lim – базовое число циклов нагружений, соответствующее пределу выносливости; вычисляется по формуле:

 

NH lim=30 (ННВ)2,4 ≤ 120·106 циклов,

 

где ННВ – твердость материала рассчитываемого зубчатого колеса в единицах НВ;

 

NH lim1 = 30 · (325)2,4 = 32,0 · 106 циклов;

NH lim2 = 30 · (270)2,4 = 20,5 · 106 циклов;

 

N K – число циклов перемены напряжений, соответствующее заданному сроку службы передачи при постоянной нагрузке:

 

N K = 60 · с · n · Lh,

 

где с – число колес, находящихся в зацеплении с рассчитываемым;

Lh – срок службы привода, ч (см. задание);

n – частота вращения рассчитываемого зубчатого колеса.

 

N K1 = 60 · с · n1 · Lh = 60 · 1 · 1460 · 10000 = 876 · 106 циклов;

N K2 = 60 · с · n2 · Lh = 60 · 1 · 334,4 · 10000 = 200,6 · 106 циклов.

 

ZR – коэффициент, учитывающий влияние исходной шероховатости сопряженных поверхностей зубьев;

ZV – коэффициент, учитывающий влияние окружной скорости;

ZL – коэффициент, учитывающий влияние вязкости смазного материала;

ZX – коэффициент, учитывающий размер зубчатого колеса;

ZW – коэффициент, учитывающий влияние перепада твердостей материала сопряженных поверхностей зубьев.

При проектировочных расчетах по ГОСТ 21354–87 рекомендует принимать

ZR × ZV × ZL × ZX· ZW = 0,9.

 

Так как NH lim 1< NK 1 и NH lim2 > NK 2, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для цилиндрической косозубой передачи для расчета принимается:

 

σНР = 0,45(σНР 1 + σНР 2) > σНР min,

 

при выполнении условия σНР 1–2 < 1,23 σНР min

 

σНР = 0,45(σНР 1 + σНР 2) = 0,45 (554,4 +340,8) = 402,84 МПа;

σНР min = 292,6 МПа; 1,23 · σ НР min = 1,23 · 329,9 = 405,77 МПа.

В качестве расчетного напряжения принимаем минимальное значение σНР = 402,84 МПа.

 

4.3. Определение допускаемых напряжений изгиба

 

Допускаемые напряжения изгиба при расчете на выносливость σFP определяются по формуле

 

где σF lim b – предел выносливости зубьев при изгибе:

 

 

где  – предел выносливости зубьев при изгибе, соответствующий базовому числу циклов напряжений; выбирается по табл. 4.3 в зависимости от способа термической или химико-термической обработки;

Y t – коэффициент, учитывающий технологию изготовления; Yt = 1;

YZ – коэффициент, учитывающий способ получения заготовки зубчатого колеса: поковка и штамповка YZ = 1; прокат YZ = 0,9; литье YZ = 0,8;

Yg – коэффициент, учитывающий влияние шлифования переходной поверхности зуба; для нешлифованной переходной поверхности принимают Yg = 1;

Yd – коэффициент, учитывающий влияние деформированного упрочнения или электрохимической обработки переходной поверхности; если этого нет, то Yd = 1;

Y A – коэффициент, учитывающий влияние двустороннего приложения нагрузки (реверс); при одностороннем приложении нагрузки Y A = 1, при двухстороннем – Y A = 0,7–0,8.

YR – коэффициент, учитывающий влияние шероховатости переходной поверхности; при отсутствии полирования переходной поверхности зуба YR = 1;

YХ – коэффициент, учитывающий размер зубчатого колеса, при da ≤ 300 мм YХ = 1;

Yd – опорный коэффициент, учитывающий чувствительность материала к концентрации напряжений; для модуля передачи от 1 до 8 мм этот коэффициент убывает от 1,1 до 0,92; примем Yd = 1,0;

SF – коэффициент безопасности, SF = 1,4–1,7;

YN – коэффициент долговечности.

 

, но не менее 1;

где NF lim – базовое число циклов нагружений, для любых сталей NF lim= 4·106 циклов;

N K – общее число циклов перемены напряжений при нагрузках с постоянными амплитудами: N K = 60 · с · n · Lh;

qF – показатель кривой усталости: для зубчатых колес с однородной структурой материала, включая закаленные при нагреве ТВЧ со сквозной закалкой, и зубчатых колес со шлифованной переходной поверхностью, независимо от твердости и термообработки их зубьев qF = 6; qF = 9 – для зубчатых колес с нешлифованной переходной поверхностью при твердости поверхности зуба ННВ > 350.

 

NF lim b 1 = 1,75 · 325 · 1· 1 · 1 · 1 · 1 = 568,75 МПа,

 

NF lim b 2 = 1,75 · 270 · 1· 1 · 1 · 1 · 1 = 472,5 МПа.

 

N K1 = 60 · с · n1 · Lh = 60 · 1 · 1460 · 10000 = 876 · 106 циклов;

 

N K2 = 60 · с · n2 · Lh = 60 · 1 · 334,4 · 10000 = 504,5 · 106 циклов.

 

Так как N K > NF lim, то принимаем YN1 = 1.

YN1 = 1.01

Тогда

 

σ FP 1 = 568,8 · 1 · 1 · 1 · 1 / 1,7 = 334,56 МПа,

 

σ FP 2 = 472,5 · 1.01 · 1 · 1 · 1 / 1,7 = 280,72 МПа.

4.4. Проектировочный расчет передачи

Проектировочный расчет передач служит только для предварительного определения размеров и не отменяет расчета на контактную выносливость.

При проектировочном расчете определяется один из геометрических параметров передачи – межосевое расстояние а w или делительный диаметр шестерни d1. Предпочтительным считается расчет а w, так как его значение сразу дает представление о габаритах передачи.


Делительный диаметр шестерни

 

 

где Kd – вспомогательный коэффициент; Kd = 675 – для косозубых и шевронных передач; Kd = 770 – для прямозубых передач.

Ориентировочное значение межосевого расстояния:

 

 

где знак «плюс» используется при расчете передач внешнего зацепления, а «минус» – для передач внутреннего зацепления;

Ka – вспомогательный коэффициент: для прямозубых передач Ka = 495, для косозубых и шевронных передач Ka = 430;

Т2 – вращающий момент на колесе (на ведомом звене);

u – передаточное число передачи;

КHβ – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по длине контактных линий, принимают в зависимости от твердости колес и параметра ψbd по графику (рис. 4.3):

 

ψbd = b2 / d1 = 0,5 ψba(u ± 1)

 

ψb d – коэффициент ширины колеса относительно делительного диаметра шестерни;

ψba – коэффициент ширины колеса относительно межосевого расстояния; принимают из стандартного ряда чисел в зависимости от положения колес относительно опор.

Передача косозубая, расположение колес – симметричное, следовательно,

 

K а = 430;

 

ψba = 0,4;

ψbd = 0,5 [0,4(5 + 1)] = 1,2;

 

K Hβ = 1,12;

 

Полученное ориентировочное межосевое расстояние округляем до стандартного значения по предпочтительному ряду. Принимаем аw = 250 мм.

Нормальный модуль при принятой термообработке колес рекомендуется выбирать из диапазона

 

mn = (0,01–0,02) аw = (0,01–0,02) · 250 = (2,5–5) мм.

 

Из стандартного ряда модулей (табл. 4.5) принимаем m = 4 мм. Значение модуля менее 1,5 мм для силовых передач задавать не рекомендуется.

Рабочая ширина колеса

 

b2 = ψba · аw = 0,4 · 250 = 100 мм;

 

ширина шестерни

 

b1 = b2 + (2–7) мм = 100+ (2–7) = 102–107 мм.

 

Принимаем b1 = 105 мм.

Угол наклона зубьев для косозубого зацепления без смещения рекомендуется β = 7–18°.

Предварительно приняв коэффициент осевого перекрытия εβ = 1, определим минимальный угол наклона зубьев:

 

sin β = π · mn   εβ / b2 = 3,14 · 4 · 1 / 105 = 0,12;

β = 6°87'' или βmin = arcsin(4mn / b2).

 

Величиной угла β можно задаться, например, β = 10°.

Суммарное число зубьев

 

z = (2 · а w · cos β) / m = (2 · 250 · cos 6,87) / 2 = 248,2.

 

Принимаем z = z1 + z2 = 248.

Определим числа зубьев шестерни z1 и колеса z2.

 

z1 = z / (u +1) =248 / (5 +1) = 41,33;

 

принимаем z1 = 41;

 

z2 = zz1 = 248 – 41 = 207.

 

Фактическое передаточное число uф = z2 / z1 = 207/41 = 5,05.

 

u = (uфu) / u · 100 % = ((5 – 5,05) / 5) · 100 %) = 1 % ≤ 4 %.

 

Для того, чтобы вписать косозубую цилиндрическую передачу в заданное межосевое расстояние аw = 250 мм при принятых числах зубьев зубчатых колес, уточним угол наклона зубьев:

 

cos β = m (z1 + z2)/(2 · а w) = 2 (41 + 207) / (2 · 250) = 0,992°;

 

β = 7,25220° = 7°15'8''.

 

Определим делительные диаметры, диаметры вершин и впадин зубьев зубчатых колес:

 

d1 = m · z1 / cos β = 2 · 41 / 0,992 = 82,662 мм;

 

d2 = m · z2 / cos β = 2 · 207 / 0,992 = 417,339 мм;

 

d а1= d1 + 2 · m = 82,662 + 2 · 4 = 90,662 мм;

 

d а2 = d2 + 2 · m = 417,339 + 2 · 4 = 421,339 мм;

 

df1= d1 – 2,5 · m = 82,662 – 4 · 2,5 = 82,662 мм;

 

df2 = d2 – 2,5 · m = 417,339 – 4 · 2,5 = 407,339 мм.

 

Выполним проверку межосевого расстояния:

 

аw = (d1 + d2) / 2 = (82,662 + 417,339) / 2 = 250 мм.

 

Вычислим величину усилий, действующих в зацеплении, и изобразим схему действия сил:

– окружная:

Ft = 2 · Т2 / d2 = 2 · 1376,5 /417,339 = 6596,5 Н;

 

– радиальная:

 

Fr = Ft · tg αtw / cos β = 6596,5 ·tg 20° / 0,992 = 2420,29 Н;

 

– осевая:

 

F а = Ft · tg β = 6596,5 ·tg 7°15'8'' = 827,4 Н.

 

 

Рис. 4.2. Схема сил, действующих в косозубом цилиндрическом зацеплении

4.5. Проверочный расчет передачи

на контактную усталость

Контактная выносливость устанавливается сопоставлением действующих в полюсе зацепления расчетного σН и допускаемого σНР контактных напряжений:

 

σН = σН0  ≤ σНР,

 

где σН0 – контактное напряжение в полюсе зацепления при K Н = 1:

Коэффициент нагрузки K Н определяют по зависимости;

 

K Н = K А · K Hv · K Hβ · K Hα,

 

где KA = 1 – коэффициент, учитывающий внешнюю динамическую нагрузку;

K Hv – коэффициент, учитывающий внутреннюю динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении до зоны резонанса:

 

 

где ωHv – удельная окружная динамическая сила, Н/мм.

 

где δН – коэффициент, учитывающий влияние вида зубчатой передачи и модификации профиля головок зубьев (табл. 4.7);

g0 – коэффициент, учитывающий влияние разности шагов зацепления зубьев шестерни и колеса (табл. 4.8);

υ – окружная скорость зубчатых колес:

 

υ = πdini/60;

 

KHα – коэффициент, учитывающий распределение нагрузки между зубьями; для прямозубых передач и косозубых при осевом коэффициенте перекрытия εβ ≤ 1, KHα = 1; при εβ > 1 см. табл. 4.9;

εβ – осевой коэффициент перекрытия: εβ = b2 · sin β / (π · m);

ZE – коэффициент, учитывающий механические свойства материалов сопряженных зубчатых колес; для стальных колес ZE = 190;

ZH – коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев в полюсе зацепления:

 

где αt – делительный угол профиля в торцовом сечении: αt = α = 20°;

βb – основной угол наклона для косозубой передачи:

 

βb = arcsin (sin β · cos 20°);

 

α – угол зацепления, для косозубой передачи без смещения;

tg αt = tg α / cos β;

Zε – коэффициент, учитывающий суммарную длину контактных линий; для косозубых передач при εβ ≥ 1

 

при εβ < 1

 

εα – коэффициент торцового перекрытия:

 

εα = [1,88 – 3,2 (1 / z1 ± 1 / z2)] cos β.

 

Для рассчитываемого объекта имеем следующие данные: редуктор цилиндрический косозубый одноступенчатый, частота вращения ведущего вала n1 = 1460 мин-1, передаточное число редуктора uф = 5,05; частота вращения ведомого вала n2 = 76,43 мин-1, вращающие моменты на валах Т2=248,3Нм; Т3=1204,5Н·м; z1=41; z2= 204; β = 7,2522° = 7°15'8''; m = 4 мм; a = 250 мм; b2 = 100 мм; d1= 82,662 мм; Ft = 5772,3 Н.

 

εβ = b2 · sinβ / (π · m) = 100 · sin7,2522° / (3,14 · 4) = 1,005;

 

tg αt = tgα / cosβ = tg20° / cos 7,2522° = 0,3669;

 

αt = 20,1484°;

 

βb = arcsin (sinβ·cos20°) = arcsin(sin7,2522·cos20°) = 6,8127°;

 

ZE =190 МПа1/2 ;

 

εα = [1,88 – 3,2 (1 / 41 + 1 / 207)] cos7°15'8'' = 1,7726;

 

;

 

 

 

υ = π · 82,622 · 1460 / (60 ·103) = 6,313 м/с.

 

Для данной скорости колес степень точности – 8-я (см. табл. 4.6).

 

δН = 0,02; g0 = 6,1;

 

KHv = 1+ (5,42 · 100)/(5772,3·1) = 1,094; KHα = 1,0; K А =1,0; KHβ = 1,12;

K Н = 1,0 · 1,094 · 1,12 · 1,0 = 1,225.

 

 

Определим процент перегрузки:

 

∆σН = |σНР – σН| / σНР ·100 % = |402.8–358,06| / 402.8 · 100 % = 4,98 %.

 

Условие прочности выполняется. По принятым в машиностроении нормам допускаются отклонения +5 % (перегрузка) и –10 % (недогрузка).

Если отклонение выходит за указанные пределы, то размеры и другие параметры необходимо откорректировать. Рекомендуется в небольших пределах изменить ширину колеса (при перегрузках – увеличить, при недогрузках – уменьшить); изменить межосевое расстояние; выбрать другой режим термообработки поверхностей зубьев и соответственно изменить твердость поверхности зубьев, что приведет к увеличению или уменьшению σНР.

4.6. Проверочный расчет передачи на изгибную усталость

Расчетом определяется напряжение в опасном сечении на переходной поверхности зуба для каждого зубчатого колеса. Выносливость зубьев, необходимая для предотвращения их усталостного излома, устанавливают сопоставлением расчетного напряжения от изгиба и допускаемого напряжения: σF ≤ σFP.

Расчетное местное напряжение при изгибе:

 

 

где KF – коэффициент нагрузки: KF = K А · KFv · KFβ · KFα;

K Fv – коэффициент, учитывающий внутреннюю динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении до зоны резонанса:

 

где ωFv – удельная окружная динамическая сила, Н/мм:

 

δF – коэффициент, учитывающий влияние вида зубчатой передачи и модификации профиля головок зубьев (табл. 4.7);

K Fβ – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по длине контактных линий, принимают в зависимости от параметра ψbd по графику (рис. 4.4);

KFα – коэффициент, учитывающий распределение нагрузки между зубьями (табл. 4.9);

YFS – коэффициент, учитывающий форму зуба и концентрацию напряжений (рис. 4.5).

Для определения менее прочного звена необходимо рассчитать отношение σFP / YFS, проверку производить по тому из колес пары, у которого это отношение меньше;

Yβ – коэффициент, учитывающий наклон зуба; для косозубых передач Yβ = 1 – εβ (β / 120°) ≥ 0,7;

Yε – коэффициент, учитывающий перекрытие зубьев; для косозубых передач при εβ ≥ 1

Yε= 1 / εα;

при εβ < 1

Yε = 0,2 + 0,8 / εα ;

 

 

 

K А=1; KFα=1,30; KFβ=1,1;

 

Следовательно KF = K А · K Fv · KFβ · KFα = 1·1,045·1,1·1,30 = 1,494.

 

Yβ = 1 – εβ · β / 120° = 1 – 1,005 · (7,2522° / 120°) = 0,9392 > 0,7;

 

Yε = 1 / εα = 1/ 1,7726= 0,564.

 

Определим эквивалентные числа зубьев шестерни и колеса:

 

ZV1 = Z1/ cos3β = 41/ cos37,2522° = 41,3;

 

ZV2 = Z2 / cos3β = 207/ cos37,2522° = 208,7.

 

Следовательно, YFS 1 = 3,9; YFS 2 = 3,4 (рис. 4.5).

Определим отношение σFP / YFS:

 

σFP 1 / YFS 1 = 334,6 / 3,9 = 85,8;

 

σFP 2 / YFS 2 = 280,72 / 3,4 = 82,56.

 

Расчет по изгибным напряжениям ведем для колеса, так как σFP 2 / YFS 2 < σFP 1 / YFS 1:

 

 

σFP 2 = 280,72 МПа.


Условие прочности выполняется: 27,16 МПа < 280,72 МПа.

Значение σF2 значительно меньше σFP2, однако это нельзя рассматривать как недогрузку передачи, так как основным критерием работоспособности данной передачи является контактная усталость.

 

Таблица 4.2

К определению предела контактной выносливости

материла зубчатых колес

 

Способ термической и химико-термической обработки зубьев Средняя твердость поверхности зубьев Сталь Формула для расчета значений σHlimb, МПа
Отжиг, нормализация или улучшение Менее 350 НВ

Углеро­дистая

σHlimb = 2 НВ + 70
Объемная и поверхностная закалка 38–50 HRC σHlimb = 17 HRC + + 200
Цементация и нитроцементация Более 56 HRC

Легированная

σHlimb = 23 HRC
Азотирование 550–750 HV σHlimb = 1050

 

Таблица 4.3

Значения предела выносливости материала зубчатых колес при изгибе

 

Марка стали

Термическая или химико-термическая обработка

Твердость зубьев

на поверхности

в сердцевине

40, 45, 50 ,40X, 40XH, 40XФА Нормализация, улучшение

180–350 НВ

1,75 HB
40X, 40XФA Объемная закалка

45–55 HRC

500–550
40X, 40XH2MA Закалка при нагреве ТВЧ

48–58 HRC

25–35 HRC 700
20ХН, 20ХН2М, 12ХН2, 12ХН3А Цементация

56–63 HRC

30–45 HRC 800
Стали, содержащие алюминий Азотирование

700–950 HV

24–40 HRC 300 + 1,2 НRC сердцевины
           

Таблица 4.4

Значения межосевых расстояний аw (ГОСТ 2185–66)

 

Ряд Межосевое расстояние аw, мм
1 40, 50, 63, 80, 100, 125,160, 200, 250, 315, 400, 500 …
2 71, 90, 112, 140, 180, 224, 280, 355, 450, 560, 710 …

Примечание: ряд 1 следует предпочитать ряду 2.

 

Таблица 4.5

Значения модулей зубчатых колес m (ГОСТ 9563–79)

 

Ряд Модули m, мм
1 …1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12 …
2 …1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 3,5; 4,5; 5,5; 7; 9…

Примечание: ряд 1 следует предпочитать ряду 2; для тракторной промышленности допускаются m = 3,75; 4,25; 6,5 мм; для автомобильной промышленности допускается применение модулей, отличающихся от установленных в настоящем стандарте.

Таблица 4.6

 

Степень

точности

Предельные окружные скорости колес

прямозубых

непрямозубых

цилиндрических конических цилиндрических конических
6 7 8 9 До 15 До 10 До 6 До 3 До 12 До 8 До 5 До 2 До 30 До 15 До 10 До 4 До 20 До 10 До 7 До 3

Таблица 4.7

Значения коэффициентов δF и δН

 

Вид зубьев

δF

Значение δН при твердости

поверхностей

Н1 или Н2 меньше 350 НВ Н1 или Н2 больше 350 НВ
Прямые: без модификации головки с модификацией головки   0,016 0,011   0,06 0,04   0,14 0,10
Косые и шевронные 0,06 0,02 0,04

 

Таблица 4.8

Значения коэффициента g0

 

Модуль m,

мм

Степень точности по нормам плавности по ГОСТ 1643–81

6 7 8 9
До 3,55 3,8 4,7 5,6 7,3
До 10 4,2 5,3 6,1 8,2
Свыше 10 4,8 6,4 7,3 10,0

 

Таблица 4.9

Ориентировочные значения коэффициентов KHα и KFα

 

Окружная скорость, м/с Степень точности KHα KFα
До 5 7 8 9 1,03 1,07 1,13 1,07 1,22 1,35
Свыше 5 до 10 7 8 1,05 1,10 1,20 1,30
Свыше 10 до 15 7 8 1,08 1,15 1,25 1,40


Рис. 4.3. График для определения коэффициента KHβ

 

 

Рис. 4.4. График для ориентировочного определения коэффициента K Fβ

 

 

Рис. 4.5. Коэффициент YFS, учитывающий форму зуба и концентрацию напряжений


 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 364; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.206 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь