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 lim ≥ N 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 = z∑ – z1 = 248 – 41 = 207.
Фактическое передаточное число uф = z2 / z1 = 207/41 = 5,05.
∆u = (uф – u) / 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°);
αtω – 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
Таблица 4.3 Значения предела выносливости материала зубчатых колес при изгибе
Таблица 4.4 Значения межосевых расстояний аw (ГОСТ 2185–66)
Примечание: ряд 1 следует предпочитать ряду 2.
Таблица 4.5 Значения модулей зубчатых колес m (ГОСТ 9563–79)
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
Таблица 4.7 Значения коэффициентов δF и δН
Таблица 4.8 Значения коэффициента g0
Таблица 4.9 Ориентировочные значения коэффициентов KHα и KFα
Рис. 4.4. График для ориентировочного определения коэффициента K Fβ
Рис. 4.5. Коэффициент YFS, учитывающий форму зуба и концентрацию напряжений
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 391; Нарушение авторского права страницы