Кинематический расчёт и выбор электродвигателя

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 Схема привода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……… . . . . . . . .

2 Кинематический расчет и выбор электродвигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 Определение потребной мощности и выбор электродвигателя . . . . . .

2.2 Определение передаточного числа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Частоты и угловые скорости вращения валов редуктора . . . . . . . . . . .

2.4 Мощности и вращающие моменты на валах редуктора . . . . . . . . . . . .

3 Расчет ременной передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Расчет и конструирование редуктора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 Материалы зубчатых колес . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2 Определение геометрических параметров конической передачи

редуктора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.1 Проверочный расчет зубьев колес на контактную прочность . . . . .

4.2.2 Проверочный расчет зубьев колес по напряжениям изгиба . . . . . ..

4.3 Ориентировочный расчет и конструирование валов . . . . . . . . . . . . .

4.3.1 Входной вал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3.2 Выходной вал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4 Выбор подшипников качения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5 Конструирование зубчатых колес . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.6 Конструирование стакана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7 Конструирование крышек подшипников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.8 Конструирование корпуса редуктора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.9 Компоновочная схема редуктора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.10 Расчет валов на совместное действие изгиба и кручения . . . . . . . . .

4.11 Расчет подшипников качения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.12 Проверка прочности шпоночных соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.13 Выбор и расчет муфты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.13.1 Расчет втулочно-пальцевой упругой муфты . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.14 Определение марки масла для зубчатой передачи и подшипников .

4.15 Рекомендуемая посадка деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Приложение. Справочный материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Введение

Целью выполнения проекта является закрепление знаний, полученных из ранее освоенных дисциплин и использование их при проектировании механического привода.

Задачей работы является подбор электродвигателя, выполнение кинематического расчёта, расчёт ремённой передачи и редуктора, определение геометрических и конструктивных размеров деталей и проверок их на прочность.

При выполнении графической части проекта использованы результаты проведённых расчётов.

Поставленные задачи решались с учётом изменений в действующих стандартах и рекомендаций, учитывающий опыт создания и эксплуатации подобных устройств.

Схема привода

Механический привод (рисунок 1) состоит из электродвигателя 1, ременной передачи и редуктора. Ременная передача включает в себя ведущий 2 и ведомый 3 шкивы, ремень 4. Зубчатые колеса 5 – конические прямозубые,
коническая шестерня выполнена заодно с входным валом 6, колесо насажено на выходной вал 7. Подшипники 8 поддерживают валы и позволяют им свободно вращаться. Зубчатые колеса, валы и подшипники расположены внутри закрытого чугунного корпуса 9. Выходной вал редуктора соединен с приемным валом машины 10 муфтой 11.

Рисунок 1 – Схема механического привода

Кинематический расчёт и выбор электродвигателя

Расчёт и конструирование редуктора

Тип редуктора – конический одноступенчатый.

Материалы зубчатых колёс

Основным материалом для изготовления зубчатых колёс служат термически обрабатываемые стали. По сравнению с другими материалами они в наибольшей степени обеспечивают контактную прочность и прочность зубьев на изгиб.

В зависимости от твёрдости стальные зубчатые колёса разделяют на две группы: твёрдостью НВ > 350 (с объёмной закалкой, закалкой т.в.ч., цементацией, азотированием); твёрдостью НВ ≤ 350 (зубчатые колёса нормализованные или улучшенные).

Данные о материалах представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Механические характеристики материалов зубчатых колёс

Зубчатое колесо	Марка стали	Термообработка	Твёрдость сердцевины НВ, МПа
Шестерня	40Х	Улучшение	300
Колесо	45	Улучшение	270

Определение геометрических параметров

Ориентировочный расчет и конструирование валов

Входной вал

Диаметр концевого участка вала (рис. 4.3), мм,

где Т₁ – вращающий момент на валу (см. подразд. 2.4), Н×мм;

[t_k] = (20 – 25) МПа – допускаемое напряжение кручения для среднеуглеродистых сталей 35, 40, 45.

[t_k] = 25 МПа

Диаметр d₁ округляем до стандартного (прил., табл. П. 4; [1,
табл. 24.30]):

d₁= 32 мм

Диаметр вала под уплотнение, мм,

где t – высота буртика (прил., табл. П. 5; [1, с. 25]).

t = 2,5мм;

Диаметр d_упл согласовываем с диаметром уплотнения (прил., табл. П. 6;
[1, табл. 24.29]).

d_упл= 36 мм ;

Диаметр вала под резьбу

Диаметр резьбы принимаем из прил., табл. П. 7; [1, табл. 24.26]. Размеры
канавки под язычок стопорной шайбы приведены в прил., табл. П. 8; [1,
табл. 24.26] (рис. 4.3).

М39*1,5

Диаметр вала d_п в месте посадки подшипника (рис. 4.4) может быть равен диаметру резьбы или несколько больше его, но кратен пяти:

=40 мм.

Диаметр вала

Полученное значение d₀ округляем до стандартного (прил., табл. П. 9).

d₀ =32 мм

Диаметр буртика для упора подшипника со стороны конической
шестерни

где r – координата фаски подшипника (прил. табл. П. 5; [1, с. 25]).

r =2,5 мм;

Значение d_б.п округляем до стандартного (прил., табл. П. 9; [1,
табл. 24.1]).

Для удержания шкива на валу с помощью гайки имеется участок с резьбой диаметром d_р.ш, для которого должно выполняться условие: .
Значение d_р.ш принимаем из прил., табл. П. 10; [1, табл. 24.26].

Выходной вал

Диаметр концевого участка вала (рис. 4.5)

где Т₂ – вращающий момент на валу (см. подразд. 2.4), Н×мм;

[t_k] = (20 – 25) МПа.

[t_k] = 25 МПа.

Значение d₂ округляем до стандартного (прил., табл. П. 4; [1,
табл. 24.30]).

Диаметр вала под уплотнение:

где t – высота буртика (прил., табл. П. 5; [1, с. 25]).

t =2,5 мм;

Диаметр d_упл согласовываем с диаметром уплотнения и принимаем из прил., табл. П. 6; [1, табл. 24.29].

56 мм

Диаметр вала d_п в месте посадки подшипника может быть равен диаметру вала под уплотнением или больше его, но кратен пяти:

Диаметр разделительного кольца со стороны подшипника:

где r – координата фаски подшипника (прил., табл. П. 5; [1, с. 25]).

= 3 мм;

Диаметр вала под колесом:

d_б.п³ d_к > d_п.

Значение d_к принимаем из прил., табл. П.9; [1, табл. 24.1].

d_к=65 мм

Диаметр разделительного кольца со стороны колеса:

где f – размер фаски (прил., табл. П. 5; [1, с. 25]).

f = 2 мм;

Значения d_б.п и d_б.к округляем до стандартных (прил., табл. П. 9;
[1, табл. 24.1]).

d_б.п= 70 мм ;

d_б.к= 71 мм.

Выбор подшипников качения

Подшипники качения выбираем в зависимости от диаметра валов, начиная с лёгкой серии. В таблице 4.2 представлены данные о выбранных подшипниках.

Таблица 4.2 – Данные о подшипниках

Параметр	Вал
Параметр	Входной	Выходной
Тип	Шариковый радиально-упорный однорядный	Шариковый радиально-упорный однорядный
Серия	Лёгкая	Лёгкая
Угол α
Обозначение	36208	36212
Внутренний диаметр d, мм	40	60
Наружный диаметр D, мм	80	110
Ширина В, мм	18	22
Величина динамической грузоподъёмности C_r, кН	38,9	61,5
Величина статической грузоподъёмности C_0r, кН	23,2	39,3

Конструирование стакана

В силовых конических передачах преимущественное применение находит установка подшипников по схеме «врастяжку». Конструкция стакана в этом случае представлена на рис. 4.7. Стаканы выполняют литыми из чугуна СЧ 15.

Толщину стенки d принимаем в зависимости от диаметра D отверстия под подшипник (прил., табл. П. 12; [1, с. 126]). Диаметр d₄ и число z винтов крепления стакана к корпусу приведены в прил., табл. П. 15; [1, с. 128].

D = 80мм, δ=8, d₄=12, z=6

Остальные размеры определяют по формулам:

;
С » d₄=12 мм;
;
h » 1,1d₄=1,1·12=13,4 мм;
;
D_в = D_а + 2*С=96+2·12=120 мм.

Рисунок 4.7 - Конструкция стакана

Высоту упорного буртика t принимаем из прил., табл. П. 13, в зависимости от размера фаски r подшипника, установленного на валу.

Принимаем: t=4 мм, r=2,5 мм

Формы канавок стакана представлены на рис. 4.8, а, б, размеры – в прил., табл. П. 14; [1, с. 116].

а б в

Рисунок 4.8 - Формы канавок стакана

Расчет подшипников качения

В основу расчета подшипников качения положены два критерия: по остаточным деформациям и усталостному выкрашиванию. При частоте вращения кольца n £ 10 об/мин критерием является остаточная деформация, расчет выполняют по статической грузоподъемности C_or; при n > 10 об/мин критерием является усталостное выкрашивание дорожек качения, расчет выполняют по динамической грузоподъемности С_r. Суждение о пригодности подшипника выносится из сопоставления значений требуемой и базовой грузоподъемности
(С_тр< С_r) или долговечности (L₁₀_h ³ [L₁₀_h]). Расчет подшипников качения приведен в [1, с. 85; 3, с. 239; 5, с. 372; 11, с. 109 – 112].

Действующие силы, Н: радиальные – и ; осевая – F_a = 523,23. Режим нагружения – постоянный.

Схема установки подшипников и действующих сил представлена на
рис. 4.14.

Рис. 4.14

Определяем отношение:

. (4.78)

По значению отношения из прил., табл. П. 17, находим параметр
осевого нагружения:

; . (4.79)

Осевые составляющие от радиальных нагрузок:

; Н; (4.80)

; Н.

Суммарные осевые нагрузки на подшипник:

так как S₂ > S₁, F_a > S₂ – S₁, то из прил., табл. П. 18, следует:

; Н:
; Н. (4.81)

Для опоры, нагруженной большей осевой силой, определяем отношение:

. (4.82)

Уточняем значение параметра осевого нагружения (прил., табл. П. 17):

; e₂ = 0,358. (4.83)

Определяем отношение для правой, более нагруженной опоры:

; 0,593 > е₂ = 0,358, (4.84)

где V=1 – коэффициент вращения внутреннего кольца подшипника.

Так как > е₂, то из прил., табл. П. 17, для е₂ находим значения коэффициентов радиальной Х и осевой Y нагрузок:

Х = 0,45; Y = 1,52.

Эквивалентная динамическая нагрузка правой опоры

, (4.85)

где К_б = 1,3 – коэффициент безопасности;

К_т = 1 – температурный коэффициент,

Р₂ = (1 × 0,45 × 2455 + 1,52 × 1457) × 1,3 × 1 = 4315 (Н).

Уточняем коэффициент е₁ для левой опоры (прил., табл. П. 17):

; е₁ = 0,3. (4.86)

Находим отношение:

; 0,345 > е₂ = 0,3. (4.87)

Определяем коэффициенты Х и Y из прил., табл. П. 17:

Х = 1; Y = 0. (4.88)

Эквивалентная динамическая нагрузка левой опоры

, (4.89)

Р₁ = (1 × 1 × 1057 + 0 × 364.7) × 1,3 × 1 = 1374 (Н).

Определяем долговечность выбранного подшипника 36310 для более нагруженной опоры (правой) [11, с. 108]:

, (4.90)

где а₁ = 1 – коэффициент надежности при вероятности безотказной
работы 90 %;

а₂₃ = 0,8 – коэффициент, характеризующий совместное влияние на долговечность особых свойств металла деталей подшипника и условий его эксплуатации;

k – показатель степени, для шариковых подшипников k = 3;

(ч). (4.91)

Так как рассчитанная (требуемая) долговечность больше базовой [ ], то выбранный подшипник пригоден для данных условий работы.

Выбор и расчет муфты

Муфты выбирают из стандартов или нормалей машиностроения в зависимости от расчетного вращающего момента Т_р и диаметров соединяемых валов (прил., табл. П. 21, 22).

При работе муфта испытывает колебания нагрузки, обусловленные
характером работы приводимой в движение машины.

Расчетный вращающий момент, Н×м,

, (4.94)

где - коэффициент режима работы привода от электродвигателя;

Т₂ – момент на выходном валу редуктора, Н×м (см. подразд. 2.4).

При выборе муфты должно соблюдаться условие:

, (4.95)

где Т_с – вращающий момент, передаваемый стандартной муфтой (указанный в стандарте или нормали машиностроения).

Затем, в зависимости от типа муфты, проверяют отдельные ее элементы на прочность.

Расчет втулочно-пальцевой упругой муфты

Пальцы муфты проверяют на изгиб по сечению А – А (рис. 4.18).

Рис. 4.18

Условие прочности пальца на изгиб:

, (4.99)

где Т_р – расчетный вращающий момент, Н×мм (см. подразд. 4.13);

_п= 42 – длина пальца, мм (прил., табл. П. 22);

D₀ = 170– диаметр окружности, на которой расположены центры пальцев, мм (прил., табл. П. 22);

z = 10 – число пальцев (прил., табл. П. 22);

d_п = 18 – диаметр пальца, мм (прил., табл. П. 22);

МПа - допускаемое напряжение на изгиб для пальцев.

Резиновую втулку проверяют на смятие:

, (4.100)

где _вт = 36 – длина резиновой втулки, мм (прил., табл. П. 22);

МПа – допускаемое напряжение на смятие для резины.

Заключение

На основании произведённых расчётов выбран электродвигатель, определены передаточные отношения ремённой и зубчатой передач, мощности, частоты вращения и вращающие моменты на валах редуктора.

Путём подбора диаметров шкивов, толщины ремня, получена требуемая долговечность ремённой передачи.

Используя недорогие, но достаточно прочные стали, рассчитаны компактные зубчатые передачи, определены диаметры валов и сделаны проверки на прочность.

Разработана эскизная компоновка редуктора, позволившая принять окончательное решение о размерах деталей редуктора с учётом характера действующих в зацеплении сил и размеров валов, подобраны подшипники качения и проверены на долговечность.

Для соединения редуктора с приёмным валом машины из стандартов выбрана муфта, и её отдельные элементы проверены на прочность.

Расчётным путём определена марка масла для зубчатых колёс и подшипников, установлен уровень масла.

По размерам, полученным из расчётов, выполнены сборочный чертёж редуктора и рабочие чертежи деталей. Результаты проектирования можно использовать для создания опытного образца.