ПРИМЕНЕНИЕ AUTODESK INVENTOR В ТИПОВЫХ РАСЧЕТАХ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Стр 1 из 8Следующая ⇒

Е.А. Балаганская

ПРИМЕНЕНИЕ AUTODESK INVENTOR В ТИПОВЫХ РАСЧЕТАХ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Учебное пособие

Воронеж 2015

ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Е.А. Балаганская

ПРИМЕНЕНИЕ AUTODESK INVENTOR В ТИПОВЫХ РАСЧЕТАХ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2015

УДК 744/038

Балаганская Е.А. Применение Autodesk Inventor в типовых расчетах деталей и конструкций: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (9, 39 Мб) / Е.А. Балаганская. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x76; MS Word 2007 или более поздняя версия; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

В учебном пособии даны методики типовых расчетов на прочность валов, зубчатых передач и подшипников на прочность с использованием современных информационных технологий.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 230400.62 «Информационные системы и технологии», профиля «Информационные технологии в дизайне», дисциплине «Информационные технологии в инженерных расчетах»

Табл.11. Ил. 51. Библиогр.: 6 назв.

Рецензенты: кафедра информатики и графики ВГАСУ

(д-р техн наук, проф. Ю.А. Цеханов);

ООО «Консалтинг Солюшинз

Технолоджис» (г. Воронеж) (директор по

САПР и комплексным решениям Д.Ю.

Левин).

Ó Балаганская Е.А., 2015

Ó Оформление. ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2015

ВВЕДЕНИЕ

В данном учебном пособии приведены методики проведения типовых инженерных расчетов деталей и конструкций на прочность. Приведены обычные методы инженерного расчета и методы расчета с использованием программы Autodesk Inventor Professional 2015.

Внедрение продуктов Autodesk в учебный процесс подготовки студентов, специализирующихся на информационных технологиях в промышленном дизайне, позволяет подготавливать специалистов, владеющих современными средствами инженерного анализа. А именно прочностной расчет является основным при создании новой техники и разработке новых технологий.

В пособии рассмотрены методы типовых инженерных расчетов валов, зубчатых передач и подшипников.

ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ

Успешная работа деталей машин заключается в обеспечении надежности и работоспособности при заданных нагрузках.

Надежность (ГОСТ 27.002-89) – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значений всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах, условиях применения, ремонтов, хранения, транспортирования.

Создана теория надежности, базирующаяся на элементах теории вероятности, теории случайных процессов, математической статистики.

Основным путем повышения надежности на стадии проектирования является следующее: стремиться проектировать по возможности простые изделия с меньшим числом деталей, предусматривать предохранительные устройства, использовать стандартные узлы и детали.

Надежность состоит из сочетаний частных свойств:

· безотказность – способность сохранять свои эксплуатационные показатели в течении заданной наработки;

· отказ – частичная или полная утрата работоспособности изделий;

· долговечность (ресурс) – способность сохранять заданные показатели до предельного состояния;

· ремонтопригодность – приспособленность изделия к обнаружению и устранению отказов и неисправностей;

· сохраняемость – способность сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения.

Работоспособность - состояние объекта, при котором значение всех параметров выполняемых функций, соответствуют требованиям нормативно-технической или конструкторской документации.

Качественными показателями работоспособности являются: прочность, жесткость, износо-коррозионная стойкость, тепло-жаро-виброустойчивость, стойкость к старению.

Прочность является важнейшим критерием работоспособности и надежности.

Прочность – способность сопротивляться нагрузкам без разрушения.

Невыполнение условий прочности делает бессмысленным требования к другим критериям.

Расчеты на прочность

Расчеты на прочность делятся на проверочные и проектировочные.

Оценка прочности

Прочность оценивают по запасу прочности:

где - запас прочности, всегда ,

– предельное напряжение,

- максимальное напряжение в сечении детали.

Чем больше запас прочности, тем надежнее деталь. Однако повышение запаса прочности ведет к увеличению массы и габаритов деталей. Правильный выбор является важнейшим этапом в расчете. - это нормативная величина ( ), т.к. зависит от детали и определяется по формуле

где - зависит от геометрии сечения.

Для изучения свойств материала пользуются диаграммой растяжения, устанавливающей связь между нормальным напряжением и деформацией , которую называют условной диаграммой растяжения. При этом используют формулы , , где - первоначальная площадь сечения образца, величины Р и Δ l берутся из экспериментально полученной диаграммы растяжения (Рис. 1).

Рис. 1. Условная диаграмма растяжения пластичной стали;

- предел пропорциональности, - предел упругости,

- предел текучести, - предел прочности, - истинное сопротивление разрыву

Для материалов, не имеющих явно выраженной площадки текучести, за величину условно принимают напряжение, при котором .

Усталостные поломки составляют основной вид разрушений деталей и нередко приводят к тяжелым последствиям, возникающим внезапно.

За условный предел выносливости принимается напряжение, при котором образец способен выдерживать 10⁸ циклов. Для симметричного цикла обозначается , для пульсирующего - .

Экспериментальные исследования показали, что характер разрушения конструкционных материалов зависит от числа циклов.

– статическое разрушение, в образце из пластичных материалов образуется шейка и разрыв происходит по минимальному сечению.

– малоцикловая усталость. Появляется сетка трещин и заметные пластические деформации. Разрушение происходит от малоцикловой усталости.

- усталостное разрушение без заметных следов пластических деформаций.

Зависимость в виде графика:

Циклы нагружений делятся на несколько групп.

1) Симметричный цикл.

Амплитуда напряжений: .

Среднее напряжение:

2) Пульсирующий цикл.

3) Асимметричный цикл.

Процесс образования трещин при переменных напряжениях связан с накоплением пластических деформаций. Для оценки усталостной прочности достаточно знать

Вопросы для самоконтроля

1. Понятие надежности, работоспособности, прочности.

2. Как оценивается прочность деталей? Проверочный и проектировочные расчеты.

3. Что принимают за условный предел выносливости?

4. Циклы нагружений и их характеристики.

5. Как определяется запас прочности при статических нагружениях?

6. Как определяется запас прочности при переменных напряжениях?

РАСЧЕТ ВАЛОВ

Общие сведения о валах

В машиностроении наиболее распространены прямые валы в форме тел вращения устанавливаемые в подшипниковых опорах.

Валы передающие только крутящий момент от одной детали к другой называются торсионными (рессорами).

Часто передача крутящего момента связана с появлением осевых и радиальных сил.

Реже встречаются валы, используемые для поддержания вращающихся деталей и не передающих полезного крутящего момента. Такие валы называют осями.

Для обеспечения работоспособности валы и оси должны удовлетворять условиям прочности, жесткости и технологичности.

В специальных конструкциях к валам предъявляют дополнительные требования: износостойкости, устойчивости, минимальной массы и т.п.

Конструктивные формы и материалы валов

В зависимости от распределения нагрузок вдоль оси вала и условий сборки прямые валы выполняются ступенчатыми (рис.2 а) или гладкими (рис. 2 б).

Более распространены ступенчатые валы, близкие по форме к балкам равного сопротивления. Такие валы удобны при сборке, а уступы обычно используются для упора деталей.

Диаметры посадочных поверхностей (под ступицы, колеса и т.п.) следует выбирать из стандартного ряда посадочных размеров, а диаметры посадочных поверхностей под подшипники – из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников.

Рис. 2. Прямые валы: а – ступенчатый, б - гладкий

Конструктивная форма валов зависит от величины и характера нагрузок, действующих на вал. При больших крутящих моментах применяют шлицевые соединения (рис. 3).

При средних значения крутящего момента и менее высоких требованиях применяют шпоночное соединение. Осевое усилие фиксируют затяжкой (рис. 4).

Соединение валов и ступиц часто осуществляются с гарантированным натягом. В таких соединениях довольно высокая концентрация напряжений. Поэтому необходимо предусмотреть меры по снижению концентрации напряжений вблизи кромок ступиц. Диаметр подступичной части вала для этих участков следует увеличивать на 5 – 10 % по отношению

Рис. 3. Шлицевое соединение

Рис.4. Соединение шпонкой

к соседним участкам, и упрочнить поверхность пластическим деформированием.

В ряде конструкций используют полые валы. Это позволяет уменьшить массу вала. Поперечные отверстия ослабляют вал, поэтому края отверстия скругляют, а само отверстие упрочняют.

Длинные валы выполняют составными. Соосные валы соединяют с помощью шлицевых (рис.5) или фланцевых (рис.6) соединений.

Рис. 5. Шлицевое соединение валов

Рис. 6. Фланцевое соединение валов

Для передачи больших крутящих моментов используют соединения с торцевыми радиальными шлицами эвольвентного или треугольного профиля (рис. 7).

Рис. 7. Соединение с помощью торцевых шлицев

Для изготовления валов в основном используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45, 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХН2МА, 18Х2Н4МА и др. выбор материала зависит от конструкции вала: валы – шестерни изготавливаются из низкоуглеродистых легированных сталей марок 12ХН3А, 12Х2Н4А с последующей цементацией. Быстроходные валы, вращающиеся в опорах скольжения, требующие высокой твердости изготавливают из цементируемых сталей 12Х2Н4Ф, 20Х, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Механические характеристики материалов валов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Основные технические требования к валам

Обработку валов производят, как правило, в центрах.

Наиболее жесткие требования по точности, шероховатости поверхности предъявляют к шейкам валов, на которые устанавливают подшипники качения. Параметры шероховатости поверхности шеек под подшипники принимают равными ¸ мкр.

Особое внимание следует уделять требованиям к овальности и конусности мест посадок допускам на относительное радиальное биение, допускам на биение упорных буртиков валов, допускам на перекос и несимметричность расположения шлицевых валов.

Нагрузки на валы и расчетные схемы

Для оценки прочности необходимо знать действительное распределение напряжений в сечениях вала от внешних нагрузок.

Внешние нагрузки передаются на валы от сопряженных деталей (зубчатых зацеплений, муфт и др.) и могут быть определены путем расчета.

Вал рассматривают как балку, шарнирно закрепленную в жестких опорах. Такая модель наиболее близка к действительности для валов, вращающихся в опорах качения. Если подшипников – два, то большую часть нагрузки воспринимает внутренний подшипник и опору следует поместить так, как показано на рис.8.

Рис. 8. Расчетные схемы опор валов:

а) один подшипник; б) сдвоенный подшипник;

в) опора скольжения; г) ступица

Нагрузки от дисков, шкивов, зубчатых колес и других деталей передаются на валы через площадки контакта. В приближенных расчетах валов обычно не учитывается распределение нагрузок по длине зубьев зубчатых колес и шлицевых соединений, вдоль шпонок, вкладышей подшипников скольжения и других деталей. При составлении расчетной схемы вала эти давления обычно заменяются эквивалентными сосредоточенными силами, приложенными в середине площадки контакта.

Пример расчета вала на статическую прочность

Исходные данные

Дан вал, представленный на рисунке 9.

Рис. 9. Конструкция вала

Вал рассчитывают в следующей последовательности.

1. Геометрия вала – показана на рисунке.

2. Модуль шестерни

3. Число зубьев шестерни

4. Число оборотов вала

Крутящий момент .

5. Материал: сталь 40ХНМА с механическими характеристиками , ,

6. Определение усилия в зацеплении

Окружная сила =156, 86 кг.

Радиальная сила

7. Определение реакций в опорах.

Расчетная схема в плоскости ZY

338, 31

М_изг_YZ, кг см

Составляем уравнения статики

;

Расчетная схема в плоскости ZX

929, 35

М_изг_XY, кг см

Составляем уравнения статики

;

Строим эпюры изгибающего момента по плоскостям XZ и YZ.

Суммарный изгибающий момент:

Расчет проводится для сечений с 1 по 6.

Рассмотрим расчет для сечений 1, 2, 3, который сведем в таблицу 2.

Статический расчет вала Таблица 2

Сечение	1(посадка под подшипник)	2 (шлицы)	3(шлицы)
, кг см	458, 1	1265, 2	918, 5

D, см		6, 8	6, 8
d, cм
F, см²		36, 32	36, 32
W _изг, см³	21, 2	30, 87	30, 87
W _кр, см³	42, 41	61, 74	61, 74
,	21, 6	40, 98	29, 75
		28, 58	28, 58
,	21, 6	64, 26	57, 59
	3, 93	1, 38	1, 45
1, 5	1, 5	1, 5	1, 5

Опасные сечения 2 и 3, т.к. – условие статической прочности не выполнятся. Сечения необходимо усилить.

На статическую прочность

Механические характеристики основных материалов валов приведены в таблице 1.

Силы в зацеплении зубчатых и червячных передач

Прямозубое зубчатое зацепление

ведущее n₁, N₁

ведомое n₂, N₂

ведущее n₂, N₂

ведомое n₃, N₃

;

- окружная сила, - радиальная сила.

Разложение силы в зацеплении на окружную, радиальную и осевую в косозубом зацеплении

Определение направления зуба в косозубом зацеплении

Правый зуб

Левый зуб

В таблице 3 представлены формулы для расчета составляющих сил в различных зубчатых зацеплениях

Силы в зацеплениях Таблица 3

Вид передачи	Силы
окружные	радиальные	осевые
Зубчатая цилиндри-ческая	прямозубая
косозубая
шевронная
Зубчатая коническая	прямозубая
Червячная	Колесо
червяк

Т – крутящий момент в зацеплении,

- диаметр начальной окружности,

- угол зацепления (20°, 25°, 28°),

- угол наклона зуба (в большинстве конструкций β = 8...20°, у шевронных колес β = 25...45°),

- угол конусности ( ).

Крутящий момент на валу

Приведены формулы для подсчета крутящего момента в различных единицах измерений.

Зависимости между величинами в разных системах:

1кгс× см = 0, 0981 н× м;

1кгс× м = 9, 81 н× м;

1 квт = 1, 36 л.с.;

1 вт = 0, 00136 л.с.;

1 л.с. = 0, 736 квт;

1 л.с. = 736 вт;

1 Н× м ´ 10, 2 1кгс× см;

N (л.с.)´ 735, 5= N (вт);

М(кгс× см)´ 0, 0981=М(Н× м);

Р(кгс)´ 9, 81=Р (Н);

n (об/мин): 60 = с-¹ (сек^-1).

Геометрические характеристики поперечного сечения вала

Момент сопротивления при изгибе .

Момент сопротивления при кручении .

Площадь поперечного сечения А.

Для валов с круглым сечением:

;

где D – наружный диаметр вала

D – внутренний диаметр вала.

Для валов с одной шпоночной канавкой:

Для валов с двумя противоположными шпоночными канавками:

Для валов с прямобочными шлицами:

Для валов с эвольвентными шлицами и для вала-шестерни в сечении по зубьям – таблица 4.

Для валов с треугольными шлицами:

где

b – число шлиц,

z – число шлиц,

D, d – наружный и внутренний диаметр шлицевого вала,

d – диаметр вала с шпоночным пазом.

Таблица 4

Для валов диаметра d с поперечным отверстием диаметром a:

Для валов с прямоугольным сечением:

;

Вопросы для самоконтроля

1. Какие формы бывают у валов и из каких материалов их делают?

2. Какие технические требования предъявляют при конструировании валов?

3. В чем заключается методика расчета вала на статическую прочность? Что такое запас прочности?

4. В чем заключается расчет вала на усталостную прочность?

Прочностной расчет вала

Вкладка Расчет

Вкладка Расчет (рис. 19)диалогового окна Генератор компонентов вала предназначена для проведения прочностного расчета вала.

Рис. 19. Вкладка Расчет

Добавление опор

Опоры представлены треугольниками. В раскрывающемся меню в области Нагрузки и опоры выбрать Опоры. Удерживая ЛКМ перетащить опору в нужное место. Можно скорректировать ее точное положение на валу в динамическом окошке с координатой по оси вала или дважды щелкнув по опоре ЛКМ и в открывшемся окне изменить расстояние от середины сечения (рис. 20).

Рис. 20. Задание расположения опор вала

Назначим тип опоры: свободная и фиксированная (рис.21).

Рис. 21.Типы опор

Определение нагрузок

В меню Нагрузки и опоры выберете Нагрузки. Приложите нагрузки к валу (рис. 22).

Рис. 22. Добавление нагрузок

Расчет

Вызвать команду Расчет. Для просмотра результатов выберите вкладку Графики. В открывшемся окне можно увидеть эпюры изгибающего момента, эпюры различных напряжений и т.п (рис. 23). Здесь же дается и идеальная форма вала (вычисляется диаметр круглого сечения), которая приводит к равному напряжению в 50 МПа в каждой точке вала (рис. 24). График не зависит от выбранного материала вала.

Рис. 23. Просмотр результатов расчета

Рис. 24. Идеальное сечение

Завершение проекта вала

В окне Генератор компонентов вала выбрать вкладку Именование файла (в правом верхнем углу) (рис. 25). Поставить флажок Всегда именовать файл. В этом окне можно задать отображаемое имя и имя файла.

Рис. 25. Задание имени файла

Далее надо вставить готовый вал в сборку; в окне Генератор компонентов вала нажать ОК, щелкнуть в графическом окне для размещения вала (рис. 26).

Рис. 26. Спроектированный вал

Для редактирования вала надо выбрать вал и щелкнуть ПКМ. Выберите команду Редактировать с помощью мастера проектирования (рис. 27). Далее внести необходимые изменения и повторить расчет.

Рис. 27. Редактирование вала

Пример расчета вала на статическую прочность с использованием программы Autodesk Inventor

Задание:

1. Создать модель вала

2. Провести статический расчет вала.

3. Определить размеры вала в опасном сечении.

4. Оформить отчет

Основная часть

1. Создание модели вала.

В программе Autodesk Inventor выполнить модель вала в соответствии с чертежом:

Запустить программу Autodesk Invento r

Создать → Дважды щелкнуть по кнопке Обычный (мм).iam / Standart (mm).iam → Сохранить как … (сохранить файл под своим именем в своей папке).

Запуск генератора валов

Проектирование → Вал → Сохранить сборку в своей папке → щелкнуть на рабочем поле для закрепления вала.

Откроется окно генератора компонентов вала.

Параметры → Предварительный просмотр проекта в 2D активировать Всегда показывать → ОК.

Проектирование вала осуществляется путем изменения, удаления и добавления его сечений.

1 участок: Цилиндр D=60, L=50

На первом участке (слева) в сечении выбираем

левое сечение – без элемента,

центр – цилиндр,

правое сечение – без элемента

(стрелка на синем квадратике) не добавлять

в цилиндре вводим новые значения значения D=60, L=50.

2 участок: Цилиндр D=68, L=110 со шпоночным пазом

На втором участке (слева) в сечении выбираем

левое сечение – без элемента,

центр – цилиндр,

правое сечение – без элемента

(стрелка на синем квадратике) добавить шпоночный паз с размерами 20´ 5´ 56, х=30

в цилиндре вводим новые значения значения D=68, L=110.

3 участок: Цилиндр D=75, L=126, поперечное отверстие

На третьем участке (слева) в сечении выбираем

левое сечение – без элемента,

центр – цилиндр,

правое сечение – без элемента

(стрелка на синем квадратике) добавить сквозное отверстие d_hole=20, a=90^о, х=63

в цилиндре вводим новые значения значения D=75, L=126.

4 участок (слева): Цилиндр D=60, L=50

в сечении выбираем

левое сечение – без элемента,

центр – цилиндр,

правое сечение – без элемента

(стрелка на синем квадратике) не добавлять

в цилиндре вводим новые значения D=60, L=50.

Расчет вала

1. В генераторе компонентов вала нажать на вкладку Расчет.

2. Модуль упругости (модуль Юнга) Е = 206000 МПа.

3. Модуль жесткости G = 80000 МПа,

плотность r = 7860 кг/м³.

Режим приведенного напряжения НМН

Определение опор

1. В окне нагрузки опоры выбрать Опоры.

2. Свободную опору поставить на середину первого участка слева.

3. Перетащить опору (тип фиксированной опоры) вправо на расстояние 206 мм от края (в середине 4-го участка)

Определение нагрузки

1. В окне нагрузки опоры выбрать Нагрузки.

2. Радиальная сила: Сила по оси х=0

Сила по оси y = 1000 H

Силу передвинуть на середину шпоночного паза.

3. Осевую силу убрать.

4. Изгибающий момент: момент по оси X и Y

по оси x ввести 0

по оси y ввести -1500 Нм

Момент передвинуть на ось поперечного отверстия третьего участка.

5. Крутящий момент

М кр = 100 Нм, приложить в середине шпоночного паза,

М кр = -100 Нм, приложить в крайнем правом сечении

Расчет

1. В окне свойства расчета не стоит галочка Использовать плотность, т.е. расчет будет проведен без учета веса вала.

2. Нажать на кнопку Рассчитать (внизу окна генератора компонентов вала, рис.28).

3. Нажать на кнопку Графики (рис.29).

Рис. 28. Положение кнопки Рассчитать и Графики

Рис. 29. Результаты расчета

Скопировать (начертить) эпюры:

изгибающий момент в плоскости YZ,

напряжения при изгибе в плоскости YZ,

приведенное (эквивалентное) напряжение,

идеальное сечение.

По идеальному сечению выбрать новые размеры вала. Сравнить с исходными.

Выполнить расчет с учетом веса вала.

Скопировать эпюры:

изгибающий момент в плоскости YZ,

напряжения при изгибе в плоскости YZ,

приведенное (эквивалентное) напряжение,

идеальное сечение.

Сравнить идеальное сечение вала с учетом веса и без учета веса.

Содержание отчета

Расчет вала на статическую прочность с использование программы Autodesk Inventor

Цель работы: изучить автоматизированный расчет вала на прочность

Содержание работы:

1. Создать модель вала.

2. Провести статический расчет вала.

3. Определить размеры вала в опасном сечении.

4. Оформить отчет

Основная часть

1. Создание модели вала.

В программе Autodesk Inventor выполнена модель вала в соответствии с чертежом и приложены заданные нагрузки.

2. Проведен расчет вала с исходными данными:

поперечная сила Р = 1000 Н,

Изгибающий момент М_изг = - 1500 Н× м,

Крутящий момент М_кр = 100 Нм.

а) Вал без учета собственного веса.

Эпюра Мизг в плоскости YZ

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒