Разработка конструкции механизма датчика

В современной жизни датчики встречаются повсеместно. Все они различаются по своим функциям, форме конструкции. Некоторые служат для управления, изменения и регулирования систем и их элементов. Другие для защиты и регулирования этих механизмов.

При расчете нашего механизма необходимо учитывать следующие функциональные связи:

— пространственные и механические, определяемые компоновкой, соединением и закреплением элементов;

— силовые связи, осуществляющие воздействие при функционировании механизма.

При разработке конструкции необходимо ориентироваться на технологию изготовления с использованием рентабельных техпроцессов:

— холодная штамповка;

— изготовление деталей методом формирования из полимерных материалов;

— минимальная механическая обработка .

Перед нами была поставлена задача: разработать конструкцию механизма датчика. Должна обеспечиваться заданная точность хода подвижного элемента с данными усилиями. Форма корпуса датчикацилиндр. Должны обеспечиваться следующие требования:

— минимальные габариты изделия;

— небольшое количество крепежных деталей;

— обеспечить технологичность деталей.

1. Расчетные задания по разделу механика

1.1 Расчет вала на изгиб

Для схемы на рисунке 1.1. построить эпюры моментов и сил.

Дано:F₁=100 H, F₂=80 H, M=1900H*mm, a=l=40 mm, q₁=4 H/mm, q₂=3H/mm.

1) Составим уравнение для моментов относительно точки, А и Е.

Подставим числовые значения.

Выполним проверку, составим уравнение сил по оси У.

2) построим эпюры моментов и сил

1.2 Расчет сечения балки

Для конструкции на рисунке 1.5 рассчитать действующие силы и найти диаметр подходящей круглой балки.

l₁=1м, l₂=1м, l₃=3м, l₄=1м, l₅=1.5м, q=4 кН/м, F₃=5кН, F₂=8кН, F₆=8 кН,

М₂=12 кН*м.

Предел растяжения, сжатия Стали

5 .

Рисунок 1.5 Расчетная схема

1) Составим уравнение для моментов по оси Х и моментов относительно точки А.

H.

Подставим численные значения

Выполним проверку, составим уравнение для моментов относительно точки F.

0=0 Верно.

Найдем R₁ и R_B так как угол 90⁰

По формуле радиуса получим:

2. Разработка конструкции узла механизма

При разработке конструкции основное внимание необходимо уделять технологичности деталей и узлов, достижению точности наиболее важных размеров деталей, определяющих заданные параметры конструкции.

2.1 Выбор кинематической схемы аппарата

Основным элементом механизма является измерительный шток 3 с пружиной 4. При своем рабочем движении шток 3, сжимая пружину 4, соприкасается концом с внутренней поверхностью упора 8. Необходимо обеспечить точное, свободное движение боковых поверхностей штока, для чего служат бронзовые втулки 5,7.

Кинематическая схема обеспечивает два положения:

— Шток отжимается пружиной 4 до упора с верхней поверхностью втулки 5, при этом обеспечивается зазор между концом штока и внутренней поверхностью упора 8.

— Шток перемещается на величину h, при этом пружина полностью сжимается, а конец штока соприкасается с внутренней поверхностью упора.

Рассматриваемая кинематическая схема может обеспечить довольно простую конструкцию механизма. При этом необходимо провести следующие изменения в конструкции:

1. Провести замену материала, применяемого в конструкции (металлических деталей на детали, получаемые методом формирования из пластмасс).

2. Упростить конструкцию, отказавшись от сборочных операций, требующих соединения деталей с натягом.

2.2 Описание предлагаемой конструкции

Предлагаемая конструктивная компоновка приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1- Схема конструкции механизма

1- корпус; 2-основание; 3- шток; 4- пружина, 5- втулка основания; 6- упор для пружины; 7- втулка; 8- упор; 9- крышка.

Рисунок 2.2.2-Общий вид механизма

Для обеспечения хода штока и уменьшения трения, в основание и крышку предлагается установка бронзовых втулок 5 и 7.

Крышка 9 и корпус 1 соединяются склеиванием.

Установка механизма на объект производится со стороны основания.

2.3 Проектирование пружины

В конструкции пружина является силовым элементом, обеспечивая заданные усилия при перемещениях штока.

В качестве пружины из конструктивных соображений была выбрана винтовая цилиндрическая пружина.

Необходимо определить геометрические параметры пружины и величину погрешностей силовой характеристики.

Известно, что на точность силовой характеристики F=f (h) влияют следующие конструктивно-технологические факторы:

— допуск на диаметр провода d;

— отклонение величины D0 — среднего диаметра витка;

— отклонение величины G — модуля сдвига материала проволоки;

— отклонение числа витков в процессе навивки;

— отклонение по высоте пружины l1.

Эти параметры задаются в нормативно-технической документации:

ГОСТ на материал и в виде практических рекомендаций (СТП).

Зависимость силы от прогиба винтовой пружины сжатия показана на рисунке 2.3.1.

Положение, А характеризует состояние пружины до ее монтажа в механизме, когда действующая сила F=0. После монтажа пружина нагружается силой начального контактного нажатия F1 и получают начальный прогиб f1 (положение В). Положение С соответствует состоянию пружины, когда она имеет полный прогиб f2 и развивает силу F.

Рисунок 2.3.1 — Характеристика пружины сжатия

10 — свободная длина пружины; 11 — длина пружины, соответствующая начальному нажатию (встроенная длина пружины); 12 — длина, соответствующая конечному нажатию при заданном ходе подвижного элемента.

2.4 Расчет геометрических параметров пружины

2.4.1 Определение деформации пружины

Определяем жесткость пружины при сжатии на 1 мм

Тогда деформации пружины в точках В, С будут равны:

Как правило геометрические размеры пружины рассчитываются на заданную величину деформации f2, т. е. это такая деформация, когда дальнейшее сжатие пружины отсутствует.

Для того, чтобы не было случая, когда на подходе к точке С произойдет полная деформация пружины и мы не достигнем силы F2, при расчете задаемся более большей деформацией чем f2 при сохранении заданной жесткости пружины.

Выбираем усилие FЗ заведомо больше усилия F2 на 10%.

Деформация пружины для этого усилия:

2.4.2 Выбор материала проволоки пружины

Выбираем провод углеродистый пружинный для которого:

у_дкр=490 -допустимы предел выносливости при кручении для провода повышенной прочности;

G= - модуль сдвига материала.

2.4.3 Определение диаметра проволоки и числа витков пружины

Конструктивные особенности пружины характеризуют показателем индекса пружины:

где Do — средний диаметр витка пружины, d — диаметр проволоки.

Рисунок 2.4.1- Виток пружины

По рекомендации С берётся от 8 до 16. Мы ограничимся пределом 10−12. Выбираем С=10.

Определяем диаметр проволоки:

По ГОСТУ выбирается диаметр d=2.5 мм, провод повышенной точности с предельным отклонением ±0,02мм:

d=2.5±0.02 мм

Определяем средний диаметр витка пружины по формуле:

Определяем число витков пружины по формуле:

Так как мы округлили диаметр провода, этим самым внесли погрешность в характеристики силового элемента. Произведем уточнение среднего диаметра витка пружины:

2.4.4 Определение длины пружины в рабочем и свободном состоянии

Определяем геометрические размеры пружины. Шаг навивки равен:

Длина пружины в свободном состоянии:

Принимаем l0=182 мм.

Длина в рабочем состоянии:

Принимаем l2=77 мм.

Длина встроенной пружины:

Принимаем l1=147 мм.

Определим наличие запаса:

запас есть.

Делаем проверку на допустимый предел выносливости при кручении:

2.5 Определение погрешностей пружины

Будем считать погрешность характеристики вероятностным методом. Процент риска примем 10%.

Определим погрешности от каждой составляющей методом частных производных.

Погрешность от величины диаметра провода d определяется по следующей формуле:

где Дd-поле допуска на диаметр провода, Дd=0.04.

Погрешность от модуля сдвига материала G определяется по формуле:

где ДGотклонение модуля сдвига, ДG=1000.

Погрешность отклонения на длину пружины l0 определяется по формуле:

Погрешность от среднего диаметра пружины D₀ определяется по формуле:

где ДD₀— поле допуска на средний диаметр пружины берём из таблицы 1, ДD₀=0.8.

Таблица 1 — Допуски на диаметры винтовых пружин, мм Погрешность от числа витков w определяется по формуле:

где Дwпогрешность навивки пружины, Дw= .

Так как мы рассматриваем по методу максимум-минимум, что может получиться очень редко, рассчитаем суммарную погрешность вероятностным методом.

Для процента риска P=10% коэффициент t=1.65, л=1/3.

Суммарная погрешность равна :

Результат соответствует заданному условию.

2.6 Определение номинальных размеров конструкции

Проводится с использованием теории расчетов размерных цепей Размерной цепью называют совокупность геометрических размеров, расположенных по замкнутому контуру и определяющих взаимоположение поверхностей одной или нескольких деталей.

При определении основных размеров конструкции за основу берем геометрические размеры пружины (рисунок 2.6.1). Размеры, принятые конструктивно, на рисунке показаны числами. Длина встроенной пружины равна l1=147 мм. Неизвестными являются размеры A4 и A5 — высота корпуса и нерабочей части штока соответственно.

Рисунок 2.6.1 — Предлагаемые размеры конструкции

Рисунок 2.6.2 — Размерная цепь для определения А5

Для определения А5 запишем соотношение:

Следовательно А5=151 мм.

Размер А4 найдем при решении прямой задачи.

3. Расчет основных размерных цепей конструкции

3.1 Решение прямой задачи

В расчете используется метод максимум-минимум, так как механизм относится к изделиям точной механики.

Для размерной цепи, приведенной на рисунке 3.1, необходимо определить предельные отклонения составляющих звеньев, обеспечивающих размер A_У=70±0,45 мм.

Рисунок 3.1.1 — Конструктивная компоновка

В сложных размерных цепях можно выявить увеличивающие и уменьшающие звенья, применив правило обхода по контуру.

Составляем уравнение размерной цепи для расчета высоты корпуса механизма по рисунку 3.1.2

Рисунок 3.1.2 — Размерная схема

датчик механизм погрешность конструкция

Определим погрешности на основные детали механизма.

Решается прямая задача расчета РЦ методом max min, для определения допусков (отклонений) всех размеров влияющих на точность изготовления деталей.

Выделяем в размерной цепи исходное звено. В нашем случае это звено h. Зазор А_У = h

Рассчитываем допуски составляющих звеньев, считая что все детали изготовлены по одному квалитету. Для этого необходимо знать среднее число единиц допуска, т. е. относительный коэффициент точности.

A = h = 70 ± 0.45 => [T] = 0.9 = 900 мкм

а =

Величина i для каждого размера определяется по таблице.

А₅ = 151 i₁ = 2.52

А_4d = 10 i₂ = 0.9

А₈ = 3 i₃ = 0.55

А₆ = 6 i₄ = 0.73

А₄ = 239 i₄ = 2.89

а = 118.57

Определив величину, а = 118.57 по таблице 2.2 выберем квалитет, это 11 или IT 11

Таблица 2- Таблица квалитетов

Исходя из квалитета по таблице 2 определим допуски на наши номинальные размеры.

А₅ = 151 мм Т₅ = 250 = 0.25 мм

А_4d = 10 мм Т_4d = 90 = 0.09 мм

А₈ = 3 мм Т₈ = 60 = 0.06 мм

А₆ = 5 мм Т₆ = 75 = 0.075 мм

А₄ = 239 мм Т₄ = 290 = 0.29 мм

Так как обеспечить точность размеров A8 и А6 очень тяжело и экономически не оправдано заменим их квалитет на 12.

А₈ = 3 мм Т₈ = 100 = 0,1 мм

А₆ = 5 мм Т₆ = 120 = 0,12 мм

Определяем суммарную погрешность и проверим обязательное условие.

T_i? [ T ]

T_i = T₅ ⁺ T_4d + T₈ + T₆ + T₄ = 0.25 + 0.09 + 0.1 + 0.12 + 0.29 = 0.85 мм

T_i = 0,85 мм, а [ T ] = 0,9 мм

Условие выполняется.

Определяем предельные отклонения составляющих звеньев.

Для этого определяем, к какому типу относится размер соответствующего звена (охватываемый, охватывающий, симметрично отклоненный)

[A_У] = 70 ± 0.45 мм

мм мм

C_У = мм

А₅ = 151 мм Т₅ = 250 = 0.25 мм

А_4d = 10 мм Т_4d = 90 = 0.09 мм

А₈ = 3 мм Т₈ = 100 = 0.1 мм

А₆ = 5 мм Т₆ = 120 = 0.12 мм

А₄ = 239 мм Т₄ = 290 = 0.29 мм

Средние отклонения полей допусков составляющих звеньев:

151±0.25 мм C₅=0 мм

10_-0.09 мм мм

3_-0.1 мм C₈=-0.05 мм

5^+0.12 мм C₆=0.06 мм

239±0.29 мм C₄=0 мм

Вычисляем координату середины поля допуска исходного звена:

[C_У] = C₄ — C₅ — C_4d — C₈ — C₆

0? 0−0-(-0.045)-(-0.05)-0.06

Тогда принимаем за Х размер А₆

0 = 0−0-(-0.045)-(-0.05)-X

X=0.045+0.05=0.095 мм =C₆

Предельные отклонения замыкающего звена:

S₆ = C₆ + = +0.095+0.12 = + 0.155 мм

I₆ = C₆ — = +0.095 — 0.12 = - 0.035 мм

мм

Получили нестандартный допуск.

3.2 Решение обратной задачи

Расчет погрешностей размеров под установку пружины для двух положений работы механизма (решаются 2 обратные задачи A_У1 и А_У2) по IT 11.

3.2.1 Решение обратной задачи для первого положения

Решение этой задачи ставит цель определения погрешности размера для установки пружины в первое положение механизма (нерабочее).

Для размерной цепи, представленной на рисунке 3.2.2, необходимо определить предельные отклонения длины пружины в исходном положении.

Рисунок 3.2.1 — Конструктивная компоновка Рисунок 3.2.2 — Размерная схема Для всех звеньев принят 11-й квалитет по решению прямой задачи.

Допуски равны:

А_У = 70 мм Т₅ = 450 = 0.45 мм

А₅ = 151 мм Т₅ = 250 = 0.25 мм

А_2d = 5 мм Т_2d = 75 = 0.075 мм

А₂ = 74 мм Т₂ = 190 = 0.19 мм

А₁₀ = 5 мм Т₁₀ = 75 = 0.075 мм

Составим уравнение для размерной цепи:

Определим А_У1:

Т_У1=T_У + T₅ + T_2d + T₂ + T₁₀ = 0.45+0.25+0.075+0.19+0.075=1.04 мм

Средние отклонения полей допусков составляющих звеньев:

C_У=0 мм

C₅=0 мм

C_2d=+0.0375 мм

C₂=+0.095 мм

C₁₀=-0.0375 мм

Для замыкающего звена:

C_У = C_2d — C₂-C₁₀ = 0.0375−0.095+0.0375=+0.25

C_У=-0.02

Предельные отклонения замыкающего звена:

S_У1 = C_У1 + = -0.02+1.04 = +0.5

I_У1 = C_У1 — = -0.02−1.04 = -0.54

Окончательно получаем:

мм

3.2.2 Решение обратной задачи для второго положения

Решение этой задачи ставит цель определения погрешности размера для установки пружины во второе положение механизма (рабочее).

Для размерной цепи, представленной на рисунке 3.2.4, необходимо определить предельные отклонения длины пружины в рабочем положении.

Рисунок 3.2.3 — Конструктивная компоновка

Рисунок 3.2.4 — Размерная схема Для всех звеньев принят 11-й квалитет по решению прямой задачи.

Допуски равны:

А₅ = 151 мм Т₅ = 250 = 0.25 мм

А_2d = 5 мм Т_2d = 75 = 0.075 мм

А₂ = 74 мм Т₂ = 190 = 0.19 мм

А₁₀ = 5 мм Т₁₀ = 75 = 0.075 мм

Составим уравнение для размерной цепи:

Определим А_У1:

Т_У1= T₅ + T_2d + T₂ + T₁₀ = 0.25+0.075+0.19+0.075=0.59 мм

Средние отклонения полей допусков составляющих звеньев:

C₅=0 мм

C_2d=+0.0375 мм

C₂=+0.095 мм

C₁₀=-0.0375 мм

Для замыкающего звена:

C_У = C_2d — C₂-C₁₀ = 0.0375−0.095+0.0375=+0.25

C_У=-0.02

Предельные отклонения замыкающего звена:

S_У1 = C_У1 + = -0.02+0.59 = +0.275

I_У1 = C_У1 — = -0.02−0.59 = -0.315

Окончательно получаем:

мм

3.3 Расчет погрешности механизма для второго положения

Составляющие погрешности показаны на рисунке 3.3.1

Рисунок 3.3.1- Определение погрешности механизма

Величина представляет собой погрешность пружины, которая нами уже рассчитана и составляет 7.48%

Из рисунка видно, что 1 и 2 можно найти следующим образом:

1 =

2=

Окончательно получим:

В процентах

;

1) Красовский Е. Я; Дружинин Ю. А; Филатова Е. М., «Расчет и конструирование механизмов, приборов и вычислительных систем». М.: Высш. Шк., 1991.

2) Березовский Ю. Н. и др., «Детали машин».М.: Машиностроение., 1983.

3) Аркуша А. И. «Руководство к решению задач по теоретической механике». М.: Высш.Шк., 1990.

4) Мавнин М. С и др. «Основы технической механики». Л.: Машиностроение., 1990

5) Максимов В. М. и др. «Расчет размерных цепей деталей и узлов электрических аппаратов: Методические указания к самостоятельной работе и проектам». Чуваш.ун.-т. Чебоксары 1997.