Проектирование редуктора с конической передачей

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего Профессионального Образования САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Механика»

Расчетно-графическая работа

«Проектирование редуктора с конической передачей»

Выполнил студентка:

Тетюшева А.Д.

Самара 2015 г.

1. Расчет мощности и выбор двигателя

2. Кинематический и силовой анализ

3. Выбор материала и расчет допускаемых напряжений

4. Расчет прямозубой конической передачи

5. Проектный расчет валов. Подбор подшипников

5.1 Входной вал

5.2 Выходной вал

6. Расчет элементов конического колеса

7. Подбор и проверочный расчет шпоночных соединений

7.1 Входной вал

7.2 Выходной вал

8. Проверочный расчет выходного вала

8.1 Расчет и построение эпюр изгибающих моментов

8.2 Расчет коэффициента запаса усталостной прочности

Техническое задание

Частота вращения вала двигателя n_дв=1000 об/мин

Частота вращения выходного вала n_вых=500 об/мин

Вращающий момент на выходном валу T_вых=100 Н*м

Срок службы редуктора (в годах) L = 10

Тип редуктора конический (КЧ)

Коэффициент загрузки K_год=0,7; K_сут=0,4

Введение

Электромеханический привод состоит из двигателя с редуктором, соединенных между собой муфтой. Привод в виде единой установки размещается на литой плите или сварной раме.

Редуктор — это механизм, служащий для уменьшения частоты вращения и увеличения вращающего момента. Редуктор состоит из литого чугунного корпуса, в котором размещены зубчатые или червячные передачи, закрепленные на валах. Передача движения от колес к валам и наоборот производится с помощью шпонок. Валы опираются на подшипники качения, размещенные в гнездах корпуса. Подшипники удерживаются от осевого смещения крышками, которые с двух сторон привертываются винтами к корпусу редуктора.

Для уменьшения потерь на трение детали передач смазываются маслом. Уровень масла контролируется маслоуказателем. Масло заливается через смотровое окно. Это окно закрывается крышкой с пробкой-отдушиной, через которую из редуктора улетучиваются пары разогретого масла. Загрязненное масло удаляется через сливное отверстие, закрываемое резьбовой пробкой. Для предотвращения выбросов масла из редуктора на входном и выходном валах устанавливаются уплотнения в виде резиновых манжет.

Все детали редуктора разделяются на оригинальные и стандартные. Оригинальные — это детали передач (колеса, червяки, шестерни), валы корпус редуктора. Размеры валов и колес находят из проектных и проверочных расчетов. Размеры элементов корпуса принимают в основном конструктивно. Стандартные изделия (шпонки, подшипники, муфты) подбирают по размерам валов и для них выполняют только проверочные расчеты. Остальные детали (крышки, маслоуказатель, пробки, уплотнения и т. д.) не воспринимают нагрузку и их размеры назначают конструктивно.

1. Расчет мощности и выбор двигателя Мощность на выходном валу редуктора

Расчетная мощность двигателя

Где з=0,98 — КПД конического редуктора.

По каталогу выбираем двигатель типа … с ;

Диаметр вала двигателя d_дв =38 мм.

Таблица 1

Рис. 1

Таблица 2

2. Кинематический и силовой расчет

Передаточное отношение редуктора

Частота вращения валов Момент на входном (1-ом) валу Суммарное время работы редуктора

= 365 • L• K_год • К_сут = 10*365*0,7*0,4*24 =24 528 час.

Здесь L — срок работы в годах

3. Выбор материала и расчет допускаемых напряжений Расчетная твердость стали

(если HB'<160, принять HB' = 160; если HB'>300, принять HB =300)

По величине HB' выбираем сталь 45, термообработанную на твердость HB=210 .

Таблица 3

Предел контактной выносливости

2*HB + 70=2*210+70 =490 МПа Базовое число циклов

N_HO = 30*(HB)^2.4 =30*(210)^2,4=11 231 753,5 циклов Число циклов нагружения зуба шестерни Коэффициент долговечности Принимаем K_HL=1 (если K_HL<1, принять K_HL=1)

Допускаемые контактные напряжения

МПа где S_H=1,1 — коэффициент безопасности Предел изгибной прочности

= 1,8 HB = 1,8*210 = 378, МПа Базовое число циклов: N_FO = 4 • 10⁶

Коэффициент долговечности Принимаем K_FL = 1 (если K_FL<1, принять K_FL=1)

Допускаемые напряжения изгиба

МПа где S_F=1,75 — коэффициент безопасности

4. Расчет прямозубой конической передачи Расчетное число зубьев шестерни

Z₁ = 22 — 9log u=22−9*log 2=19,3

принимаем Z₁ = 19 (Z₁ округлить до целого числа) Число зубьев колеса

Z₂ = Z₁ • U =19*2=38

принимаем Z₂ = 38 (Z₂ округлить до целого числа) Расчетный внешний делительный диаметр шестерни

1816*0,04=97,3, мм где K_H=1,2 — коэффициент нагрузки;

Расчетный внешний модуль зацепления

5,1, мм Принимаем m_e=6мм (m_e округлить в большую сторону по ряду: 0,8 1 1,25 2,25 3 4 5 6 8)

Внешнее конусное расстояние

мм Углы делительных конусов колеса: ₂ =аrctg u = 63,43

шестерни: ₁ = 90⁰ — ₂ = 26,57

Внешний диаметр делительной окружности шестерни

d_e1 = m_e z₁ = 6*19=114, мм Внешний диаметр делительной окружности колеса

d_e2 = m_e z₂ = 6*38=228, мм Внешние диаметры окружностей вершин зубьев

d_ae1 = d_e1+2mcos₁ =124,7 мм

d_ae2 = d_e2+2mcos₂ = 233,32 мм

Ширина зубчатого зацепления

b = 0,285R_e =36,32

Принимаем b=38 мм (b округлить в большую сторону до четного числа) Внешняя высота зуба

h_e = 2,2m_е = 13,2 мм

Проверочный расчет Рабочее контактное напряжение

341,3 МПа Коэффициент формы зуба шестерни

4,01

Расчетные напряжения изгиба в зубьях шестерни

=32,7

где K_F=1,3 — коэффициент нагрузки.

Силы в зацеплении (на колесе):

окружная

радиальная F_r2 = F_t2 tg20⁰ cos ₂ = 1023,5*0,364*0,4407=164,1

осевая F_a2 = F_t2 tg20⁰ cos ₁ = 1023,5*0,364*0,8922=332,3

5. Проектный расчет валов. Подбор подшипников

5.1 Входной вал Предварительный диаметр выходного участка где [ф]= 20МПа — допускаемое напряжение кручения Принимаем d_в1=d_в2=38 мм Диаметр ступени под уплотнение

d_y1=d_в1 +(3ч5) = 38+4=42 мм

(значение диаметра d_y1 принять по ряду: 20 22 24 25 28 30 32 35 36 38 40 42)

Диаметр резьбы цилиндрической гайки

d_p=d_y1+(4ч6) =42+4=46 мм

(значение диаметра d_p принять по ряду: 20 24 27 30 33 36 39 42 45 46)

Диаметр ступени под подшипники

d_п1=d_p+(1ч5) = 46+4=50 мм значение диаметра d_п1 принять по ряду: 20 25 30 35 40 45 50)

Диаметр упорного буртика

d_б1=d_п1+6=50+6=56 мм В опорах валов устанавливаем конические роликоподшипники легкой серии. Габаритные размеры подшипника d=d_п1=50 мм, D=90 мм, T=21,75 мм. (размеры d, D и T берутся из каталога на роликоподшипники, см. таблицу 3).

5.2 Выходной вал Предварительный диаметр выходного участка мм Принимаем d_в2=d_в1+6=38+6=44 мм Диаметр ступени под уплотнение

d_y2=d_в2+(3ч5)=44+4=48 мм

(значение диаметра d_y2 принять по ряду:22 24 25 28 30 32 35 36 38 40 42 44 48)

Диаметр ступени под подшипники

d_п2=d_y2+(1ч5)=48+2=50 мм

(значение диаметра d_п2 принять по ряду: 20 25 30 35 40 45 50 55 60)

Диаметр ступени под коническое колесо

d_к2=d_п2+5 = 50+5=55 мм Диаметр упорного буртика

d_б2=d_к2+10 =55+10=65 мм В опорах валов устанавливаем конические роликоподшипники легкой серии. Габаритные размеры подшипников: d=d_п2=50 мм, D=90 мм. T=21,75 мм. (параметры d, D и T берутся из каталога из роликоподшипники, см. таблицу 3)

Таблица 3

6. Расчет элементов конического колеса

(получаемые значения округлить в большую сторону до четного числа) Диаметр ступицы колеса

d_ст= 1,5*d_к2 = 1,5*55=82,5?84

Длина ступицы колеса

l_ст=1,5* d_к2 =1,5*55=82,5?84

Толщина диска

C=0,3*b=0,3*38=11,4?12

Толщина обода

h₀ =4*m?8=4*6=24 мм Диаметр диска

D₀?d_e2-2*b*cosд₁=228−2*38*cos 26.57=228−67.8=160.2?162

Диаметр отверстий в диске

d₀=0,25*(D₀-d_ст)= 0,25*(162−84)= 19,5? 20

7. Подбор и проверочный расчет шпоночных соединений Сечение шпонки b*h выбирается по диаметру вала, длина l назначается на 5ч10 мм меньше длины соответствующей ступени вала L и принимается по ряду длин стандартных шпонок (см. таблицу 4). В обозначении шпонки указываются ее размеры b*h*l мм.

7.1 Входной вал Длина выходного участка вала l_в1 принимается равной длине вала двигателя l₁: l_в1=l₁=80 мм (см. табл.2). По диаметру d_в1=38 мм и длине выходного участка L=l_в1 выбираем шпонку 10*8*70 мм Проверочный расчет на смятие:

где t₁ — глубина паза на валу (см. табл. 4);

[у]_см=120 МПа — допускаемое напряжение смятия.

7.2 Выходной вал Для выходного участка по диаметру d_в2=44 мм и длине выходного участка L=2*d_в2=88 мм (см. эскизную компоновку) выбираем шпонку 12*8*80 мм.

Проверочный расчет на смятие:

Для ступени под колесо сечение шпонки b*h выбираем по диаметру d_к2 =55мм, а длину — по длине ступицы колеса L=l_ст=84 (см. раздел 6): 16*10*80мм.

Проверочный расчет на смятие:

Параметры шпоночного соединения по ГОСТ 23 360–78

Таблица 5

Стандартный ряд длин:20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110

двигатель вал колесо прочность

8. Проверочный расчет выходного вала

8.1 Расчет и построение эпюр изгибающих моментов Нагрузка на вал (силы зацепления, см. раздел 4):

F_t2=1023.5 Н, F_r2=164.1 Н, F_a2=332,3 Н Средний делительный диаметр конического колеса: d₂=0.857*d_е2=195,396 мм Расстояние между опорами: l₁=82 мм, l₂=168 мм

(значения l₁ и l₂ измеряются на чертеже эскизной компоновки между внутренним торцом роликоподшипников и серединой ширины конического колеса b₂, см. расчетную схему)

Плоскость Axz — действует сила F_t2

УM_A=0; R_Bz*(l₁+l₂)-F_t2*l₁=0

Н

R_Az=F_t2-R_Bz=1023,5−335,708=687,792 Н Изгибающий момент на участке x₁:

M_z1 = R_Az*x₁; при x₁ = 0 M_z1 = 0

при x₁ = l₁ M_z1 = R_Az*l₁=687,792*82=56 398,944 Н*мм

Плоскость Ayx — действуют силы F_r2 и F_a2

УM_A=0;

Н УM_B=0;

Н Изгибающий момент на участке x₁:

; при x₁ = 0 M_y1 = 0;

при x₁ = l₁

Изгибающий момент на участке x₂:

; при x₂ = 0 M_y2 = 0;

при x₂=l₂

(Если получится R_By<0, то при x₂=l₂ M_y2=R_By*l₂>0 и соответствующая эпюра M_изг изображена пунктирной линией) Суммарные изгибающие моменты в опасном сечении

Н мм Н мм

Максимальный суммарный изгибающий момент в опасном сечении

M_{u max} = 59 736.64 Н*мм (взять большее из значений M₁ и M₂)

Крутящий момент на валу

T= T_вых*10³ = 100*10³ = 100 000 Н*мм

(На эпюрах указать числовые значения крутящего и изгибающих моментов) Рис. 2

8.2 Расчет коэффициента запаса усталостной прочности Вал изготавливается из стали 40 (ГОСТ 1054−74) с пределом точности у_в= 620 МПа и пределами выносливости на изгиб у_-1 и кручения ф_-1:

_-1 = 0,43 у_в = 0,43*620=267 МПа

_-1 = _-1 0,58 = 267 0,58 = 155 МПа Коэффициенты концентрации напряжений К = 0,9+0,0014_в = 0,9 + 0,0014 • 620 = 1,768

К = 0,6+0,0016_в = 0,6 + 0,0016 • 620 = 1,592

Масштабные факторы

= 0,984 — 0,0032 d_k2 =0,984−0,0032*55=0,808

= 0,86 — 0,003 d_k2 =0,86−0,003*55=0,695

Коэффициент шероховатости: = 0,92

Коэффициенты асимметрии цикла: = 0,2 = 0,1

Осевой W и полярный W_p моменты сопротивления мм³

мм³

где b, t₁ — ширина и глубина шпоночного паза для диаметра d_k2 (см. раздел 7).

Напряжения в опасном сечении

; у_m =0;

Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям изгиба:

Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям кручения:

Общий коэффициент запаса усталостной прочности:

Проверка условия прочности n?[n]=1.7