Автоматизированное проектирование механической передачи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

Курсовая работа

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

на тему

Автоматизированное проектирование механической передачи

Студент Цапарин М.И.

Руководитель д.т.н., проф. Поболь О.Н.

Орехово-Зуево — 2015

Задание на курсовую работу

Целью работы является автоматизированный расчёт цилиндрической зубчатой передачи и ведомого вала с использованием САПР APM WinMachine (программные модули APM Trans и APM Shaft) и конструирование ведомого вала передачи с использованием САПР Компас-3D.

Задано: передаточное отношение закрытой цилиндрической зубчатой передачи u₁₂ = 4, мощность на выходном валу P₂ = 3,5 кВт и его частота вращения n₂ = 75 об/мин.

Схема передачи

Для заданного зубчатого механизма требуется:

выполнить проектировочный расчет зубчатой передачи внешнего зацепления в модуле АРМ Trans и генерацию чертёжа ведомого колеса по результатам расчёта;

выполнить расчёт вала в модуле АРМ Shaft;

оптимизировать конструкцию вала по условию равной усталостной прочности;

разработать деталировочный чертеж ведомого вала;

разработать трёхмерную модель ведомого вала или зубчатого колеса (по выбору).

Курсовой проект составляют следующие разделы:

1. Проектировочный расчет зубчатой передачи в модуле АРМ Trans.

2. Проектировочный расчёт валов передачи в модуле АРМ Shaft и оптимизация их конструкции в модуле APM Drive.

3. Конструирование основных элементов передачи.

По разделам 1 и 2 выполняются расчеты, приводимые в пояснительной записке, а соответствующие чертежи в формате А4 приводятся в разделе 3 (все материалы представляются в электронной версии и в распечатке). При выполнении проекта используются системы автоматизированного проектирования APM WinMachine и КОМПАС-3D, описание которых приведено в учебных пособиях [1 — 7].

Автоматизированное проектирование осуществляется с использованием специализированных САПР. С их помощью путем синтеза возможных конструктивных вариантов обеспечивается нахождение оптимальных, т. е. наилучших по ряду критериев, проектных решений. Вначале создается эскизный проект объекта, содержащий основные его параметры и характеристики, конструктивную схему и математическую модель. Далее в процессе автоматизированного конструирования выполняется с помощью компьютера оптимальный синтез конструктивных элементов и осуществляется автоматизированная разработка конструкторской документации. В структуру автоматизированного производства передается системный образ разработанной на компьютере конструкции в виде пакета программ, необходимых для изготовления изделия. Они включают общее конструктивное решение и конкретизацию отдельных элементов, а также соответствующую технологическую документацию.

В практике современного машиностроения всё шире применяются программные комплексы CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM, включающие в себя пакеты программ для сквозной конструкторско-технологической подготовки и организации автоматизированного производства:

CAD — САПР-программы для черчения 2D и пространственного моделирования 3D;

CAE — расчетные инженерные программы;

CAM -модули подготовки программ для станков с ЧПУ;

CAPP — САПР для технологической подготовки производства и технического нормирования;

PDM — программа электронного документооборота и управления проектами DOCs.

Специализированная система пакетов программ САПР введена в постоянную память процессора, диалог оператора с ЭВМ осуществляется с помощью дисплея и клавиатуры, результаты разработки выводятся в виде чертежей на принтер, графопостроитель или в электронной версии на лазерный, магнитный диски.

Система APM WinMachine

Базовым программным комплексом такого типа является система автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства — комплекс APM WinMachine (компания АПМ, Россия). Инструментально-экспертная система автоматизированного расчета и проектирования в машиностроении и строительстве APM WinMachine представляет собой энциклопедию по машиностроению, включающую инструменты и программы для автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов. Кроме этого, она имеет современные графические средства, встроенные базы данных, необходимую информационную базу знаний, разветвленную систему подсказок и электронный учебник по основам проектирования машин.

Работает совместно с универсальным графическим редактором AutoCAD (США) и с отечественным графическим редактором КОМПАС. Также возможно использование собственного модуля графического редактора.

APM WinMachine содержит современные, эффективные и надежные алгоритмы и программы для расчета:

энергетических и кинематических параметров;

прочности, жесткости и устойчивости;

выносливости при переменных режимах нагружения;

вероятности, надежности и износостойкости;

кинематических и динамических характеристик.

Модули системы APM WinMachine

АРМ Joint — модуль расчета и проектирования соединений деталей машин и элементов конструкций, который позволяет выполнить комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения.

APM Screw — модуль для расчета неидеальных передач поступательного движения. Он способен рассчитать винтовые передачи скольжения, шарико-винтовые и планетарные винтовые передачи.

APM Bear — модуль расчета неидеальных подшипников качения. Он выполняет комплексный анализ опор качения всех известных типов.

APM Shaft — модуль расчета, анализа и проектирования валов и осей.

APM Cam — модуль расчета и проектирования кулачковых механизмов с автоматическим генератором чертежей.

APM Trans — модуль проектирования передач вращения. Этот модуль предназначен для расчета всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач, и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме.

APM Drive — модуль комплексного расчета и проектирования механического привода сложной структуры с автоматической генерацией чертежей отдельных деталей, а также и в сборе, включая корпус.

APM Plain — модуль расчета и анализа радиальных и упорных подшипников, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения.

APM Spring — модуль расчета и проектирования пружин и других упругих элементов машин.

APM Structure3D — модуль расчета и проектирования пространственных конструкций, а также твердотельных деталей, методом конечных элементов.

APM Beam — модуль расчета и проектирования балочных элементов конструкций методом конечных элементов.

APM Dynamics — модуль комплексного анализа упругих динамических систем методом конечных элементов.

База данных — модуль хранения и редактирования стандартных и информационных данных, необходимых для функционирования каждого из перечисленных выше модулей.

APM Book — электронный учебник «Основы проектирования машин», в котором изложены основные методы расчета, использованные при разработке системы.

С ее помощью можно выполнить расчеты и проектирование:

· Соединений деталей машин и элементов конструкций, включая комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения.

· Всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач, и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме.

· Расчет и проектирование винтовых передач.

· Подшипников качения всех известных типов и подшипников скольжения.

· Валов и осей.

· Произвольных балочных конструкций.

· Ферменных плоских и пространственных конструкций.

· Напряженно-деформированного состояния деталей методом конечных элементов.

· Трехмерных рамных конструкций.

· Упругих элементов машин (пружин сжатия, растяжения и кручения, плоских пружины, а также тарельчатых пружин и торсионов).

· Кулачковых механизмов с автоматическим генератором чертежей.

· Рычажных механизмов произвольной структуры.

· Приводов вращательного движения произвольной структуры.

· Планетарных передач произвольного типа.

· Оболочечных и пластинчатых конструкций произвольного вида методом конечных элементов.

Использование этой системы позволяет создавать оборудование, не уступающее лучшим мировым аналогам, оптимальное по цене, весу, энергопотреблению и т. п., и, как результат, конкурентоспособное на мировом рынке.

Система КОМПАС-3D

Наибольшее распространение в конструкторской практике в стране получил программный комплекс КОМПАС-3D (компания Аскон, Россия). В настоящее время российская компания Аскон является ведущим разработчиком систем для автоматизации машиностроительных и технологических предприятий. Она разрабатывает CAD/CAM/PLM-системы для автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства. документации и управления жизненным циклом изделия (рис. 2.3). Облегчённая некоммерческая версия КОМПАС-3D LT V8/V9/V10 Plus предназначена для выполнения учебных проектно-конструкторских работ.

Система КОМПАС-3D используется в проектировании для создания двумерных и трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного. прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства.

Основная задача, решаемая системой КОМПАС-3D — моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Эти цели достигаются благодаря возможностям:

· быстрого получения конструкторской и технологической документации, необходимой для выпуска изделий (сборочных чертежей, спецификаций, деталировок и т. д.);

· передачи геометрии изделий в расчетные пакеты;

· передачи геометрии в пакеты разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ;

· создания дополнительных изображений изделий (например, для составления каталогов, создания иллюстраций к технической документации и т. д.).

Кроме того, система имеет встроенную библиотеку машиностроительных материалов, стандартных крепёжных изделий и типовых конструктивных решений, а также электронный учебник «Азбука КОМПАС».

Библиотека — это приложение, созданное для расширения стандартных возможностей КОМПАС-3D и работающее в его среде. Типичными примерами приложений являются поставляемая вместе с системой библиотека KOMPAS. RTW (она содержит команды построения изображений часто встречающихся геометрических фигур, гладких и резьбовых отверстий и т. д.), а также такие продукты семейства КОМПАС, как библиотека стандартных машиностроительных элементов и библиотека крепежа, значительно ускоряющие проектирование сборочных моделей и оформление сборочных чертежей.

Ключевой особенностью КОМПАС-3D является использование собственного математического ядра и параметрических технологий, разработанных специалистами АСКОН. Основная задача, решаемая системой — моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Эти цели достигаются благодаря возможностям:

· быстрого получения конструкторской и технологической документации, необходимой для выпуска изделий (3D-моделей и сборочных чертежей, спецификаций, деталировок и т. д.);

· передачи в электронном виде геометрии изделий в расчетные пакеты;

· передачи геометрии в пакеты разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ,

· создания дополнительных изображений изделий (например, для составления каталогов, создания иллюстраций к технической документации и т. д.);

· наличия обширного набора библиотек параметрических элементов: библиотеки стандартных элементов, библиотеки конструктивных элементов (отверстия, канавки, элементы валов и т. п.), библиотеки элементов схем (гидравлика, пневматика, радиодетали и т. п.), библиотеки станочных приспособлений и др.;

· возможности легко создавать и редактировать библиотечные элементы, создавать свои библиотеки обычными средствами системы без применения каких-либо языков программирования.

В системе КОМПАС используется метрическая система мер, при этом все размеры представляются в натуральном масштабе, в мм (можно назначить см, дм или м). Все построения выполняются в декартовой системе координат.

1. Проектировочный расчет зубчатой передачи в модуле АРМ Trans

Предварительный кинематико-динамический расчёт передачи

Общий КПД передачи з = з_зац· з² _подш = 0,97· 0,99² = 0,95

где з_зац = 0,97 — КПД прямозубого зацепления;

з_подш = 0,99 — КПД пары подшипников.

Мощность на ведущем валу передачи Р₁ = Р₂/з = 3,5 / 0,95 = 3,7 кВт, где Р₂ = 3,5 — заданная мощность на ведомом валу передачи, кВт.

Частота вращения ведущего вала передачи Заданное передаточное отношение передачи u = 4, а частота вращения ведомого вала n₂ = 75 об/мин. Тогда частота вращения ведущего вала составляет

n₁ = n₂ u = 75· 4 = 300 об/мин.

Определяем угловые скорости щ_i и вращающие (крутящие) моменты Т_i на валах:

· вал 1

3,14 · 300/30 = 31.4 рад/с.

3700/31.4 = 117,8 Нм;

· вал 2

щ₂ = 3,14 · 75/30 = 7,85 рад/с;

T₂ = 3500/7,85 = 445,9 Нм.

Автоматизированный расчёт передачи в модуле APM Trans

Расчёт прямозубой передачи внешнего зацепления выполнен с использованием модуля APM Trans системы автоматизированного проектирования APM WinMachine. Результаты расчёта приведены на рисунках (рис.1−4).

Расчёт зубчатых колёс редуктора

Выбран материал для зубчатых колёс:

· для шестерни — сталь 45, термообработка — закаливание;

· для колеса — сталь 45, термообработка — улучшение.

Допускаемое контактное напряжение для указанных материалов [у] = 555 МПа, мощность на ведомом валу редуктора Р₂ = 3,5 кВт, вращающий момент Т₂ = 445,9 Нм, межосевое расстояние по результатам расчёта а_w = 154 мм, число зубьев шестерни z₁ = 41, число зубьев колеса z₂ = 164, модуль зацепления m = 1,5 мм.

Основные размеры шестерни и колеса Диаметры начальных окружностей после смещения исходного контура

d_w1 = 61.6 мм;

d_w2 = 241,4 мм.

Проверка:

(61,6 + 246,4)/2 = 154 мм.

Диаметры вершин зубьев колёс d_a1 = 64.749 мм; d_a2 = 249,249 мм; ширина колеса b₂ = 74 мм,; ширина шестерни b₁ = 79 мм.

Силы, действующие в зацеплении:

· окружная 3612 Н;

· радиальная 1333 Н.

Оценка прочности зубьев на выносливость по контактным напряжениям и напряжениям изгиба Допускаемое контактное напряжение [у]_к = 554,5 МПа.

Допускаемое изгибное напряжение

· для шестерни [у]_и = 353 МПа;

· для колеса [у]_и = 286 МПа Рабочие напряжения:

· шестерни у_Кш = 552,3 МПа; у_Кк = 552,3 МПа;

· колеса у_Иш = 174 МПа; у_Ик = 171 МПа;

Поскольку рабочие напряжения меньше допускаемых, — условие прочности выполнено.

Сгенерированный в результате автоматизированного расчёта чертёж зубчатого колеса приведён в разделе 3 на рис. Х.

Рис. 1. Исходные расчётные данные Рис. 2. Размеры колёс Рис. 3. Напряжения допускаемые и рабочие Рис. 4. Нагрузки в зацеплении передачи

2. Проектировочный расчёт валов передачи в модуле АРМ Shaft и оптимизация конструкции по усталостной прочности

Предварительный расчёт валов редуктора

Проектирование валов редуктора начинают с ориентировочного определения диаметра выходных концов из расчета на чистое кручение по пониженному допускаемому напряжению без учета влияния изгиба

где Т — крутящий момент, Н-мм; [ф]_к—допускаемое напряжение на кручение; для валов из сталей 40, 45, Ст 6 принимают пониженное значение [ф]_к = 20−25 МПа (Н/мм²). Полученный результат округляют по ГОСТ до ближайшего значения из ряда R40:

Ведущий вал Вращающий момент Т₁ = 117,8· 10³ Нмм, допускаемое напряжение на кручение [ф]_к = 25 МПа.

Диаметр выходного конца ведущего вала

= (16· 117,8·10³/3,14·25)^1/3 = 28,8 мм Принимаем из конструктивных соображений d_B1 = 30 мм.

Ведомый вал Вращающий момент Т₂ = 445,9· 10³ Нмм, допускаемое напряжение на кручение [ф]_к = 25 МПа.

Диаметр выходного конца ведомого вала

= (16· 445,9·10³/3,14·25)^1/3 = 45,7 мм Принимаем из конструктивных соображений d_В2 = 50 мм.

С учётом значений диаметров выходных концов принимаем диаметры участков под подшипниками

d_Bп1 = 35 мм

d_Bп2 = 55 мм

Подбор подшипников и проверка долговечности подшипников

По принятым значениям диаметров валов выбираем по ГОСТ 8338–75 радиальные шарикоподшипники средней серии:

· для ведущего вала — обозначение 307

d₁ — внутренний диаметр подшипника = 35 мм.

D₁ — внешний диаметр подшипника = 80 мм.

В₁ — ширина подшипника = 21 мм.

С₁ — динамическая грузоподъёмность = 25,7 кН.

С_о1 — статическая грузоподъёмность = 17,6 кН.

· для ведомого вала — обозначение 311

d₂ — внутренний диаметр подшипника = 55 мм.

D₂ — внешний диаметр подшипника = 120 мм.

В₂ — ширина подшипника = 29 мм.

С₂ — динамическая грузоподъёмность = 54,9 кН.

С_о2 — статическая грузоподъёмность = 41,8 кН.

Ведущий вал (рис.5) Из предыдущих расчетов имеем: F_t = 3612 H и F_r = 1333 Н; из первого этапа компоновки l₁=74.5 мм Рис. 5. Расчетная схема ведущего вала Реакции опор:

Вертикальная плоскость

R_AY = R_BY = F_r/2 = 666.5 H.

Горизонтальная плоскость

R_AХ = R_BХ = F_t/2 = 1806 H.

Определение суммарных радиальных реакций

R_A = R_B = (R²_AX + R²_AY)^½ = (1806² + 666,5²)^½ = 1925 Н.

Эквивалентная нагрузка на подшипник:

где R_A — осевая нагрузка на подшипник.

При вращении внутреннего кольца коэффициентV=1

При спокойной нагрузке коэффициент К_д=1,0

Осевая нагрузка на подшипники отсутствует R_A = 0.

Для подшипников, А и В получаем при Fa_(A) = 0 и Х=1

Р_Э = 1925 Н Долговечность подшипников ведущего вала тогда составляет

ч.

Для цилиндрических редукторов по ГОСТ 16 162–85

минимальная долговечность

[L_h]=5000 ч.

Долговечность подшипников достаточна.

Ведомый вал (рис.6) несет такие же нагрузки, как и ведущий: F_t = 3612 H и F_r = 1333 Н;

Из первого этапа компоновки l₂=74.5 мм.

Рис. 6. Расчетная схема ведомого вала Реакции опор, аналогично ведущему валу, равны Вертикальная плоскость

R_AY = R_BY = F_r/2 = 666.5 H.

Горизонтальная плоскость

R_AХ = R_BХ = F_t/2 = 1806 H.

Определение суммарных радиальных реакций

R_A = R_B = (R²_AX + R²_AY)^½ = (1806² + 666,5²)^½ = 1925 Н.

Эквивалентная нагрузка на подшипник:

где R_A — осевая нагрузка на подшипник.

При вращении внутреннего кольца коэффициентV=1

При спокойной нагрузке коэффициент К_д=1,0

Осевая нагрузка на подшипники отсутствует R_A = 0.

Для подшипников опор, А и В получаем при Fa_(A) = 0 и Х=1

Р_Э = 1925 Н Долговечность подшипников ведомого вала тогда составляет Долговечность подшипников достаточна.

Расчет ведомого вала на усталостную прочность (выносливость)

Расчёт вала на усталостную прочность выполняется в модуле APM Shaft при известных активных нагрузках и принятых конструктивных размерах.

Эскиз ведомого вала приведен на рис. 7. На ведомый вал действуют следующие нагрузки:

Т₂ = Т ^*₂ = 445,9 Нм;

F_t = 3612 H и F_r = 1333 Н.

Шпоночные канавки под зубчатым колесом и на выходном конце вала — стандартные, из базы данных.

Материал вала — сталь 55, частота вращения n₂ = 75 об/мин, ресурс работы 20 000 часов, режим нагрузки — постоянный.

Рис. 7. Расчётный эскиз ведомого вала

Общий порядок расчета

Создание модели вала.

Задание опор вала.

Задание нагрузок.

Задание параметров материла вала.

Выполнение расчета.

Просмотр результатов расчета.

Генерация чертежа вала.

Вывод результатов расчета на печать.

Вывод результатов расчета в файл формата *.rtf.

Модель вала в модуле АPМ Graph

Расчётная модель ведомого вала, созданная в модуле АPМ Graph на базе эскиза рис. 7, с указанием опор и внешних нагрузок приведена на рис. 8.

Рис. 8. Модель ведомого вала

Расчёт вала в модуле APM Shaft

После задания материала вала — сталь 55, частоты вращения n₂ = 75 об/мин, ресурс работы 20 000 часов и режим нагрузки — постоянный выполняется его расчёт в модуле APM Shaft.

Результаты расчёта представлены на рис.9−14.

Рис. 9. Расчётные силы реакций в опорах вала Рис. 10. Моменты изгиба и кручения в поперечных сечениях вала Рис. 11. Эквивалентное напряжение и угол изгиба в гор. Плоскости Рис. 13. Перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях Рис. 13. Диаграмма углов кручения Рис. 14. Диаграмма коэффициента усталостной прочности ведомого вала.

зубчатый вал редуктор программный Как видно из результатов автоматизированного расчёта, наиболее нагруженным является участок вала в зоне правой опоры.

Наименьший коэффициент запаса усталостной прочности имеет выходной конец, для которого эта величина составляет n = 6,5, в то время, как рекомендуемая величина его составляет n? 1,5. Кроме того, и подшипники этого вала имеют чрезмерный запас долговечности.

Вследствие этого целесообразно выполнить оптимизацию его конструкции по усталостной прочности

3. Конструирование основных элементов передачи

В этом разделе приведены чертежи и 3D-модели, сгенерированные в процессе автоматизированного проектирования в системе APM WinMachine и созданные в системе КОМПАС-3D.

Рис. 15. Чертёж ведомого колеса, генерированный в модуле АРМ Trans

Рис. 16. Чертёж ведомого лала, генерированный в модуле АРМ Shaft

Рис. 17. Чертёж ведомого лала, созданный в системе КОМПАС-3D

Рис. 18. 3-D модель ведомого лала в системе КОМПАС-3D

Рис. 18. 3-D модель зубчатой передачи в системе КОМПАС-3D

Литература

Основная литература

1. Поболь О. Н. Основы автоматизированного проектирования: Краткий курс. М.- Орехово-Озуево, 2014. Электронное учебное пособие.

2. Берлинер Э. М., Таратынов О. В. САПР в машиностроении. М.: ФОРУМ, 2012.

3. Большаков В. П., Бочков А. Л. Основы 3-D моделирования. М-СПб.: ПИТЕР. 2012.

4. Кондаков А. И. САПР технологических процессов. М.: Academia, 2010.

5. Борзенков В. В. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов. М.: МГОУ, 2010.

Дополнительная литература

6. Кидрук М. И. КОМПАС-ЗD V12. М.- СПб.: ПИТЕР, 2011.

7. Талалай П. Г. КОМПАС-ЗD V12. СПб.: БХВ-Петербург, 2011.

8. Герасимов А. А. КОМПАС-ЗD V12. СПб.: БХВ-Петербург, 2011.

9. Замрий А. А. Практический учебный курс: CAD/CAE система APM WinMachine. М.: АПМ, 2010.

10. APM WinMachine. Оптимальные решения в строительстве и машиностроении. www.apm.ru.

11. Компания Аскон. Комплексные решения CAD/CAM/CAPP/PDM/ www.ascon.ru

12. Российский программный комплекс T-Flex. www.topsystems.ru.