3589
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки
151000 – Технологические машины и оборудование
Воронеж 2013
2
УДК 621.81.001.24
Основы проектирования [Текст] : методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 151000 – Технологические машины и оборудование / Г. Н. Вахнина, В. В. Стасюк, В. В. Ткачев, Р. Г. Боровиков, И. Н. Журавлев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2013. – 39 с.
Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 5 от 26 апреля 2013 г.)
Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кондрашова
3
ВВЕДЕНИЕ
Целью практических занятий по курсу «Основы проектирования» является закрепление полученных теоретических знаний и применение их при проведении проектирования и расчетов механических передач или соединений.
Техническое задание на проектирование механизма или машины проектная организация получает от предприятия-изготовителя. В техническом задании перечисляются требования: силовые, габаритные, эргономические, экономические и др., которые должны быть обеспечены при проектировании.
Задание на расчет механического привода с исходными данными является частью технического задания, для выполнения которого необходимо произвести расчеты, выбрать наилучшие кинематические схемы и разработать документацию (чертежи) для изготовления привода.
Проектирование и расчет механической передачи или соединения на основе заданных исходных данных должен проводиться по следующей методике:
–внимательно прочитать условие задачи или задания;
–определиться с тем, какие исходные величины или параметры даны, что они собой представляют;
–выяснить какие параметры или величины требуется рассчитать, а какие выбрать из справочных материалов;
–понять, какие дополнительные исходные данные можно получить из справочных материалов;
–большое внимание обращать на единицы измерения всех величин, фигурирующих в задаче или задании;
–понять алгоритм решения данной задачи (при необходимости построить схему или чертеж согласно условиям задачи; проанализировать формулы, используемые при решении);
–использовать рекомендуемую учебную и справочную литературу. Темы занятий предполагают выполнение заданий, согласно варианту. Решение каждого задания оформляются студентом в его тетради для
практических занятий.
При необходимости получения значений каких-либо величин студент источники, указанные в квадратных библиографическому списку.
дополнительных сведений или может использовать литературные скобках под номером согласно
4
Тема 1. Проектирование и кинематический расчет привода
[1 Осн., 2 Осн., 1 Доп., 2 Доп.]
Проектирование приводных устройств начинается с разработки кинематической схемы для дальнейшего кинематического расчета.
Задание 1. Спроектировать механический привод, начертив его кинематическую схему согласно данным варианта из табл. 1.1.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
|
|
|||||
Вариант |
Последовательность узлов привода |
Опоры валов |
|||||
1 |
Электродвигатель – открытая ременная передача – |
Подшипники |
|||||
|
редуктор |
зубчатый |
|
цилиндрический |
качения |
||
|
одноступенчатый – муфта |
|
|
|
|
||
2 |
Электродвигатель – открытая ременная передача – |
Подшипники |
|||||
|
редуктор червячный одноступенчатый - муфта |
качения |
|||||
3 |
Электродвигатель – муфта – редуктор зубчатый |
Подшипники |
|||||
|
цилиндрический |
|
двухступенчатый |
– открытая |
качения |
||
|
цепная передача |
|
|
|
|
|
|
4 |
Электродвигатель – муфта – редуктор червячный |
Подшипники |
|||||
|
одноступенчатый – открытая цепная передача |
качения |
|||||
5 |
Электродвигатель – открытая ременная передача – |
Подшипники |
|||||
|
редуктор зубчатый конический одноступенчатый – |
качения |
|||||
|
открытая зубчатая цилиндрическая передача |
|
|||||
6 |
Электродвигатель – открытая цепная передача – |
Подшипники |
|||||
|
редуктор зубчатый конический одноступенчатый – |
качения |
|||||
|
открытая зубчатая цилиндрическая передача |
|
|||||
7 |
Электродвигатель – открытая ременная передача – |
Подшипники |
|||||
|
редуктор цилиндрическо-червячный – муфта |
качения |
|||||
8 |
Электродвигатель |
– |
муфта |
– |
редуктор |
Подшипники |
|
|
цилиндрическо-червячный – открытая цепная |
качения |
|||||
|
передача |
|
|
|
|
|
|
9 |
Электродвигатель – муфта – редуктор червячный |
Подшипники |
|||||
|
одноступенчатый – открытая зубчатая коническая |
качения |
|||||
|
передача |
|
|
|
|
|
|
10 |
Электродвигатель – открытая ременная передача – |
Подшипники |
|||||
|
редуктор |
зубчатый |
|
цилиндрический |
качения |
||
|
двухступенчатый – муфта |
|
|
|
|
5
Задание 2. Выбрать электродвигатель для разработанной схемы механического привода (табл. 1.1), определив для этого его мощность и частоту вращения. Исходные данные по вариантам представлены в табл. 1.2:
Рвых, кВт – мощность на выходном валу привода; nвых, мин-1 – частота вращения выходного вала привода; V, м/с – окружная скорость на
исполнительном механизме.
Таблица 1.2
Вари- |
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
|
5 |
|
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
ант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рвых, |
4,4 |
6,5 |
5,5 |
|
5,8 |
6,2 |
|
4,5 |
4,7 |
6,3 |
5,4 |
4,1 |
|||
кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nвых, |
92 |
121 |
116 |
|
103 |
144 |
|
87 |
96 |
105 |
118 |
98 |
|||
мин-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V, м/с |
0,5 |
1,4 |
0,45 |
1,35 |
1,15 |
0,65 |
0,85 |
1,24 |
0,55 |
0,95 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Потребная мощность электродвигателя: |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Pэл.потр |
|
|
Pmax |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
общ |
|
|
|
|
|
где общ 1 2 ... n – КПД отдельных звеньев кинематической цепи, значения которых даны в табл. 1.3.
|
|
|
Таблица 1.3 |
|
|
|
|
Элементы привода |
|
КПД |
Рекомендуемое |
|
|
|
передаточное |
|
|
|
число |
1 |
|
2 |
3 |
Зубчатая закрытая передача: |
|
|
|
цилиндрическая |
|
0,96…0,98 |
2,5…6,3 |
коническая |
|
0,95…0,97 |
2…4 |
Зубчатая открытая передача |
|
|
|
Червячная закрытая передача при |
числе |
|
|
заходов червяка: z1 = 1 |
|
0,7…0,8 |
28…80 |
z1 = 2 |
|
0,75…0,85 |
15…28 |
z1 = 4 |
|
0,8…0,9 |
8…15 |
Цепная передача: открытая |
|
0,92…0,93 |
1,5…3 |
закрытая |
|
0,95…0,97 |
3…5 |
6
Окончание табл. 1.3
1 |
|
2 |
3 |
Ременная передача |
|
0,94…0,97 |
2…4 |
Пара подшипников качения |
|
0,99…0,995 |
– |
Муфта соединительная |
|
0,98…0,99 |
– |
Приводной барабан (фрикционный) |
|
0,92 |
– |
Частота вращения вала электродвигателя: |
|
||
nэ nв u1 u2 |
... un , |
|
где u1, u2,…, un – передаточные числа узлов привода, значениями которых задаться по данным табл. 1.3.
В зависимости от полученного значения частоты вращения вала электродвигателя подобрать тип электродвигателя из табл. 1.4.
Таблица 1.4 Двигатели закрытые обдуваемые единой серии А4
(тип/асинхронная частота вращения, мин-1)
Мощность |
|
Синхронная частота, мин-1 |
|
|
Р, кВт |
|
|
|
|
3000 |
1500 |
1000 |
750 |
|
|
|
|
|
|
0,75 |
71А2/2840 |
71В4/1390 |
80А6/915 |
90LА8/700 |
|
|
|
|
|
1,1 |
71В2/2810 |
80А4/1420 |
80В6/920 |
90LВ8/700 |
|
|
|
|
|
1,5 |
80А2/2850 |
80В4/1415 |
90L6/935 |
100L8/700 |
|
|
|
|
|
2,2 |
80В2/2850 |
90L4/1425 |
100L6/950 |
112МА8/700 |
|
|
|
|
|
3,0 |
90L2/2840 |
100S4/1435 |
112МА6/955 |
112МВ8/700 |
|
|
|
|
|
4,0 |
100S2/2880 |
100L4/1430 |
112МВ6/950 |
132S8/720 |
|
|
|
|
|
5,5 |
100L2/2880 |
112М4/1445 |
132S6/965 |
132М8/720 |
|
|
|
|
|
7,5 |
112М2/2900 |
132S4/1455 |
132М6/970 |
160S8/730 |
|
|
|
|
|
11,0 |
132М2/2900 |
132М4/1460 |
160S6/975 |
160М8/730 |
|
|
|
|
|
15,0 |
160S2/2940 |
160S4/1465 |
160М6/975 |
180М8/730 |
|
|
|
|
|
18,5 |
160М2/2940 |
160М4/1465 |
180М6/975 |
– |
|
|
|
|
|
Задание 3. Определить передаточные числа: – уточненное передаточное число привода согласно типу выбранного электродвигателя; – передаточные числа узлов разрабатываемого механического привода с учетом рекомендаций из табл. 1.5.
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uобщ |
|
|
nэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
nвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.5 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Редуктор |
|
|
|
|
Передаточные числа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
uБ |
|
|
|
uТ |
|
|
|
|
|
||||
Двухступенчатый по |
|
uред |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0,88 |
|
u |
ред |
||||||||||
развернутой схеме |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
uТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коническо- |
|
uред |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1,1 |
u |
ред |
|||||||||||
цилиндрический |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
uТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цилиндрическо- |
|
|
|
|
|
|
|
u |
ред |
|
|
|
||||
червячный |
1,6…3,15 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
uБ |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задание 4. Мощность последующего вала представляет собой произведение мощности предыдущего вала и КПД узла, находящемся на последующем валу. Вычислить мощности, передаваемые элементами привода, мощность вала электродвигателя Рэл, кВт, по паспорту:
– мощность быстроходного вала редуктора Р1 (кВт):
P P |
|
м ; |
1 эл |
|
– мощность тихоходного вала редуктора Р2 (кВт):
P P |
р ; |
2 1 |
– мощность вала приводного барабана Р3 (кВт):
P P |
|
|
3 2 ц |
|
пп бар . |
Задание 5. Частота вращения последующего вала равна отношению частоты вращения предыдущего вала к передаточному числу узла, находящегося на последующем валу. Угловая скорость последующего вала равна отношению угловой скорости предыдущего вала к передаточному числу узла, находящегося на последующем валу. Рассчитать частоту вращения n, мин-1, и угловые скорости ω, рад/с; uр и uц – соответственно передаточные числа редуктора и цепной передачи:
– вала электродвигателя и быстроходного вала редуктора
n |
n |
; |
эл |
1 |
|
nэл |
; |
|
|||||||
эл |
1 |
|
|
|
30 |
||
|
|
|
|
|
|
|
8
– тихоходного вала редуктора
n2 |
|
n1 |
|
2 |
|
1 |
|
|||
u |
p |
; |
u |
p |
; |
|||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
– вала приводного барабана
n3 |
|
n2 |
|
3 |
|
2 |
||
u |
ц |
; |
u . |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
ц |
Задание 6. Определить вращающие моменты на валах привода.
Момент на приводном валу (выходной вал привода):
Tвых 30 Рвых nвых
Вращающий момент на валу колеса тихоходной ступени редуктора:
T2Т |
|
Tвых |
|
|
|
uрп |
|
, |
|||
|
|
рп |
где uрп и ηрп – передаточное число и КПД ременной передачи;
T Tвых , 2Т uц ц
где uц и ηц – передаточное число и КПД цепной передачи. Вращающий момент на валу колеса быстроходной ступени редуктора:
T2 Б |
|
|
T2Т |
|
|
|
u |
|
|
, |
|||
|
|
Т |
|
з |
где uТ и ηз – передаточное число тихоходной ступени и КПД зубчатой передачи тихоходной ступени.
9
Тема № 2. Проектирование и расчет зубчатой цилиндрической передачи
[1 Осн., 2 Осн., 1 Доп., 2 Доп.]
Работоспособность зубчатых передач может быть повышена, если при проектировании будут устранены причины отказов, к которым относятся:
–поломка зубьев колес;
–хрупкое или пластическое разрушение рабочих поверхностей зубьев;
–усталостное разрушение рабочих поверхностей зубьев;
–износ;
–заедание.
Закрытые зубчатые передачи рассчитывают на выносливость рабочих поверхностей зубьев по контактным напряжениям и на выносливость зубьев по напряжениям изгиба.
Расчет по контактным напряжениям должен обеспечить отсутствие усталостного выкрашивания рабочих поверхностей зубьев.
Расчет по напряжениям изгиба служит для того, чтобы обеспечить достаточную усталостную прочность зубьев на изгиб, т.е. надежность передачи при отсутствии опасности усталостного разрушения зубьев.
Задание 1. Из табл. 2.1 выбрать материал зубчатых цилиндрических колес, среднюю твердость НВ или НRС, вид термической обработки ТО: ζт, МПа – предел текучести материала колес; ζВ, МПа – предел прочности материала колес; [ζ]Нlim, МПа – предел контактной выносливости материала колес; [ζ]Flim, МПа – предел выносливости по изгибу материала колес; (1) – индекс для шестерни; (2) – индекс для зубчатого колеса.
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Марка |
|
НВ или |
ζт, |
ζВ, |
[ζ]Нlim, |
[ζ]Flim, |
Стали |
ТО |
НRС |
МПа |
МПа |
МПа |
МПа |
|
|
235-262(2) |
540 |
700 |
|
|
45 |
Улучшение |
269-302(1) |
650 |
850 |
1,8НВср + 67 |
1,75НВср |
|
|
235-262(2) |
640 |
850 |
|
|
40Х |
Улучшение |
269-302(1) |
750 |
950 |
2НВср + 70 |
1,75НВср |
|
|
235-262(2) |
630 |
850 |
|
|
40ХН |
Улучшение |
269-302(1) |
750 |
950 |
2,5НВср + 170 |
370 |
|
Цементация |
|
|
|
|
|
20Х |
и закалка |
НRС 56-63 |
800 |
1000 |
19НRСср |
480 |
Марка стали и для шестерни, и для колеса выбирается одинаковая.
Задание 2. Рассчитать допускаемые контактные напряжения для шестерни [ζ]Н1, МПа и для колеса [ζ]Н2, Мпа по формуле:
10
H |
|
H lim |
ZN ZR ZV |
|
|
, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
SH |
где [ζ]Нlim – предел контактной выносливости для шестерни и для колеса по формулам из табл. 2.1, МПа;
ZN = 1 – коэффициент долговечности рассчитывается из отношения числа циклов к ресурсу передачи в числах циклов перемен напряжений;
ZR = 0,95 – коэффициент влияния шероховатости;
ZV = 1,08 – коэффициент влияния окружной скорости;
SH – коэффициент запаса прочности, принять равным 1,5 – для улучшения; 1,8 – для цементации и закалки.
Задание 3. Рассчитать допускаемые напряжения по изгибу для шестерни [ζ]F1, МПа и для колеса [ζ]F2, МПа по формуле:
F |
|
|
F lim |
YN YR YA |
|
|
, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SF |
где [ζ]Flim – предел выносливости по изгибу для шестерни и для колес определяется по формулам из табл. 2.1, МПа;
YN – коэффициент долговечности рассчитывается из отношения числа циклов к ресурсу передачи, принять равным 1,0;
YR – коэффициент влияния шероховатости, принять равным 1,0; YА – коэффициент влияния двустороннего приложения нагрузки,
принять равным 1,0;
SF – коэффициент запаса прочности, принять равным 1,7.
Задание 4. Вычислить межосевое расстояние согласно данным своего варианта из табл. 2.2: Т1, Нм – вращающий момент на шестерне; n1, мин-1 – частота вращения шестерни; u – передаточное число (передаточное отношение) зубчатой передачи; Lh, час – время работы передачи (ресурс).