Общий КПД привода
где – КПД пары цилиндрических зубчатых колес с опорами, = 0,97
[1,табл.9.1];
– КПД ременной передачи [табл.9.1];
– КПД муфты [табл.9.1];
– КПД пары подшипников качения [табл.9.1].
Требуемая мощность электродвигателя
10,6 .
Принимая электродвигатель марки 4А132М4У3 [1, табл.18.1], мощность которого , синхронная частота вращения , скольжение s =2,8%. Диаметр выходного конца ротора , а его длина [1, табл.18.2].
Номинальная частота вращения вала электродвигателя
.
Номинальная угловая скорость двигателя
.
Общее передаточное отношение
где – передаточное отношение редуктора;
– передаточное отношение ременной передачи;
(предварительно принимаем согласно рекомендаций [1, табл.9.2]).
Предварительное передаточное отношение редуктора
Предварительное передаточное отношение тихоходной ступени редуктора [1, табл.9.2]
Предварительное передаточное отношение быстроходной ступени редуктора
Из ряда стандартных значений [1, табл.10.1] и с учетом рекомендаций [1,табл.9.2] принимаем и
Расчетное передаточное отношение редуктора
.
Расчетное передаточное отношение ременной передачи
Кинематические параметры привода по валам:
быстроходный вал редуктора
,
,
промежуточный вал редуктора
,
,
тихоходный вал редуктора
,
,
выходной вал привода (ведущий вал машины)
,
,
Силовые параметры привода по валам:
,
,
,
,
,
Данные для расчета сводим в таблицу 1.
Наименование | Индекс Вала | Частота вращения n, | Угловая скорость ω, | Мощность P, | Момент T, |
Вал электродвигателя | дв | 1458,0 | 152,6 | 10,6 | 69,7 |
Быстроходный вал редуктора | 600,0 | 62,8 | 10,07 | 160,4 | |
Промежуточный вал редуктора | 120,0 | 12,56 | 9,77 | ||
Тихоходный вал редуктора | 30,0 | 3,14 | 9,48 | 3019,1 | |
Ведущий вал машины | 30,0 | 3,14 | 9,2 | 2929,9 |
Таблица 1 – Кинематические и силовые параметры привода по валам
2 РАСЧЕТ РЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ
Исходные данные для расчета: 10,6 ; ; ; – относительное скольжение [1, табл.9.2].
При данных силовых и кинематических параметрах ременной передачи и для сокращения количества ремней примем узкий клиновидный ремень сечения УА [1, табл.12.1]. Для данного ремня минимальный расчетный диаметр меньшего шкива .
Рекомендуемый расчетный диаметр меньшего шкива
.
Расчетный диаметр меньшего шкива принимаем из стандартного ряда = 132 , [1, табл.12.1].
Расчетный диаметр большего шкива
,
принимаем .
Фактическое передаточное отношение передачи
Расхождение с тем, что было получено по первоначальному расчету, , что менее допускаемого .
Межосевое расстояние ременной передачи
,
где к = 1,1 [1, табл.12.5].
Расчетная длинна ремня
принимаем L p = 1500 мм [1, табл.12.1].
Межосевое расстояние при принятой длине ремня
Угол обхвата меньшего шкива
Скорость ремня
,
Коэффициент длины ремня
Где – базовая длина ремня[1, табл.12.3].
Коэффициент угла обхвата
Число ремней в передаче
где Р 0 = 4,5 кВт – мощность, передаваемая одним клиновидным ремнем сечения УА (L 0 =2500 ,) [1, табл.12.4];
K F = 1, 15 – коэффициент динамической нагрузки [1, табл.12.4];
C P = 1, 0 – коэффициент режима работы (при односменной работе) [1,табл.12.4];
C i = 1, 13 – коэффициент передаточного числа [1, табл.12.4];
C z = 0, 95 – коэффициент количества ремней [1, табл.12.4].
Принимаем z = 3.
Предварительное натяжение ветви ремня
,
где = 0,12 – коэффициент, учитывающий центробежную силу [1,табл.12.6].
Сила давления на валы
.
Ширина шкива
,
где – параметры канавки шкива [1,табл. 12.7].
Диаметр ступицы ведущего шкива (материал шкива чугун СЧ20)
,
где – диаметр выходного конца ротора двигателя (см.п.1).
Длина ступицы ведущего шкива
,
где – длина выходного конца ротора двигателя (см.п.1).
Диаметр ступицы ведомого шкива (материал шкива чугун СЧ20)
,
где – диаметр выходного конца быстроходного вала редуктора (см.п.3.3.1).
Длинна ступицы ведомого шкива с учетом длинны шпонки в сопряжении «вал – шкив» (п.3.4) и ширины шкива
,
Конструкция ступиц ведущего и ведомого шкивов – симметрична относительно торцов обода [1, табл.12.7].
3 РАСЧЕТ РЕДУКТОРА
3.1 Расчет быстроходной ступени
3.1.1 Выбор материала и расчет допускаемых напряжений
Так как в техническом задании нет ограничений по габаритам, то выбираем материал с твердостью до 350 , [1. табл.10.2]: принимаем для шестерни сталь 45, термическая обработка – улучшение, средняя твердость = 280 ; для колеса - сталь 45, термическая обработка – улучшение, но средняя твердость (с учетом диаметра заготовки) на 80 единиц ниже = 200 . Разность средней твердости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса более 70 приводит к увеличению нагрузочной способности передачи, уменьшению ее габаритов и металлоемкости.
Допускаемые контактные напряжения
,
где – предел контактной выносливости при базовом числе циклов[1. табл.10.3];
– коэффициент долговечности;
– коэффициент безопасности [1. табл.10.3].
Ресурс привода
,
где – срок службы привода;
– продолжительность смены;
– число смен в сутки.
Действительное число циклов нагружения:
для колеса циклов;
для шестерни циклов.
Число циклов нагружения, соответствующее пределу контактной выносливости, циклов, циклов [1,табл.10.3]. Так как и , то коэффициент долговечности .
Допускаемые контактные напряжения для материала
шестерни ;
колеса .
Расчетные допускаемые контактные напряжения (передача косозубая и разность твердости материалов шестерни и колеса более 70 ,) [1,табл.10.3]
.
Требуемое условие выполнено.
Допускаемые напряжения изгиба (нагрузка односторонняя)
,
Предел выносливости при изгибе при базовом числе циклов для стали 45
[1, табл.10.4]:
для шестерни ;
для колеса .
Число циклов нагружения, соответствующее пределу выносливости при изгибе, для всех сталей циклов. Так как и (определены выше) больше , то коэффициент долговечности .
Коэффициент безопасности
где – коэффициент, учитывающий нестабильность свойств материала [1, табл.10.4];
– коэффициент, учитывающий способ получения заготовки зубчатого колеса [1, табл.10.4].
Допускаемые напряжения изгиба
для шестерни ;
для колеса .
3.1.2 Проектировочный расчет передачи
Принимаем коэффициент концентрации нагрузки при несимметричном расположении колес 1,2 [1, табл.10.5]; коэффициент ширины венца по межосевому расстоянию с учетом твердости материала 0,315 [1, табл.10.1].
Межосевое расстояние из условия прочности по контактным напряжениям
,
где 1/3 – для косозубых колес.
Стандартное межосевое расстояние [1, табл.10.1].
Нормальный модуль зацепления с учетом твердости колес [1, табл.10.1].
,
принимаем [1,табл.10.1].
Угол наклона зубьев должен находиться от до [1, табл.10.1]. Предварительно принимаем угол наклона зубьев .
Число зубьев шестерни
принимаем .
Число зубьев колеса
Фактическое значение . Отклонения фактического передаточного отношения от расчетного нет (допускается ).
Угол наклона зубьев
Основные размеры шестерни и колеса
диаметры делительные
;
;
проверка ;
диаметры вершин зубьев
;
;
диаметры впадин зубьев
;
;
ширина зубчатого венца колеса и шестерни
;
.
3.1.3 Проверочный расчет зубьев колес по контактным напряжениям
Коэффициент ширины шестерни по диаметру
Окружная скорость колес
.
При данной скорости принимаем 8-ю степень точности [1, табл.10.7].
Коэффициент нагрузки
где – коэффициент концентрации нагрузки [1, табл.10.9];
– коэффициент распределения нагрузки между зубьями [1.табл.10.11];
– коэффициент динамической нагрузки [1, табл.10.10].
Прочность зубьев по контактным напряжениям
Недогрузка
Допускается недогрузка не более 15 %, а перегрузка не более 5 %.
3.1.4 Силы в зацеплении
Силы, действующие в зацеплении:
окружная ;
радиальная ;
осевая .
3.1.5 Проверочный расчет зубьев колес по напряжениям изгиба
Коэффициент нагрузки
где – коэффициент концентрации нагрузки [1, табл.10.9];
– коэффициент распределения нагрузки между зубьями [1,табл.10.9];
– коэффициент динамической нагрузки [1, табл.10.10].
Эквивалентное число зубьев:
у шестерни
у колеса
Коэффициенты формы зуба ; [1, табл.10.8].
Коэффициент наклона зуба
Прочность зуба шестерни и колеса на изгиб
Условие прочности выполнено.
3.2 Расчет тихоходной ступени
3.2.1 Выбор материала и расчет допускаемых напряжений
Материал для зубчатых колес тихоходной ступени примем такой же, как и для быстроходной ступени: для шестерни сталь 45 [1. табл.10.2],, термическая обработка - улучшение, средняя твердость = 280 ; для колеса – сталь 45, термическая обработка – улучшение, но средняя твердость (с учетом диаметра заготовки) на 80 единиц ниже = 200 .
Допускаемые напряжения материала зубчатых колес тихоходной ступени будут иметь другое значение, в отличие от быстроходной ступени, только в том случае, если отличаются коэффициенты долговечности.
Действительное число циклов нагружения:
для колеса циклов;
для шестерни циклов.
Число циклов нагружения, соответствующее пределу контактной выносливости, циклов, циклов [1,табл.10.3]. Так как и , то коэффициент долговечности .
Так как материалы колес и коэффициенты долговечности для быстроходной и тихоходной ступеней одинаковы, то и допускаемые напряжения материалов колес равны (см.п.3.1.1).
Расчетные допускаемые контактные напряжения .
Допускаемые напряжения изгиба
для шестерни ,
для колеса .
3.2.2 Проектировочный расчет передачи
Принимаем коэффициент концентрации нагрузки при несимметричном расположении колес 1,2 [1, табл.10.5]; коэффициент ширины венца по межосевому расстоянию с учетом твердости материала 0,35 [1, табл.10.1].
Межосевое расстояние из условия прочности по контактным напряжениям
,
где 1/3 – для косозубых колес.
Стандартное межосевое расстояние [1, табл.10.1].
Нормальный модуль зацепления с учетом твердости колес [1, табл.10.1].
принимаем [1,табл.10.1].
Угол наклона зубьев должен находиться от до [1, табл.10.1]. Предварительно принимаем угол наклона зубьев .
Число зубьев шестерни
принимаем .
Число зубьев колеса
Фактическое значение . Отклонения фактического передаточного отношения от расчетного нет (допускается ).
Угол наклона зубьев
Основные размеры шестерни и колеса
диаметры делительные
;
;
проверка ;
диаметры вершин зубьев
;
;
диаметры впадин зубьев
;
;
ширина зубчатого венца колеса и шестерни
;
.
3.2.3 Проверочный расчет зубьев колес по контактным напряжениям
Коэффициент ширины шестерни по диаметру
Окружная скорость колес
.
При данной скорости принимаем 8-ю степень точности [1, табл.10.7].
Коэффициент нагрузки
где – коэффициент концентрации нагрузки [1, табл.10.9];
– коэффициент распределения нагрузки между зубьями [1.табл.10.11];
– коэффициент динамической нагрузки [1, табл.10.10].
Прочность зубьев по контактным напряжениям
Недогрузка .
Допускается недогрузка не более 15 %, а перегрузка не более 5 %.
3.2.4 Силы в зацеплении
Силы, действующие в зацеплении:
окружная ;
радиальная ;
осевая .
3.2.5 Проверочный расчет зубьев колес по напряжениям изгиба
Коэффициент нагрузки
где – коэффициент концентрации нагрузки [1, табл.10.9];
– коэффициент распределения нагрузки между [1,табл.10.9];
– коэффициент динамической нагрузки [1, табл.10.10].
Эквивалентное число зубьев:
у шестерни
у колеса
Коэффициенты формы зуба ; [1, табл.10.8].
Коэффициент наклона зуба
Прочность зуба шестерни и колеса на изгиб
Условие прочности выполнено.
3.3 Проектировочный расчет валов редуктора
Материал валов принимаем сталь 45, термическая обработка – улучшение.
Проектировочный расчет валов выполняем по касательным напряжениям от кручения, то есть не учитываем напряжения от изгиба, влияния концентраторов напряжений и циклический характер действия напряжений. Поэтому для компенсации приближенности проектировочного расчета допускаемые напряжения принимаем заниженными:
3.3.1 Быстроходный вал
Диаметр выходного конца вала
.
Принимаем из стандартного ряда [1, табл.14.1] .
С учетом типоразмеров подшипников качения и необходимости на валу буртика определенной высоты [1, табл.14.1] для упора ступицы полумуфты при сборке редуктора, принимаем диаметр вала под подшипниками .
Предполагаемый диаметр вала под шестерней . Условие совместного изготовления вала заодно с шестерней [1, табл.10.12].
Расстояние от впадин зубьев до шпоночного паза
,
где – глубина шпоночного паза во втулке [1, табл.7.1];
– диаметр впадин зубьев шестерни (см. п.3.1.2).
Окружной модуль зубьев колес зубчатой передачи
,
где ; – см.п.3.1.2.
, изготовляем вал – шестерню (материал сталь 45).
Диаметры остальных участков вала назначаем исходя из конструктивных соображений при компоновке редуктора.
3.3.2 Промежуточный вал
Диаметр выходного конца вала
.
Принимаем из стандартного ряда [1, табл.14.1] .
С учетом типоразмеров подшипников качения .
Условие совместного изготовления вала заодно с шестерней [1,табл.10.12].
Расстояние от впадин зубьев до шпоночного паза
,
где – глубина шпоночного паза во втулке [1, табл.7.1];
– диаметр впадин зубьев шестерни (см. п.3.2.2).
Окружной модуль зубьев колес зубчатой передачи
,
где ; - см.п.3.2.2.
, шестерню изготавливаем отдельно от вала.
Диаметры остальных участков вала назначаем исходя из конструктивных соображений при компоновке редуктора.
3.3.3 Тихоходный вал
Диаметр выходного конца вала
.
С учетом типоразмеров муфты в сопряжении «вал-полумуфта» [1,табл.16.1], принимаем из стандартного ряда[1,табл.14.1] .
С учетом типоразмеров подшипников качения и необходимости на валу буртика определенной высоты [1, табл.14.1] для упора ступицы муфты при сборке редуктора, принимаем диаметр вала под подшипниками .
Диаметр вала под колесом .
Диаметры остальных участков вала назначаем исходя из конструктивных соображений при компоновке редуктора.
3.4 Проектировочный расчет шпоночных соединений
Размеры сечений шпонок и пазов и длины шпонок принимаем по ГОСТ 23360–78 [1, табл.7.1].
Материал шпонок – сталь 45, термическая обработка – нормализация.
Рабочая длина шпонки из условия прочности
,
где – вращающий момент на валу;
– диаметр цапфы вала в месте шпоночного соединения;
– геометрические размеры шпоночного соединения согласно стандарту.
Допускаемые напряжения смятия неподвижных шпоночных соединений при циклическом нагружении и стальной ступице , а при чугунной ступице [1, табл.7.6].
Быстроходный вал. Шпонка на выходном конце вала, сопряжение “вал – – ведомый шкив”. ; ; [1, табл.7.1];длина ступицы полумуфты, материал полумуфты – чугун марки СЧ20.
Рабочая длина шпонки
.
Минимальная расчетная длина шпонки (исполнение 3)
.
С учетом ширины ведомого шкива(см.п.2) и стандартного ряда длин шпонок принимаем шпонку длиной (Шпонка3- ГОСТ 23360-78).
Промежуточный вал. Шпонка под шестерней и колесом, сопряжение “вал - ступица зубчатого колеса” ; ; [1, табл.7.1]; материал ступицы колеса – сталь 45.
Рабочая длина шпонки
.
Минимальная расчетная длина шпонки (исполнение 1)
.
С учетом стандартного ряда длин шпонок принимаем шпонку длиной (Шпонка ГОСТ 23360-78).
Тихоходный вал. Шпонка под колесом, сопряжение “вал - ступица зубчатого колеса”. ; ; [1, табл.7.1]; материал ступицы колеса – сталь 45.
Рабочая длина шпонки
.
Минимальная расчетная длина шпонки (исполнение 3)
.
С учетом стандартного ряда длин шпонок принимаем шпонку длинной (Шпонка ГОСТ 23360-78).
Шконка на выходном конце вала, сопряжение “вал – ступица полумуфты”. ; ; [1, табл.7.1]; материал ступицы полумуфты – чугун марки СЧ20 [1, табл.16.1].
Рабочая длина шпонки
.
Минимальная расчетная длина шпонки (исполнение 3)
.
С учетом стандартного ряда длин шпонок и с учетом стандартной длины полумуфты [1, табл.16.1] принимаем шпонку длинной (Шпонка3 - ГОСТ 23360-78).
3.5 Конструктивные размеры зубчатых колес
Шестерня, размеры которой определены выше, выполнена заодно с валом.
Геометрические параметры зубчатого колеса [1, табл.10.12]:
диаметр ступицы ;
длина ступицы с учетом ширины зубчатого венца (см. п.3.1.2) и длины шпонки в сопряжении “вал - ступица зубчатого колеса” (см. п.3.4)
;
толщина обода ;
принимаем ;
толщина диска ;
диаметр центровой окружности
;
диаметр отверстий
.
Геометрические параметры шестерни тихоходной ступени: учитывая длину шпонки в сопряжении «вал – шестерня» (см.п.3.4) и незначительные радиальные размеры шестерни (см.п.3.2.2) выполняем ее плоской (дискового типа) с осевой шириной .
Геометрические параметры колеса быстроходной ступени:
диаметр ступицы ;
длина ступицы с учетом ширины зубчатого венца (см.п.3.2.2) и длины шпонки в сопряжении «вал – ступица зубчатого колеса» (см.п.3.4) ;
толщина обода ,
принимаем ;
толщина диска ;
диаметр центровой окружности
;
диаметр отверстий
.
3.6 Конструктивные размеры корпуса редуктора
Толщина стенок корпуса и крышки [1, табл.17.1]:
;
;
принимаем .
Толщина фланцев поясов корпуса и крышки [1, табл.17.1]:
верхнего пояса корпуса и крышки
;
;
нижнего пояса корпуса без бобышек
.
Диаметры болтов [1,табл.17.1]:
фундаментных
,
принимаем болты с рез