Материал: эскиз 2

После выполнения кинематических расчетов, расчетов передач, необходимо выбрать наилучшие параметры схемы будущего привода и разработать конструкторскую документацию. Конструкторская документация, по заданиям на выполнение Ваших проектов, включает в себя сборочный чертеж и 4-6 рабочих чертежей деталей.

Выполнение кинематических расчетов привода мы с вами достаточно подробно разобрали в классе, но если остались вопросы, то ответы на них вы можете найти в пособии П.Ф. Дунаева (высылал ранее) в главе 1. В этом пособии достаточно подробно описаны схемы приводов, теоретическая часть расчета, а также есть подробные примеры расчета и ссылки на необходимые справочные данные. Аналогичные примеры разобраны в пособии «Конструирование механических передач», которым мы пользовались в классе и которое я также отправлял старосте вашей группы.

Выполнение расчетов передач мы с вами также подробно разбирали в классе, ваш лектор выдал вам теоретическую часть этих расчетов. Если опять же остались вопросы, то ответы на них можно найти в учебнике П.Ф. Дунаева в главе 2. По аналогии с главой 1, также даны большие теоретические расчеты по каждому виду передач в отдельности. Дополнительно в пособии «Механические передачи», которыми мы пользовались в классе (также отправил старосте), есть достаточно подробные методические инструкции к проектировочному и проверочным расчетам передач. В обоих пособиях имеется большая справочная часть с необходимыми материалами и коэффициентами необходимыми для выполнения этих расчетов.

После выполнения проектировочных расчетов переходят к разработке технического проекта. Первым этапом проекта является – ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ. («Конструирование механических передач» глава 3). Эскизный проект выполняется на миллиметровой бумаге или с использованием CAD пакета в масштабе 1:1!

Эскизный проект необходим для того, чтобы определиться с окончательной формой будущих колес передачи, определения типа и положения подшипников, определения длин участков валов, формы корпуса и т.д.

Этапы выполнения эскизного проекта или последовательность вычерчивания подробно разобрана на примере двухступенчатого цилиндрического редуктора в пособии «конструирование механических передач» на стр.25 рис.3.3.

Порядок вычерчивания элементов передач может немного варьироваться в зависимости от расположения элементов передач, типа передачи, но в целом порядок работы практически не изменяется.

Ранее я вам высылал пример выполнения эскизного проекта одноступенчатого цилиндрического редуктора с горизонтальным расположением валов. Это самая простая и распространенная схема редуктора.

Сегодня для вас я выполнил кинематический и проектировочный расчет одноступенчатого цилиндрического редуктора с вертикальным, консольным расположением валов. Исходные данные и схему взял из ваших заданий.

Порядок вычерчивания опять же не отличается от приведенного в вышеуказанном пособии. В результате спроектировал редуктор (рисунок 1-3).

Особенности выполнения проекта по такой схеме заключаются в способе фиксации деталей на валах.

Узел быстроходного вала-шестерни выполнен в виде автономно устанавливаемого узла, собранного в своем «мини» - корпусе, который называется – СТАКАН. Использование стакана в данном проекте позволяет легко и быстро монтировать и демонтировать узел быстроходного вала с целью обслуживания подшипников этого узла, а также для инспектирования состояния зубчатого зацепления. Также подобная схема установки вала в опорах, так же, как и использование консольно расположенных колес, целесообразнее выполнять с закреплением подшипников в отдельных корпусах – стаканах.

Тихоходный узел выполнен аналогично, по тем же соображениям.

Рисунок 1 – Главный вид (фронтальный разрез по осям валов)

Рисунок 2 – Вид сверху.

Рисунок 3 – Вид снизу (на монтажный (фундаментный) фланец).

Каплевидная форма корпуса выбрана из соображения экономичности и минимизации массы всей конструкции в целом. Базирование крышки корпуса относительно самого корпуса осуществляется двумя коническими штифтами.

Базирование крышки относительно корпуса необходимо для выполнения требования точности межосевого расстояния зубчатой передачи. Ввиду того, что шестерня установлена в крышке, а колесо в корпусе, то и их взаимное положение будет определяться относительным положением крышки корпуса относительно самого корпуса редуктора. Поэтому после расточки отверстий в литых заготовках крышки корпуса и самого корпуса эти детали обрабатываются по плоскости стыка, собираются, стягиваются друг с другом, контролируется расстояние между осями отверстий и только после этого изготавливаются отверстия для штифтов. Штифты в этом случае не позволят изменить положения крышки относительно корпуса при сборке редуктора и в процессе его технического обслуживания или ремонта.

Рассмотрим конструкцию быстроходного узла редуктора более подробно (рисунок 4).

Быстроходный вал 1 выполнен по схеме вал шестерня, т.к. шестерня имеет малый размер по отношению к соседнему участку вала и выполнять ее отдельной деталью нецелесообразно, как технологически, так и экономически. Вал установлен на радиально упорных подшипниках 3 и 6, т.к. передача косозубая (т.е. создает осевую нагрузку на подшипники в процессе работы), и сам вал расположен вертикально, что в свою очередь под действием силы тяжести также создает осевые нагрузки в опорах. Также вал установлен в опорах по схеме «в растяжку», т.к. при использовании выбранных подшипников в такой схеме легче регулировать усилие затяжки и осевой зазор в подшипниках. Расстояние между центрами подшипников в данной схеме принимается равным (2,5 – 3) d_п и окончательно принимается по ряду нормальных чисел ГОСТ 6636-69. Также между опорами установлена дистанционная распорная втулка 5, для передачи усилия затяжки подшипников и обеспечения постоянства расстояния между ними. Постоянство положения вала обеспечено конструкцией стакана 4 (распорный буртик между наружными кольцами подшипников) и использованием крышки подшипников 10 с упором во внешнее кольцо подшипника 6. Регулирование положения деталей на валу и самого вала осуществляется использованием регулирующих прокладок, которые вкладываются между фланцем стакана и корпуса, либо между фланцами крышки и стакана, либо в обоих случаях одновременно.

Подшипники фиксируются на валу с помощью стандартной круглой гайки 8 (ГОСТ 11871-88).

Рисунок 4 – Узел быстроходного вала.

Фиксация гайки от «раскручивания» обеспечивается использованием стандартной стопорной многолапчатой шайбы 7 (ГОСТ 11872-89).

Смазывание подшипников выполнено отдельной консистентной смазкой. Для удержания смазки внутри блока подшипников в нижней части узла установлена уплотнительная стальная шайба 2 (Табл. 24.25 учебник Дунаева стр. 429). Также эта шайба служит защитным экраном нижнего подшипника от продуктов износа переносимых вместе со смазкой из зоны зацепления передачи.

С другой стороны, в крышке подшипника имеется отверстие для выхода вала за пределы внутреннего объема корпуса, служащего для закрепления приводных (ведущих) деталей. Между выходным участком вала и стенкой отверстия в крышке корпуса должен быть обеспечен зазор необходимый для исключения контакта подвижной детали (вал) и неподвижной детали (крышка корпуса). В образовавшийся зазор внутрь корпуса, а точнее внутрь подшипниковой камеры может попадать пыль, которая перемешиваясь со смазкой подшипников будет работать как абразив и может привести к перегреву и повышенному износу опор. Следовательно, этот зазор необходимо герметизировать. С этой целью в качестве герметизации я выбрал стандартное манжетное уплотнение 9 (ГОСТ 8752-79), которое встроил в крышку подшипника. Такие типы уплотнений целесообразно использовать на валах с частотами вращения до 1500 об/мин.

Детали на рисунке 4 расположены в порядке сборки узла.

Вначале на вал 1 устанавливается уплотнительная шайба 2 и подшипник 3 скосом в сторону шестерни. После устанавливается стакан 4, распорная втулка 5 и второй подшипник 6 скосом от шестерни. Затем устанавливается шайба 7 внутренней лапкой в паз на валу и затягивается гайкой 8. Одна из внешних лапок шайбы 7 загибается в шлиц гайки 8 после ее затяжки. Следовательно, при попытке гайки самопроизвольно выкрутиться она стенкой шлица упрется в лапку шайбы, а шайба в свою очередь зацепится внутренней лапкой за стенку паза на валу. После в крышку подшипника 10 устанавливается манжетное уплотнение 9, и крышка с уплотнением устанавливается в стакан. В итоге узел быстроходного вала устанавливается в корпус и фиксируется на нем с помощью винтов.

Конструкции всех вышеуказанных элементов, а также условия их использования вы можете найти в соответствующих разделах учебника Дунаева или в других пособиях по курсу Детали машин и основы конструирования.

Аналогичным образом был сконструирован узел тихоходного вала рисунок 5. Единственное отличие этого узла от предыдущего в том, что колесо выполнено съемным. Осевая фиксация колеса осуществляется с помощью круглой шлицевой гайки 1 и многолапчатой стопорной шайбы 2.

Порядок сборки узла аналогичен предыдущему узлу, но вначале на вал устанавливается и фиксируется колесо 3. После устанавливается уплотнительная шайба 5, подшипник 6 скосом к колесу и дистанционная втулка 8. Затем в стакан 7 устанавливается подшипник 9 скосом от колеса и стакан с подшипником устанавливается в корпус. После чего в стакан устанавливается вал и фиксируется с помощью гайки 11 и стопорной шайбы 9. Дальше в крышку подшипника 13 устанавливается манжетное уплотнение 12 и крышка фиксируется в корпусе с помощью винтов через стакан. Из-за небольшого переходного размера выходного конца вала, было установлено упорное кольцо 12 (ГОСТ 13942-86) в качестве упорного буртика.

Регулирование положения колеса и осевого зазора в подшипниках осуществляется аналогично узлу быстроходного вала.

Приведенный пример соответствует практически полностью выполненному сборочному чертежу редуктора. Но перед тем как настолько подробно выполнять чертеж необходимо убедиться в правильности выбора некоторых элементов конструкции.

В частности, выполнить проверочный расчет подшипников и определить коэффициент запаса прочности тихоходного вала (как самого нагруженного вала в этой конструкции).

Рисунок 5 – Узел тихоходного вала.

Предварительно, на этапе эскизного проектирования вами были выбраны тип и схема установки подшипников. Как вы помните подшипники качения, как стандартные узлы, при одинаковых посадочных размерах имеют различные серии диаметров, а, следовательно, и различные грузоподъемности. Таким образом подшипники с одинаковым размером отверстия внутреннего кольца, но различных серий при одинаковом нагружении будут иметь различные сроки службы. А срок службы деталей привода или деталей узла привода должен быть примерно одинаковый. Поэтому срок службы, указанный у вас в заданиях, является тем минимумом, который должны отрабатывать все детали проектируемых вами устройств.

Расчет подшипников качения достаточно подробно описан в учебнике Дунаева в главе 7 (параграфы 7.1 и 7.2) там же приведено несколько примеров расчета. На что стоит обратить внимание. Перед тем как посчитать нагрузку, которую будет испытывать опора, необходимо составить расчетную схему соответствующего вала рисунок 6. Нагрузка в опорах создается внешними силами, приложенными к рассчитываемому узлу. В нашем случае это силы, создаваемые непосредственно зубчатым зацеплением (F_t, F_r, F_a), и сила на выходном участке вала. Сила на выходном участке создается тем элементом конструкции, который в последствии на нем будет установлен. В нашем случае мы пока не знаем, что это за элемент, какие он будет иметь размеры, а, следовательно, какие усилия он будет создавать, поэтому на этом этапе ограничимся ожидаемым консольным усилием F_k рассчитываемым по принципу многоцелевого редуктора.

Для расчета долговечности работы подшипников необходимо рассчитать суммарные радиальные – F_R и осевые реакции - F_A в опорах.

Суммарные радиальные реакции рассчитываются как векторная сумма радиальных реакций, действующих в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На расчетной схеме в месте установки подшипников указаны четыре радиальные усилия X₁, X₂, Y₁, Y₂ – они же радиальные реакции в опорах.

Рисунок 6 – Узел тихоходной ступени редуктора и расчетная схема узла.

Суммарные радиальные реакции в опорах рассчитываются как F_R1,2=, индексы 1 и 2 для первой и второй опоры соответственно. Расстояние между точками приложения усилий (L₁, L₂, L₃) измеряются с ВЫЧЕРЧЕННОГО ЭСКИЗА. Конкретнее, усилия зацепления передаются на вал в месте закрепления колеса и концентрируются в точку где и происходит их передача от детали к детали. В этом примере колесо соединено с валом с помощью шпоночного соединения, поэтому точка приложения сил располагается по середине шпонки, как звена передачи усилий. На концевом участке вала ситуация аналогичная и точка приложения усилий также расположена по середине шпонки.

Точка приложения сил под опорами не всегда находится по середине опоры. В этом примере на рисунке 6 тонкими линиями от подшипника к валу отмечены расположения этих точек. Угол наклона и направления этих линий зависят от типа и схемы установки подшипников (тема также хорошо раскрыта в учебнике Дунаева в главе 7).

Суммарные осевые реакции в опорах рассчитываются как алгебраическая сумма осевых сил, приложенных к этим опорам (в данном примере единственное внешнее осевое усилие от зацепления), и осевых сил, возникающих в самих подшипниках под действием радиальных реакций. Тема также подробно раскрыта в учебнике Дунаева глава 7.

Для определения X₁, X₂, Y₁, Y₂ воспользуемся знаниями, полученными в курсе «Сопротивления материалов», а конкретнее запишем необходимые уравнения равновесия. Для упрощения составления этих уравнений разобьем расчётную схему (рисунок 6) на две плоские схемы (рисунки 7 и 8).

Горизонтальные составляющие X₁, X₂ (рисунок 7) созданы исключительно окружным усилием из зацепления и для их расчёта Вам необходимо составить два уравнения равновесия относительно каждой из опор. А конкретнее составить уравнения сумм изгибающих моментов относительно опоры 1 и опоры 2. Сумма моментов относительно каждой опоры должна быть равна 0.

Рисунок 7 – Горизонтальная проекция расчетной схемы (XOZ).

Для определения вертикальных составляющих Y₁, Y₂, созданных радиальной и осевой силой из зацепления и консольной нагрузкой на концевом участке вала, также необходимо составить два уравнения равновесия, а точнее уравнения сумм изгибающих моментов, которые также должны быть равны 0.

После определения горизонтальных и вертикальных составляющих радиальных реакций в опорах, необходимо посчитать суммарные радиальные реакции и выбрать наиболее нагруженную опору. Т.к. в нашем примере использованы одинаковые подшипники (на расчетном валу), то делается простой вывод: ЕСЛИ НАИБОЛЕЕ НАГРУЖЕННАЯ ОПОРА ОТРАБАТЫВАЕТ УСТАНОВЛЕННЫЙ СРОК СЛУЖБЫ, ТО МЕНЕЕ НАГРУЖЕННАЯ ОПОРА ТОЧНО ЕГО ОТРАБАТЫВАЕТ.

Рисунок 8 – Вертикальная проекция расчетной схемы (YOZ)

Наиболее нагруженная опора определяется по наибольшему значению суммарной радиальной реакции. Собственно, ее значение и будет использоваться в дальнейших расчетах.

После определения наиболее нагруженной опоры необходимо определить коэффициенты нагружения опоры – е, Х, Y. Эти коэффициенты определяются по отношению суммарной осевой к суммарной радиальной нагрузкам и используются в расчете ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ в опоре (см. учебник Дунаева). Помимо реакций в опорах, коэффициенты е, Х, Y зависят от типа подшипника.

В итоге по полученной эквивалентной динамической нагрузке определяется искомая долговечность подшипников в миллионах оборотов и пересчитывается в часы. С учетом запаса на отказ подшипника, его расчетная долговечность должна быть больше установленной не меньше чем на 10%, но, с другой стороны, не должна сильно отличаться от установленной. Условно разница между расчетной и требуемой долговечностью должна укладываться в интервал 10%-20%.

Если в результате расчета расчетная долговечность получается много больше требуемой, то, возможно, лучше использовать подшипники скольжения (будет следующее сообщение).