Содержание 

Введение………………………………………………………………………...…3

I. Анализ и обоснование материала для изготовления детали «коническое колесо»……………………………………………………………………………..4

I.1. Описание и назначение детали…………………………………………...4

I.2. Виды конических колес…………………………………………………...5

I.3. Материалы, используемые для изготовления детали…………………...6

I.4. Выбор и обоснование материала…………………………………………7

II. Расчеты на прочность …………………………………………………………9

Заключение……………………………………………………………………….12

Список  используемой литературы……………………………………………...13

Приложения………………………………………………………………………14

Введение 

     Тема  данной курсовой работы - «Анализ и  обоснование выбора материала для  изготовления детали коническое колесо». 

     Целью курсовой работы является выбор и анализ материалов, наиболее подходящих по технологическим свойствам для изготовления конического колеса. 

     Объектом курсовой работы является коническое прямозубое колесо.

     Указанный тип детали входит в состав зубчатых передач. Ее используют при необходимости передавать вращение между валами, оси которых пересекаются.

     Зубчатые  передачи входят в конструкцию большинства  станков, транспортных машин, энергетических установок, приборов и многих других изделий и в значительной степени  определяют массу, габаритные размеры, качество и надежность работы этих изделий.  

     Задачи:

1.  Изучить назначение и область применения детали;

2.  Определить  материалы, из которых изготавливают  деталь;

3.  Обозначить  их технологические свойства;

4.  Провести  расчеты на прочность;

5.  Сравнить  с пределами прочности исследуемых материалов;

6.  Сделать  вывод.

I. Анализ и обоснование материала для изготовления детали «коническое колесо».

     I.1. Описание и назначение детали 

     Во  многих машинах осуществление требуемых  движений механизма связано с  необходимостью передать вращение с одного вала на другой при условии, что оси этих валов пересекаются. В таких случаях применяют коническую зубчатую передачу, состоящую из ведущего (шестерня) и ведомого колес.

     «Коническое зубчатое колесо - основная деталь конической зубчатой передачи в виде диска с зубьями на конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого конического зубчатого колеса.»¹.

     «Конические передачи сложнее цилиндрических, требуют периодической регулировки. Для нарезания зубчатых конических колес необходим специальный инструмент. В сравнении с цилиндрическими конические передачи имеют большую массу и габарит, сложнее в монтаже. Кроме того, одно из конических колёс, как правило шестерня, располагается консольно. При этом, вследствие повышенной деформации консольного вала, увеличиваются неравномерность распределения нагрузки по ширине зубчатого венца и шум.

      I.2. Виды конических колес 

     Различают виды конических колёс, отличающихся по форме линий зубьев: с прямыми, тангенциальными, круговыми и криволинейными зубьями. Конические колёса с прямым зубом (рис. 1, а) следует применять при невысоких окружных скоростях (до 2…3 м/с) как наиболее простые в монтаже (допустимо до 8 м/с). При более высоких скоростях целесообразно применять колеса с круговыми зубьями (рис. 1, б), как обеспечивающие более плавное зацепление, меньший шум,  большую несущую способность и более технологичные.

     Оси конических колес зубчатой передачи составляют прямой угол, и их зубья  обычно нарезаются по радиусам. Если зубья  конических колес прямые, но идут не по радиусам, то они называются тангенциальными. Конические зубчатые передачи, оси колес которых не пересекаются, называются гипоидными. Их часто применяют в задних мостах автомобилей для понижения центра тяжести. В дифференциалах автомобилей применяются ортогональные зубчатые передачи с зубчатыми колесами одного диаметра. Спиральнозубые колеса подобны цилиндрическим, но их зубья нарезаются таким образом, что они передают вращение между взаимно перпендикулярными валами.

                       Рис. 1: а) - прямозубая коническая передача с передаточным отношением 1;

                                   б) – коническая передача с круговым зубом. 
I.3. Материалы, используемые для изготовления детали 

     Основными критериями работоспособности конических передач являются изгибная и контактная прочность зубьев. Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Наибольшую твердость, а следовательно, и наименьшие габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке.

     В зависимости от твердости, стальные зубчатые колеса разделяют на две основные группы: твердостью НВ < 350 – зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные (стали 30 – 50); твердостью НВ > 350 – с объемной закалкой, закалкой твч, цементацией (30ХГТ), азотированием и др.

     Твердость материала НВ < 350 позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получить высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифование, притирка). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки рекомендуется назначать твердость зубьев шестерни на 10-15 единиц больше твердости зубьев колеса.

     Зубчатые  передачи из сталей, улучшаемых термообработкой  до нарезания зубьев, изготовляют  при отсутствии жёстких требований к их габаритам, чаще всего в условиях мелкосерийного и индивидуального производства. При особых требованиях к бесшумности и малых нагрузках одно из зубчатых колёс делают из пластмассы (текстолита, капролона, древеснослоистых пластиков, полиформальдегида), а сопряжённое — из стали. Зубчатые передачи рассчитывают на прочность по напряжениям изгиба в опасном сечении у основания зубьев и по контактным напряжениям в полюсе зацепления.  

      I.4. Выбор и обоснование материала 

      Одной из самых стойких качественных конструкционных углеродистых сталей считается сталь 45, так как она обеспечивает нормализование, улучшение и подвергаемость поверхностной термической обработке изделия. В производстве шестерен, бандажей, вал, шестеренок, коленчатых валов, распределительных валов, шпинделей, фрикционных дисков, зубчатых реек, прокатных валков, и многих других не ответственных деталей сталь 45 считается лучшим исходным материалом. Широко применяется сталь 45 в производстве режущих инструментов.

     Известно, что при маркировке сталей в названии используются цифры 10. 20, 30, что обозначают процент углерода в составе стали, например сталь 45, что означает, что в стали 45 содержится 0.45% углерода.

      Повышенная  прочность стали 45 достигается с  помощью различных приемов термической обработки. Например, к стали 45 применяют двойную термообработку с высоко температурным отпуском, в результате чего обеспечивается ее стойкость к водородному растеканию.

      Если  сталь 45 обрабатывают термическим методом  один цикл, она обретает зернистую структуру, а при многоразовой (в основном два раза) обработке, так называемой закалке с высоким отпуском сталь 45 имеет равновесную структуру из зерен, величина которых не превышает 10 мкм.

      Еще одним методом повышения прочности  стали 45, считается азотирование поверхностного слоя, то есть легирование стали 45 азотом. Наиболее распространенным способом легирования  стали 45 считается азотирование ионами газового разряда. Преимущество ионного  азотирования стали 45 в металлургии состоит, в том что, полное протекание процесса азотирования, представляющее собой крайне трудоемкую технологию, при использовании данного метода достигается оптимальное соотношение времени и затраченных средств. Кроме того, в металлургии известны и комбинированные методы, для достижения необходимых технологических свойств и требуемого качества изделий из стали 45.  

      Следует отметить, что в металлургии отличают сталь горячекатанную и кованную (круг, квадрат сталь 45) в зависимости от вида проката.

      Применение  стали 45 в основном характерно для  изготовления таких видов металлопроката как полоса, квадрат, круг, шестигранник. Сталь 45 не применяется при изготовлении изделий, для которых крайне важны  такие показатели стали, как прокатываемость и свариваемость, так как сталь 45 ими не обладает.

      Крайней точкой сохранения прочности стали 45 является температура 200 градусов, при  нагревании изделия из стали 45 выше этого показателя оно теряет прочность. Поэтому чаще она применяется  для производства неответственного режущего инструмента. Но вопреки всем показателям сталь 45 широко употребляется в машиностроении и считается одной из наиболее используемых. 

      Сталь 30ХГТ используется для изготовления улучшаемых и цементируемых деталей , от которых требуется высокая прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающая при больших скоростях и повышенных удельных давлениях под действием ударных нагрузок.

       II. Расчеты на прочность 

      Прочностной расчет конической передачи основан на допущении, что несущая способность зубьев конического колеса такая же, как у эквивалентного цилиндрического. Эквивалентным колесом называется такое цилиндрическое колесо, у которого делительный диаметр и модуль равны делительному диаметру и модулю в среднем нормальном сечении реального конического колеса рис. 2.

Рис. 2

1. Внешний окружной модуль

m = 5 мм.

2. Число зубьев колеса и шестерни

Z1 = 20 - ведущее

Z2 = 50 - ведомое

3. Диаметрs шестерни и колеса

делительный            d1 = Z1 * m  = 100 мм

                                  d2 = Z2 * m  = 250 мм

вершин зубьев         dв1 = d1 + 2 * m* cos δ1 = 109,28 мм;

                                  dв2 = d2 + 2 * m* cos δ2 = 253,71 мм;

впадин зубьев          dв1 = d1 - 2 * m* cos δ1 = 90,72 мм;

                                  dв2 = d2 - 2 * m* cos δ2 = 246,3 мм;

средний делительный  диаметр dср1 = d1 * 0,85 = 85,7 мм;

                                                     dср2 = d2 * 0,85 = 214,25 мм.

4. Фактическое передаточное число

u = Z2 / Z1 = 50 / 20 = 2,5

5. Определяем углы делительных конусов шестерни и колеса

δ2  = arctg u = arctg 2,5 ≈ 68°

δ1  = 90° - 68° ≈ 21°

6. Крутящий  момент

Т3 = 490,5 Н*м

7. Внешнее конусное расстояние

Re = d2 / 2 * sin δ2 = 250 / 2 * 0,93 = 134,4 мм

8. Ширина зубчатого венца

b = kR * Re

где  kR = 0,285 – коэффициент ширины венца

b = 0,285 * 134,4 = 38 мм

9. Силы, действующие в зацеплении конической прямозубой передачи:

окружная 

радиальная  = 612 Н,

осевая  = 1530 Н.

10. Для  расчета на контактную прочность  воспользуемся формулой:

σН  = Z * ((3,85 * 10³ * KH * T3) / (0,85 * (1 – kR) * kR * d³ср1 * u))½,

где  Z = ZE * ZH * Zε ,

ZE  = 190 МПа½,

ZH  = 2,5,

Zε  = 0,9,

Где  КН  = 1 (коэффициент нагрузки ),

σН = 190*2,5*0,9*((3,85*10³*1*490,5)/(0,85*(1–0,285)*0,285*2,5*85,7³)) = =734,3 МПа. 

     Сталь 30ХГТ:

δB = 1100 МПа

δr = 800 МПа

δ-1 = 550 МПа

     Сталь 45:

δB = 750 МПа

δr = 450МПа

δ-1 = 345МПа 

      Выбираем  материал для конического колеса. Это сталь 45 улучшенная (ТВЧ56), со следующими механическими характеристиками:

допускаемое напряжение на кручение

      Заключение

     Целью данного курсового проекта является выбор и обоснование материала для изготовления детали коническое колесо. После выполнения расчетов,можно сделать вывод, что из всех рассмотренных материалов самым технологичным для конического колеса является сталь 45 и стали с такими же механическими свойствами. Ее предел прочности наиболее близок к расчетной прочности конического колеса. В расчетах на прочность видно,что сталь 30ХГТ  не подходит так как предел ее прочности намного превышает требуемый предел прочности конического колеса.

     В ходе проведенного анализа цель курсовой работы, все задачи, поставленные в ней, были выполнены, поэтому ее можно считать полностью завершенной. 
 

Список  используемой литературы 

1. Кудрявцев В. Н., Зубчатые передачи, М. — Л., 1957;

2. Решетов Д. Н., Детали машин: учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов.- 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989;

3. Часовников Л. Д., Передачи зацеплением, М., 1969;

4. Детали машин. Справочник, под ред. Н. С. Ачеркана, т. 3, М., 1969.

5. Сильман   Г.И., Материаловедение: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2008.

6. Волков  Г.М., Зуев В.М., Материаловедение: учебное  пособие для студентов высших  учебных заведений. – М.: Издательский  центр «Академия», 2008.

7. Новая иллюстрированная энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003г.

8. Автомобили. Конструкция, конструирование и расчет. Трансмиссия /

Под общ. ред. А.И. Гришкевича. - Мн.: Высшая школа, 1985.

9. Клебанов А.Н. Зубчатые колеса в машиностроении. Изд. 2-е. перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд., 1978

 Приложения

Сталь 45

сталь 30ХГТ

Механические  свойства в зависимости от сечения