Детали машин. Червячный редуктор

6. РАСЧЁТ ЧЕРВЯЧНОЙ ПЕРЕДАЧИ

 

Исходные данные

- вращающий момент на колесе;

- частота вращения колеса;

u=24.784 – передаточное число;

- время работы передачи.

 

 

6.1. Выбор материала червячных передач. Определение допускаемых напряжений

 

6.1.1. Выбор  материала червяка и колеса

Так как передача большой  мощности >1 кВт, принимаем для червяка сталь 40Х с термообработкой, вариант – улучшение и закалка ТВЧ, HRC 45..50. Витки шлифованы и полированы.

Для выбора материала колеса определяем ориентировочную скорость скольжения:

 (м/с)

Для червячного колеса выбираем материал БРА9ЖЗЛ, способ отливки - центробежный. Механические характеристики:   , табл.2.14 [4].

6.1.2. Допускаемые напряжения

Для выбранного материала колеса допускаемое  контактное напряжение:

, где

для червяка твёрдости >HRC 45     

Общее число циклов перемены напряжений:

, где

с=1 – число зацеплений зуба за один оборот

Эквивалентное число  циклов:

, где

- коэффициент загруженности  для лёгкого режима нагружения, табл. 8.10 [1].

Коэффициент долговечности:

 стр. 32 [4]

Исходное допускаемое  напряжение изгиба:

. стр. 28 [5]

Допускаемое напряжение изгиба:

 стр. 28 [5]

Предельные допускаемые  напряжения:

,

 

6.2. Проектный расчёт

 

6.2.1. Межосевое  расстояние

Межосевое расстояние передачи:

 стр. 28 [5]

Принимаем , стр. 33 [4].

6.2.2. Основные параметры  передачи

Поскольку передаточное число  , то принимаем число витков червяка:

, стр. 33 [4].

Число зубьев колеса:

.

Принимаем

Предварительные значения:

а) модуля передачи

Принимаем стандартное  значение

б) коэффициента диаметра червяка

.

Минимально допустимое значение коэффициента диаметра червяка

Коэффициент смещения инструмента

Угол подъёма линии  витков червяка:

1. на делительном цилиндре

б) на начальном цилиндре

Фактическое передаточное число:

.

Отклонение от заданного передаточного числа:

6.2.3. Размеры  червяка и колеса

Диаметр делительный червяка

Диаметр вершин витков

Диаметр впадин

Длина нарезанной части  червяка:

Поскольку витки шлифуют, то длину  увеличиваем на 3m:

Диаметр делительный  колеса:

Диаметр вершин зубьев:

Диаметр впадин:

Диаметр колеса наибольший:

Ширина венца:

, стр. 29 [5].

 

6.3. Проверочный расчёт

 

6.3.1. Проверочный  расчёт передачи на прочность

Скорость скольжения в зацеплении:

, где

окружная скорость на начальном диаметре червяка :

Уточняем допускаемое  напряжение:

Расчётное напряжение: стр. 35 [4]

для червяка, образованного конусом  ,

коэффициент нагрузки:

, где

 для окружной скорости  червячного колеса:

<3м/c,

коэффициент концентрации нагрузки:

, где

коэффициент деформации червяка  , табл. 2.16 [4]

коэффициент, учитывающий  влияние режима работы передачи на приработку зубьев червячного колеса и витков червяка , табл. 2.17 [4].

6.3.2. КПД передачи

КПД передачи:

, где

приведенный угол трения .

6.3.3. Силы в зацеплении

Окружная сила на колесе, равная осевой силе на червяке:

.

Окружная сила на червяке, равная осевой силе на колесе:

.

Радиальная сила

6.3.4. Проверка  зубьев колеса по напряжениям  изгиба

Расчётное напряжение изгиба:

, где

коэффициент нагрузки К=1 см. пункт 6.3.1.,

коэффициент формы зуба колеса выбираем (стр. 36 [4]) в зависимости от эквивалентного числа зубьев .

6.3.5. Проверочный расчёт на прочность зубьев червячного колеса при действии пиковой нагрузки

В качестве пикового момента принимаем  , где - коэффициент режима работы (табл. 10.26 [6]).

Коэффициент перегрузки:

Проверка на контактную прочность при кратковременном  действии пикового момента:

<

Проверка зубьев червячного колеса на прочность по напряжениям  изгиба при действии пикового момента:

6.3.6. Тепловой расчёт

Мощность на червяке

Температура нагрева  корпуса при установившемся тепловом режиме без искусственного охлаждения:

коэффициент, учитывающий отвод  теплоты от корпуса редуктора  в раму ,

поверхность охлаждения корпуса  (стр. 37 [4]),

коэффициент теплоотдачи для чугунных корпусов .

 

1. ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИВОДА

 

 

Шнековые смесители  служат для перемешивания сыпучих и вязких материалов. Их широко применяют для механизации создания смесей в строительстве, в пищевой, химической, лёгкой промышленности и т. д.

Смесители состоят из следующих  основных частей: приводная станция, от которой тяговый орган получает движение; тяговый орган (шнек); рама или ферма, на которую устанавливается тяговый орган.

В данном курсовом проекте требуется  спроектировать привод к шнеку-смесителю.

Приводная станция включает двигатель, передачу (редуктор), соединительные муфты  и вал шнека.

Редуктором называется механизм, состоящий из зубчатых или червячных передач, выполненный в виде отдельного органа и служащий для передачи вращения от вала двигателя к валу рабочей машины. Назначение редуктора — понижение угловой скорости и повышение вращающего момента ведомого вала по сравнению с ведущим.

Редуктор состоит из корпуса, в котором размещают  элементы передачи — зубчатые колеса, валы, подшипники и т.д. В отдельных  случаях в корпусе размещают  также устройства для смазывания или устройства для охлаждения.

В данной работе редуктор проектируется для привода к  смесителю. В качестве передачи в  редукторе выбрана червячная. Наиболее распространены редукторы с верхним  и нижним расположением червяка. При нижнем расположении червяка  условия смазывания зацепления лучше, при верхнем хуже, но меньше вероятность попадания в зацепление металлических частиц – продуктов износа. Корпус чаще всего выполняют литым чугуном, реже сварным стальным. Валы  монтируются на подшипниках качения или скольжения. Выбор горизонтальной схемы для редукторов всех типов обусловлен общей компоновкой привода.

Спроектированный в  настоящем курсовом  проекте  редуктор соответствует условиям технического задания.

В данной работе проектируется  редуктор червячный с верхним  положением червяка. Он может применяться в приводах конвейеров, транспортеров, элеваторов, других рабочих машин. Практически червячные редукторы применяют для передачи мощности, как правило, до 45 кВт, поскольку их нецелесообразно использовать для передачи больших мощностей из-за низкого КПД.

Конструкция редуктора  отвечает техническим требованиям.

 

2.ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 

 

2.1. Кинематическая схема

2.2. Техническая характеристика привода

Тяговая сила шнека: ;

Скорость перемещения  смеси: ;

Наружный диаметр шнека:

Общее передаточное число  привода:

Угол наклона ременной передачи:

Срок службы привода:

Коэффициенты загрузки:

а) суточный:

б) годовой:

Суммарное время работы передачи:

Электродвигатель 4АМ90LУ3:

а) Мощность: 3 кВт,

б) Частота вращения: n_эл = 2840 мин ^-1;

2.3. Техническая  характеристика редуктора

Передаточное число: u = 25;

Крутящий момент на выходном валу T₂ =470 Hм;

Частота вращения выходного  вала n₁ =1336 мин ^-1;

КПД:

2.4. Характеристика зацепления

Модуль: m=4мм;

Число витков червяка:

Число зубьев колеса:

Вид червяка: образованный конусом (ZK1);

Делительный угол подъема: ;

Направление линии витка  червяка: правое;

Исходный производящий червяк: ГОСТ 19036-81;

Степень точности: 8-В;

Межосевое расстояние:

 

3. ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РЕДУКТОРА

 

Выбираем червячный редуктор с  верхним положением червяка, поскольку  в данном случае велика окружная скорость на червяке и в случае нижнего  положения червяка  возросли бы потери на перемешивание масла.

 

Корпус редуктора выполнен неразъемным, литым из чугуна марки  СЧ15 ГОСТ 1412-79. Сборка и разборка редуктора  производится через две боковые  крышки, червяк устанавливается через  малые крышки. Контроль осевого смещения колеса производится через люк (поз. 11 на сб. чертеже).

Вал червячного колеса и  червяк изготовляются из стали 40Х. Для  опор валов используются подшипники качения.

Вал колеса и червяк воспринимают и радиальную и осевую нагрузку, поэтому они опираются на пары роликовых конических подшипников. Чтобы компенсировать удлинение вала при нагреве предусмотрен зазор между глухой крышкой подшипника и наружным кольцом подшипника.

Смазка зубчатых колес  редуктора - картерная, т.е. посредством  окунания червячного колеса в масляную ванну на дне корпуса редуктора.

Для смазывания роликовых  конических подшипников применяются  жидкие материалы. Смазывание происходит за счет смазывания зубчатых колес  окунанием, разбрызгивания масла, образования  масляного тумана и растекания масла  по валам. Для этого полость подшипника выполняется открытой внутрь корпуса.

Герметично закрытый корпус редуктора обеспечивает требования как техники безопасности, так  и производственной санитарии.

Для транспортировки  от редуктора отсоединяют цепную муфту, с вала червяка снимают шкив  и открепляют редуктор от фундамента (или рамы привода). Затем с помощью подъемника транспортируют в нужное место. При этом обязательно нужно пользоваться (во избежание несчастных случаев) предусмотренными для этого в крышке редуктора подъемными ушами.

Для контроля за уровнем  масла в корпусе редуктора  предусмотрен маслоуказатель в виде двух конических пробок.

При длительной работе в  связи с нагревом воздуха повышается давление внутри корпуса. Это приводит к просачиванию масла через уплотнения и стыки. Для предупреждения этого и сообщения полости корпуса с внешней средой предусмотрена пробка-отдушина, которую используют также в качестве пробки, закрывающей отверстие для залива масла.

 

4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И СИЛОВОЙ РАСЧЁТ ПРИВОДА

 

Исходные данные

Тяговая сила шнека: ;

Скорость перемещения  смеси: ;

Наружный диаметр шнека:

 

4.1. Выбор КПД  редуктора

Выбираем КПД:      ременной передачи

червячной передачи             (табл. 1.1. [5])

муфты

4.2. Требуемая мощность электродвигателя

4.3. Частота  вращения приводного вала (вала III)

4.4. Частота вращения вала электродвигателя (вала I)

Принимаем предварительные передаточные числа ременной и червячной передач     .    (табл. 1.2 [5])

4.5. Выбор электродвигателя

По полученным данным выбираем электродвигатель 4АМ90LУ3. (табл. 18.36. [5])

  кВт    об/мин

4.6. Общее передаточное  число привода

4.7. Передаточное  число ременной передачи

Примем передаточное число ременной передачи

4.8. Передаточное  число червячного редуктора (червячной  передачи)

4.9. Частоты  вращения и вращающие моменты  на валах

Частота вращения вала электродвигателя (вала I)

 (об/мин)

Частота вращения вала червяка (вала II)

 (об/мин)

Частота вращения вала червячного колеса (вала III)

 (об/мин)

 (об/мин)

Моменты.

Момент на валу I

 

Момент на валу II

Примем КПД ременной передачи

 

Момент на валу III

Примем КПД червячной передачи

 

Момент на валу IV

Примем КПД муфты    (об/мин)

 

 

5. РАСЧЁТ ПЕРЕДАЧИ ПЛОСКИМ РЕМНЁМ

 

 

5.1. Проектный  расчёт

 

5.1.1. Диаметр ведущего шкива

Диаметр ведущего шкива  предварительно можно приближённо  оценить по формуле М.А. Саверина:

, стр. 268 [1]

Принимаем стандартный  диаметр шкива для синтетического ремня (стр. 203 [1]):

.

Толщина ремня: (стр. 203 [1])

6.1.2. Диаметр  ведомого шкива

Диаметр ведомого шкива:

 где

передаточное число  ременной передачи ;

коэффициент скольжения стр. 81 [6].

Принимаем стандартное значение , табл. К40 [6].

6.1.3. Фактическое  передаточное число

Фактическое передаточное число:

Отклонение от заданного  передаточного числа:

6.1.4. Ориентировочное межосевое расстояние

Ориентировочное межосевое  расстояние:

6.1.5. Расчётная длина ремня

Расчётная длина ремня:

Принимаем стр. 81 [6].

6.1.6. Уточнённое  значение межосевого расстояния  по стандартной длине

Уточнённое значение межосевого расстояния:

6.1.7. Угол обхвата ремнём ведущего шкива

Угол обхвата ремнём ведущего шкива:

6.1.8. Скорость ремня

Скорость ремня:

6.1.9. Частота пробегов ремня

Частота пробегов ремня:

6.1.10. Окружная сила, передаваемая ремнём

Окружная сила, передаваемая ремнём:

6.1.11. Допускаемое удельное окружное натяжение:

Допускаемое удельное окружное натяжение:

 где

допускаемое приведенное  окружное натяжение  , стр.218-219 [2]

коэффициент угла наклона линии  центров к горизонту: ;

коэффициент угла обхвата  на меньшем шкиве: ;

коэффициент влияния  натяжения от центробежной силы: ;    стр. 82-83 [6]

коэффициент динамичности нагрузки и длительности работы: ;

коэффициент влияния  диаметра меньшего шкива: ;

коэффициент неравномерности распределения нагрузки между составляющими плоского ремня:

6.1.12. Ширина ремня

Ширина ремня:

Принимаем стандартные  значения:

а) ширины ремня 

б) ширины шкива В=40мм.

6.1.13. Площадь поперечного сечения ремня

Площадь поперечного сечения ремня:

.

6.1.14. Сила предварительного  натяжения

Сила предварительного натяжения:

 где

предварительное натяжение: стр. 218-220 [2].

6.1.15. Силы натяжения ведущей и ведомой ветвей

Сила натяжения ведущей ветви:

Сила натяжения ведомой ветви:

6.1.16. Сила давления ремня на вал

Сила давления ремня на вал:

 

5.2. Проверочный расчёт

 

5.2.1. Напряжение  растяжения в ведущей ветви

Напряжение растяжения в сечении  ведущей ветви:

5.2.2. Напряжение  изгиба

Напряжение изгиба:

Модуль продольной упругости  стр. 218-220 [2].

5.2.3. Напряжения от центробежных сил

Напряжения от центробежных сил:

 где

плотность материала  ремня  ,

5.2.3. Максимальное напряжение  в сечении ведущей ветви

Максимальное напряжение в сечении ведущей ветви:

 

7. ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЁТ ВАЛОВ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

 

 

7.1. Проектный расчёт  валов

 

Предварительные значения диаметров различных участков стальных валов редуктора: (стр. 42 [4])

а) для быстроходного вала (вала червяка)

 где

высота заплечика 

координата фаски подшипника .

По табл. 24.1. [4] нормальных линейных размеров выбираем:

 

б) для тихоходного  вала

 где

высота заплечика 

координата фаски подшипника

По табл. 24.1. [4] нормальных линейных размеров выбираем:

 

 

7.2. Предварительный  выбор подшипников качения

 

Червячное колесо должно быть точно  и жёстко зафиксировано в осевом направлении. Шариковые радиальные подшипники характеризует малая осевая жёсткость. Поэтому  для опоры вала червячного колеса выбираем  конические роликовые подшипники. Предварительно выбираем подшипники 7209А лёгкой серии. Схема установки – враспор.

Опоры червяка в силовых червячных  передачах также нагружены значительными  осевыми силами. Поэтому в качестве опор вала червяка предварительно выбираем подшипники 7305А средней серии. Схема  установки – враспор.

 

8. ВЫБОР И РАСЧЁТ ЦЕПНОЙ МУФТЫ.

Исходные данные

 

Момент на тихоходном валу: .

Диаметр выходного конца тихоходного  вала:

Частота вращения тихоходного вала:

Мощность на выходном валу:

8.1. Определение расчётного момента и выбор муфты

Расчётный момент:

Выбираем муфту цепную 500-40-I.I.X40-I.2-У3 ГОСТ 20884-82 с номинальным моментом  . Таким образом . Диаметр посадочного отверстия полумуфт:

Основные параметры, габаритные и  присоединительные размеры муфт, допускаемые смещения осей валов  определяем из табл. К26 [6]:

угловая скорость ;

отверстие:

габаритные размеры:

смещение осей валов  не более:

радиальное 

угловое

Радиальная сила, с  которой муфта действует на вал:

окружная сила на делительном диаметре звёздочки:

фактическая скорость цепи:

число звеньев  цепи

8.2. Установка муфты на валах

Устанавливаем муфту на конический конец тихоходного вала.

8.3. Осевая фиксация и осевое крепление

Осевая фиксация – гайкой и шайбой с носком.

 

9. КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ  КОРПУСА.

 

 

Корпус редуктора служит для  размещения и координации деталей  передачи, защиты их от загрязнения, организации  системы смазки, а также восприятия сил, возникающих в зацеплении редукторной пары, подшипниках, открытой передачи. Наиболее распространённый способ изготовления корпусов - литьё из серого чугуна (например, СЧ15).

9.1. Форма корпуса

9.1.1. Габаритные (наружные) размеры корпус.

Габаритные размеры корпуса определяются размерами расположенной в корпусе редукторной пары и кинематической схемой редуктора. При этом вертикальные стенки редуктора перпендикулярны основанию, верхняя плоскость крышки корпуса параллельна основанию, редукторная пара вписывается в параллелепипед.

9.1.2. Толщина стенок корпуса и  рёбер жёсткости

В проектируемых малонагруженных  редукторах (T₂ <500H*м) с улучшенными передачами толщины стенок крышки и основания принимаются одинаковыми:

Здесь - вращающий момент на тихоходном валу.

Принимаем

9.2. Фланцевые соединения

а) Фундаментальный фланец основания  корпуса. Предназначен для крепления  редуктора к фундаментальной  раме (плите).

 

 б) Соединительный  фланец крышки и основания корпуса. Через большие окна, выполненные в корпусе, вводят при сборке комплекты вала с колесом. Соединение крышек с корпусом уплотняют резиновыми кольцами. Для удобства сборки диаметр отверстия окна делают на 2...5 мм больше максимального диаметра колеса. Диаметр соединительных винтов определяют так же, как и для разъёмных корпусов; количество винтов – 6...8, расстояние между ними .

в) Фланец для крышки смотрового окна.

Размеры сторон фланца, количество винтов и расстояние между ними устанавливают конструктивно в зависимости от места расположения окна и размеров крышки; высота фланца

9.3. Детали  и элементы корпуса редуктора

Смотровой люк служит для контроля сборки и осмотра  редуктора при эксплуатации. Люк  закрывают крышкой. Широко применяют  стальные крышки из листов толщиной Для того, чтобы внутрь корпуса извне не засасывалась пыль, под крышку ставят уплотняющие прокладки из картона (толщиной 1...1.15 мм) или полосы из резины (толщиной 2...3 мм).

 

11. РАСЧЁТ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

 

11.1. Выбор материала  и методика расчёта

Для закрепления на валах  зубчатых колёс, муфты и шкива  применимы призматические шпонки, выполненные по ГОСТ 23360 /СТ СЭВ 189-75/.

Так как высота и ширина призматических шпонок выбирается по стандартам, расчёт сводится  к проверке размеров по допускаемым напряжениям при  принятой длине или на основании  допускаемых напряжений находится  её длина.

11.2. Расчёт  шпонок

Условие прочности:

 где

T – наибольший крутящий момент на валу, Нм;

d – диаметр вала, мм;

h – высота шпонки, мм;

t₁ – заглубление шпонки в валу, мм;

 - допускаемые напряжения.

11.2.1. Шпонка под червячное колесо

Проверяем шпонку для  диаметра d=53мм с крутящим моментом T=470Нм, для которой h=10мм, b=16мм, t₁=6мм, рабочая длина шпонки l_р=65мм:

Принимаем Шпонка 16x10x62 ГОСТ 23360-78.

11.2.2. Шпонка  под муфту

Проверяем шпонку для диаметра d=37.3мм с крутящим моментом T=470Нм, для которой h=8мм, b=10мм, t₁=5мм, рабочая длина шпонки l_р=28мм:

Принимаем Шпонка 10x8x28 ГОСТ 23360-78.

11.2.3. Шпонка  под шкив

Проверяем шпонку для  диаметра d=30мм с крутящим моментом T=23.7Нм, для которой h=7мм, b=8мм, t₁=4мм, рабочая длина шпонки l_р=30мм:

Принимаем Шпонка 8x7x30 ГОСТ 23360-78.

 

12. ВЫБОР ПОСАДОК ДЕТАЛЕЙ, ШЕРОХОВАТОСТЕЙ  ПОВЕРХНОСТЕЙ, ГРАНИЧНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ  ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

 

 

12.1. Выбор посадок

а)  Посадки с натягом:

посадка червячного колеса на вал (с  использованием шпонки) – H7/r6,

посадка шкива на вал (с использованием шпонки) – H7/p6.

б) Посадки подшипников:

поле допуска вала при посадке  подшипников – k6, поле допуска отверстия при посадке подшипников – H7.

12.2. Шероховатость поверхностей

По [4] табл. 7.11., стр. 233 шероховатость рабочих контуров деталей, поверхностей после литья, несопрягаемых поверхностей оснований, кронштейнов, корпуса, отверстия под проход болтов имеют шероховатость (без снятия материала), и (со снятием материала). Нерабочие концы валов, втулок, не сопрягающихся поверхностей зубчатых колёс имеют шероховатость . Нерабочие торцы зубчатых колёс и поверхности канавок имеют шероховатость . Шероховатость у поверхностей резьбы, посадочных поверхностей зубчатых колёс, привалочных плоскостей корпусных деталей, присоединительных плоскостей крышек и фланцев. У посадочных мест под подшипники шероховатость .