Привод следящей системы
Московский государственный
Кафедра «Элементы приборных устройств»
Курсовая работа по дисциплине
«Проектирование оптико-электронных приборов»
Тема: Привод следящей системы
Вариант № 6
Студент: Мартынова В.
Группа: ОЭ2-51.
Руководитель: Бородулин Д.С.
Москва
2009
Оглавление
Оглавление 2
Техническое задание 3
1. Проектный расчёт электромеханического привода 5
1.1. Выбор электродвигателя 5
1.2. Кинематический расчёт 7
1.3. Силовой расчёт 8
1.4. Расчёт на прочность 9
1.5. Геометрический расчёт 12
2. Проверочные расчёты спроектированного ЭМП 17
2.1. Проверка правильности выбора двигателя 17
2.2. Проверочный расчёт на прочность 21
3. Расчёт на точность 32
3.1. Расчёт на точность по методу минимума-максимума 32
3.2. Расчёт на точность по вероятностному методу 38
4. Расчёт валов 42
5. Расчёт подшипников 43
6. Расчёт потенциометра 45
Список литературы 46
Техническое задание
Тема проекта: Привод следящей системы.
Область применения: Следящие электромеханические приводы такого типа применяются в устройствах РЭА и устройствах ОЭП для вращения радиолокационных антенн, пеленгационных призм, зеркал, для автоматической настройки и др., в системах автоматики управления и наведения в ЛА.
Технические требования: Привод следящей системы должен содержать элементы, указанные на структурной схеме (рис.1). Технические параметры, конструктивные, технологические и другие требования – в соответствии с описанием и вариантом задания (таблица 1).
Стадии разработки: Техническое предложение, эскизный проект, технический и рабочий проекты – в соответствии с объёмом и графиком выполнения курсового проекта.
Схема и краткое описание: Привод следящей системы включает электродвигатель, зубчатый редуктор. На выходном звене установлен объект управления (антенна, зеркало, призма и др.). Обратная связь в следящей системе обеспечивается потенциометром. Угол поворота выходного звена механизма ограничивается с помощью микропереключателей и механических упоров.
Исходные данные для проектирования
Таблица 1.
№ варианта |
6 |
Параметры | |
Скорость вращения выходного звена, |
5 |
Ускорение вращения выходного звена, |
24 |
Момент инерции нагрузки, |
0,012 |
Угол поворота выходного звена, |
±170º |
Присоединительный размер (отв.) |
40 |
Тип корпуса |
На втулках |
Критерий проектирования |
Точность и быстродействие |
Тип потенциометра |
ПТП или другого типа – выбирается самостоятельно с соответствующим обоснованием |
Условия эксплуатации |
УХЛ4.1 |
Вид крепления в изделии |
По указанию преподавателя |
Выходное отверстие, диаметром , должно быть всегда свободно на просвет | |
Тип электродвигателя |
Выбирать из серий ДИД, ДГ или АДП |
Ограничители угла поворота |
Механические и электрические с помощью микропереключателей |
Рис.1. Структурная схема механизма.
1. Проектный расчёт электромеханического привода
1.1. Выбор электродвигателя
Статическая нагрузка в механизме определяется силой срабатывания микропереключателей.
Выбираем микропереключатели ПМ24-2. Сила срабатывание данного типа микропереключателей:
; выберем .
Для предварительного расчёта примем диаметр выходного колеса ( должно быть больше присоединительного диаметра ).
Момент срабатывания микропереключателей на выходном валу:
– коэффициент запаса.
Выбираем двигатель по мощности.
Расчётная мощность нагрузки на валу двигателя:
– КПД цепи двигатель-нагрузка (принимается для предварительного расчёта).
Мощность двигателя по паспортным данным:
, – коэффициент запаса.
По мощности выбираем двигатель ДГ-3А. Его характеристики:
, Вт |
, Н∙мм |
, Н∙мм |
, об/мин |
, |
, с |
, В |
Масса, кг |
3 |
5 |
10 |
9000 |
0,37 |
36 |
36 |
0,55 |
Здесь:
– номинальная мощность,
– номинальный момент,
– пусковой момент,
– номинальная частота
вращения,
– момент инерции ротора,
– электромеханическая
постоянная привода,
– номинальное напряжение
питания.
Общее передаточное отношение:
Проверка правильности выбора двигателя. Двигатель выбран верно, если
Статический момент нагрузки, приведённый к валу двигателя:
Динамический момент нагрузки, приведённый к валу двигателя:
Приведённый суммарный момент нагрузки:
Вывод: двигатель нам подходит.
Определим время разгона двигателя.
1.2. Кинематический расчёт
Определяем передаточные отношения.
Число ступеней по критерию минимализации габаритов при условии равнопрочности колёс:
Разбиваем iо на n ступеней по нормальному ряду.
Подбираем числа зубьев.
Расчётное общее передаточное отношение:
Погрешность передаточного отношения:
Уточним передаточные отношения.
Кинематическая схема привода.
1.3. Силовой расчёт
Рассчитаем моменты на валах редуктора.
– КПД подшипников
– КПД цилиндрической передачи
1.4. Расчёт на прочность
Расчётное число циклов нагружения:
Число колёс, находящихся одновременно в зацеплении с рассчитываемым:
.
– срок службы передачи. Задан срок службы .
– частота вращения зубчатого колеса (выходного вала), об/мин.
Возможность увеличения числа циклов – коэффициент долговечности:
Базовое число циклов нагружения:
для нормализованных стальных колёс.
Допускаемое контактное напряжение:
Коэффициент шероховатости:
для
Коэффициент, учитывающий окружную скорость колеса:
(т.к. ).
Коэффициент безопасности:
. Принимаем .
– предел контактной выносливости поверхности зубьев, соответствующий базовому числу циклов .
Рассчитаем .
Выбираем материалы:
для шестерен – сталь45,
для колёс – сталь35.
Для обработки обжигом, нормализацией или улучшением:
Усредняем и :
Допускаемое напряжение изгиба:
Коэффициент, учитывающий цикл нагружения колеса:
для реверсивных передач.
Коэффициент долговечности:
Коэффициент запаса прочности:
. Принимаем .
- предел выносливости при изгибе.
Для выбранных ранее материалов:
1.5. Геометрический расчёт
Рассчитаем модули передач по формуле:
Коэффициент, учитывающий тип зубьев:
для цилиндрических колёс.
– момент на валу
– коэффициент формы зуба.
– коэффициент запаса. Принимаем .
– число зубьев колеса, по которому ведётся расчёт.
- коэффициент ширины зубчатого венца. Принимаем .
Расчёт ведётся по колесу/шестерне в зависимости от того, какое соотношение больше:
1 передача
2 передача
3 передача
4 передача
Рассчитаем геометрические параметры колёс по формулам:
– делительный диаметр,
– диаметр вершин зубьев,
– диаметр впадин,
– ширина колеса,
– ширина шестерни,
– межосевое расстояние.
1 передача
2 передача
3 передача
4 передача
2. Проверочные расчёты
2.1. Проверка правильности выбора двигателя
Условие правильного выбора двигателя определяется соотношениями:
для кратковременного режима работы и повторно-кратковременного режима работы:
,
, – соответственно уточнённые статический и динамический моменты, приведённые к валу двигателя.
Проверяем условие .
Уточнённый статический момент, приведённый к валу двигателя:
– КПД подшипников.
Уточнённое значение КПД прямозубой цилиндрической передачи:
– коэффициент трения. Для шестерни стальной и колеса из закалённой стали .
– коэффициент перекрытия. Принимают .
Коэффициент нагрузки для цилиндрических передач:
Окружная сила колеса:
При принимают .
1 передача
2 передача
3 передача
4 передача
Находим .
Проверяем условие .
Уточнённый динамический момент, приведённый к валу двигателя:
Угловое ускорение вала двигателя:
Приведённый к валу двигателя момент инерции всего ЭМП:
Момент инерции вращающихся частей ротора:
инерции нагрузки:
Приведённый момент инерции редуктора:
, – моменты инерции отдельных колёс относительно собственных центров масс.
Момент инерции звена, имеющего форму кругового цилиндра, относительно собственного центра масс:
– диаметр колеса,
– ширина колеса,
– плотность материала колеса,
.
=
Оба условия выполняются, двигатель выбран верно.
2.2. Проверочный расчёт на прочность
Необходимо проверить, выполняются ли условия прочности на выносливость:
для открытых передач
;
для закрытых передач
,
а также при действии кратковременных перегрузок (максимальной или пиковой нагрузок)
,
.
Проверка условия прочности на выносливость при расчёте на контактную прочность.
Проверяем условие .
Допускаемое контактное напряжение:
Предел контактной выносливости зубьев:
Коэффициент шероховатости:
для
Коэффициент, учитывающий окружную скорость колеса:
(т.к. V < 5м/с).
Коэффициент безопасности:
. Принимаем .
Коэффициент долговечности:
Базовое число циклов нагружения:
для нормализованных стальных колёс.
Расчётное число циклов нагружения:
Число колёс, находящихся одновременно в зацеплении с рассчитываемым:
.
– срок службы передачи. Задан срок службы .
– частота вращения зубчатого колеса (выходного вала), об/мин.
Для выходного вала
Таким образом, расчётное число циклов нагружения для выходного вала:
Для остальных валов:
Принимаем .
Принимаем .
Принимаем .
Принимаем .
Действительное контактное напряжение:
Коэффициент, характеризующий контактную прочность зуба:
для стали.
– момент на валу колеса.
– ширина колеса.
– межосевое расстояние.
Коэффициент расчётной нагрузки при расчёте на контактную прочность:
Коэффициент динамической нагрузки при расчёте на контактную прочность:
для быстроходных
колёс высокой степени
Коэффициент,
учитывающий неравномерность
для колёс, расположенных между опорами.
Сравниваем действительные контактные напряжения с допускаемыми контактными напряжениями:
Условие прочности на выносливость при расчёте на контактную прочность выполняется.
Проверка условия прочности на выносливость при расчёте на прочность изгиба.
Проверяем условие .
Допускаемое напряжение изгиба:
– предел выносливости при изгибе.
Коэффициент, учитывающий цикл нагружения колеса:
для реверсивных передач.
Коэффициент запаса прочности:
. Принимаем .
Коэффициент долговечности:
– расчётное число циклов нагружения, рассчитано ранее.
Принимаем .
Принимаем .
Принимаем .
Принимаем .
Действительное напряжение изгиба на колесе:
Коэффициент, учитывающий тип зубьев:
для цилиндрических колёс.
– момент на валу колеса.
– коэффициент формы зуба.
– модуль передачи.
– число зубьев колеса.
– ширина колеса.
Коэффициент расчётной нагрузки при расчёте на прочность изгиба:
Коэффициент динамической нагрузки при расчёте на прочность изгиба:
для быстроходных
колёс высокой степени
Коэффициент,
учитывающий неравномерность
для колёс, расположенных между опорами.
Действительное напряжение изгиба на шестерне:
Сравниваем действительные напряжения изгиба с допускаемыми напряжениями изгиба:
Условие прочности на выносливость при расчёте на прочность изгиба выполняется.
Проверка
условия прочности при
Проверяем условие .
– контактное напряжение при расчёте на выносливость.
Коэффициент перегрузки:
Пусковой момент двигателя:
.
Номинальный момент двигателя:
.
Предельно допустимое контактное напряжение:
при нормализации, улучшении или объёмной закалке.
Для стали35 .
Сравниваем контактные напряжения при кратковременных перегрузках с максимально допустимыми контактными напряжениями:
Условие прочности
при кратковременных
Проверка
условия прочности при
Проверяем условие .
– напряжение изгиба при расчёте на выносливость.
Предельно допустимое напряжение изгиба:
при .
Для стали45 (материал шестерен).
Для стали35 (материал колёс).
Сравниваем напряжения изгиба при кратковременных перегрузках с максимально допустимыми напряжениями изгиба:
Условие прочности
при кратковременных
3. Расчёт на точность
Степень точности: 7.
7-я степень точности применяется наиболее часто. Она назначается для точных передач, а также для цилиндрических передач, работающих при .
Вид сопряжения: G.
Сопряжение G применяется при небольшом мёртвом ходе в отсчётных и других точных механизмах и следящих системах при стабильных средних числах оборотов, а также небольших колебаниях температуры (материалы корпуса и колёс могут иметь разные коэффициенты линейного расширения).
3.1. Расчёт на точность по методу минимума-максимума
Установим по стандартам значения величин, необходимых для расчёта погрешностей передач согласно назначенным степени точности и виду сопряжения.
– наименьшее дополнительное смещение исходного контура.
– допуск на смещение исходного контура.
Допуск на кинематическую погрешность:
,
– допуск на накопленную погрешность шага зубчатого колеса,
– допуск на погрешность профиля зуба.
1 передача
2 передача
3 передача
4 передача
Линейные кинематические погрешности элементарных передач по методу минимума-максимума:
минимальное значение:
для передач 7-й и 8-й степеней точности;
максимальное значение:
.
, – коэффициенты фазовой компенсации.
Угловые кинематические погрешности элементарных передач по методу минимума-максимума:
Угловые кинематические погрешности элементарных передач с учётом угла поворота выходного колеса передачи:
– коэффициент, учитывающий зависимость кинематической погрешности рассчитываемой передачи от фактического максимального угла поворота её выходного колеса. Если угол поворота звена, к которому приводится погрешность , то принимают для всех элементарных передач.
Угол поворота ведомого колеса j-й передачи:
– угол поворота звена приведения (угол поворота выходного звена).
Передаточный коэффициент j-й элементарной передачи:
– передаточное отношение между выходными валами j-й передачи и привода.
По условию .
угловые погрешности элементарных передач остальных валов пересчитывать с учётом углов поворота выходных колёс передач не надо.
Передаточные коэффициенты элементарных передач:
– передаточное отношение между выходными валами j-й передачи и привода.
Суммарная угловая кинематическая погрешность по методу минимума-максимума:
Линейные люфтовые погрешности элементарных передач по методу минимума-максимума:
Мёртвый ход 4-й передачи не рассчитываем, т.к. применяем люфтовыбирающие колёса для обеспечения точности в кинематической цепи потенциометр – выходной вал.
Угловые люфтовые погрешности элементарных передач по методу минимума-максимума:
Суммарная угловая люфтовая погрешность по методу минимума-максимума:
Суммарная угловая погрешность по методу минимума-максимума:
3.2. Расчёт на точность по вероятностному методу
Угловые кинематические погрешности элементарных передач по вероятностному методу:
координата середины поля рассеяния:
величина поля рассеяния:
Максимальные и минимальные значения кинематических погрешностей элементарных передач берём из расчёта по методу минимума-максимума.
Суммарная угловая кинематическая погрешность по вероятностному методу без учёта процента риска выхода за поле допуска:
Суммарная угловая кинематическая погрешность по вероятностному методу с учётом процента риска выхода за поле допуска:
– коэффициент, учитывающий процент принятого риска.
Процент риска
Гарантированные боковые зазоры.
=14 мм
=18,4 мм
=20 мм
Минимальные угловые люфтовые погрешности элементарных передач по вероятностному методу:
Максимальные значения угловых люфтовых погрешностей элементарных передач берём из расчёта по методу минимума-максимума:
Угловые люфтовые погрешности элементарных передач по вероятностному методу:
координата середины поля рассеяния:
величина поля рассеяния:
Суммарная угловая люфтовая погрешность по вероятностному методу без учёта процента риска выхода за поле допуска:
Суммарная угловая люфтовая погрешность по вероятностному методу с учётом процента риска выхода за поле допуска:
– коэффициент, учитывающий процент принятого риска.
Процент риска
Суммарная угловая погрешность по вероятностному методу:
Погрешность выходного звена по методу минимума-максимума:
.
Погрешность выходного звена по вероятностному методу:
.
4. Расчёт валов
Диаметр вала:
– крутящий момент на валу, .
Допускаемое напряжение на кручение:
для стальных валов,
если определяется диаметр
для стальных валов,
если определяется диаметр
Принимаем .
Принимаем .
Диаметр 5-го вала не рассчитываем из-за особенностей конструкции выходного звена.
5. Расчёт подшипников
Определяем частоту вращения валов.
Нагрузка на всех валах – динамическая, т.к. .
Расчётная динамическая грузоподъёмность подшипника:
– частота вращения вала.
– срок службы передачи. Задан срок службы .
Эквивалентная динамическая грузоподъёмность радиальных подшипников:
Коэффициент вращения:
при вращении внутреннего кольца подшипника.
Коэффициент безопасности:
для нагрузки на
подшипник в виде лёгких
Принимаем температурный коэффициент .
Радиальная нагрузка:
– момент на валу.
– диаметр большего колеса на этом валу.
Находим эквивалентную динамическую грузоподъёмность подшипников.
Находим расчётную динамическую грузоподъёмность подшипников.
По расчётной динамической грузоподъёмности с учётом диаметров валов и предельного числа оборотов выбираем подшипники:
для валов 1-4: подшипник 1000094 (ГОСТ 8338-75).
для вала 5 (из-за
особенностей конструкции выходного
звена):
подшипник 1000809 (ГОСТ 8338-75).
6. Расчёт потенциометра
Угол поворота потенциометра:
По углу поворота выбираем потенциометр: CM1000.
Список литературы
- Буцев А.А. Электродвигатели приборных устройств: Учеб. пособие. М., изд. МГТУ, 1999.
- Виляевская Т.И., Веселова Е.В. Методические указания по выполнению домашнего задания «Проектирова
ние опор вала передач» по курсу «Элементы приборных устройств». М., изд. МВТУ, 1979.
- Кокорев Ю.А., Жаров В.А., Торгов А.М. Расчёт электромеханического привода: Учебное пособие. М., изд. МГТУ, 1995.
- Матвеев В.И. Расчёт подшипников качения и проектир
ование подшипниковых узлов приборов: Учебное пособие. М., изд. МВТУ, 1978.
- Элементы приборных устройств (Основной курс): Учеб. пособие для студентов вузов. В 2-х ч./ Под ред. Тищенко О.Ф. М., «Высшая школа», 1982.