Проектирование деталей и узлов приводов и редукторов

В. Ф. Константинов










ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ПРИВОДОВ И РЕДУКТОРОВ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 674.05
ББК 39.9
     К65



Рецензенты: доктор технических наук, профессор, ООО «Кудесник» (г. Москва) Шимкович Дмитрий Григорьевич; кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования объектов лесного комплекса Мытищинского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана Подрубалов Максим Валерьевич







     Константинов, В. Ф.
К65       Проектирование деталей и узлов приводов и редукторов : учебное
      пособие / В. Ф. Константинов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 144 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1284-1

           Изложены основные принципы кинематического расчета приводных устройств, методы расчета на прочность и основы конструирования деталей и узлов редукторов, клиноременных и цепных передач. Даны примеры расчета и конструирования, представлены необходимые справочные материалы.
           Для студентов высшего и среднего профессионального образования технологических специальностей лесозаготовительных и деревообрабатывающей отраслей, изучающих дисциплину «Детали машин и основы конструирования».

УДК 674.05
                                                             ББК 39.9







ISBN 978-5-9729-1284-1

      © Константинов В. Ф., 2023
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                               © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................5
1. ТИПОВЫЕ ПРИВОДЫ МАШИН ЛЕСНОЙ
И ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ............................6
2. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА..........................................................7
  2.1. Подбор электродвигателя по мощности и частоте вращения вала.7
  2.2. Передаточное число привода и разбивка его по ступеням....10
3. РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ......................................15
  3.1. Расчет цилиндрических зубчатых колес на контактную прочность зубьев........................................................15
  3.2. Расчет зубьев цилиндрических зубчатых колес на выносливость по изгибу.....................................................20
  3.3. Расчет передач коническими зубчатыми колесами............22
  3.4. Пример расчета передачи цилиндрическими зубчатыми колесами..25
  3.5. Пример расчета передачи коническими зубчатыми колёсами...28
4. ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ...........................................30
  4.1. Основные параметры червячной передачи....................30
  4.2. Расчет червячных передач на контактную выносливость и на выносливость при изгибе..................................34
  4.3. Определение размеров червячных передач...................37
5. ПЕРЕДАЧИ ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ.......................................39
  5.1. Ременные передачи клиновыми ремнями......................39
  5.2. Пример расчета клиноременной передачи....................45
  5.3. Цепные передачи..........................................47
6. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАЛОВ................................60
  6.1. Нагрузки валов и осей....................................60
  6.2. Расчет валов на прочность и основы конструирования валов.63
7. ОПОРЫ ОСЕЙ И ВАЛОВ...........................................77
  7.1. Опоры качения............................................77
  7.2. Типовые конструкции опор на подшипниках качения..........77
  7.3. Подбор подшипников качения по каталогам и проверка их долговечности.................................................78
  7.4. Конструирование опор валов на подшипниках качения........80
8. КОНСТРУИРОВАНИЕ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИВОДОВ МАШИН...........................................................85
  8.1. Корпуса редукторов.......................................85
9. СМАЗКА И СМАЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИВОДОВ МАШИН.................92

3

10. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЧЕРТЕЖЕЙ ПРИВОДОВ МАШИН..............97
  10.1. Примеры выполнения рабочих чертежей деталей..............97
  10.2. Примеры выполнения сборочных чертежей....................98
11. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА........................111
ПРИМЕР. РАСЧЕТ ПРИВОДА ЦЕПНОГО КОНВЕЙЕРА........................116
ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................128
1. Требования к рабочим чертежам деталей машин..................128
2. Задание размеров.............................................128
3. Допуски формы и расположения поверхностей детали.............129
4. Технические требования к детали..............................130
5. Основная надпись.............................................131
6. Электродвигатели трехфазные асинхронные короткозамкнутые с нормальным пусковым моментом..................................133
7. Электродвигатели асинхронные трехфазные......................134
8. Муфты упругие втулочно-пальцевые (МУВП)......................135
9. Шарикоподшипники радиальные однорядные (из ГОСТ 8338-75).... 137
10. Шарикоподшипники радиально-упорные однорядные (из ГОСТ 831-75)............................................... 137
11. Шарикоподшипники сферические двухрядные (из ГОСТ 28428-90). 138
12. Крышки прижимные. Размеры, мм (из ГОСТ 18512-73)........... 139
ЛИТЕРАТУРА......................................................141

4

    ПРЕДИСЛОВИЕ


     Курсовой проект по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» завершает общетехнический цикл подготовки студентов. При выполнении первой самостоятельной творческой инженерной работы студенты активно применяют знания дисциплин: «Механика», «Сопротивление материалов», «Технология материалов» и др.
     Целью курсового проекта по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» является закрепление знаний студентов по теории, расчету и конструированию деталей и узлов механического привода. Студенты должны научиться выполнять расчеты и выбирать подходящие материалы, пользоваться справочной литературой и стандартами, оформлять техническую документацию в соответствии с требованиями ЕСКД.
     Задача настоящего учебного пособия - изложить учебный материал по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» в форме, наиболее удобной для применения при выполнении курсового проекта.
     В пособие включены вопросы методики проектирования и необходимый минимум справочных данных для выполнения расчетов и конструирования механического привода машин лесной и деревообрабатывающей промышленности. Студентам будет полезно освоить на практике методы расчета и конструирования типовых и наиболее распространенных деталей и узлов - зубчатых и червячных редукторов, ременных и цепных передач, подшипников качения и др. Необходимые справочные материалы в пособии расположены в том порядке, в котором следует выполнять курсовой проект.

5

    1.     ТИПОВЫЕ ПРИВОДЫ МАШИН ЛЕСНОЙ И ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

     Объектами курсового проектирования являются приводы различных машин и механизмов (например, ленточных и цепных конвейеров), в которых используется большинство деталей и узлов общемашиностроительного применения.
     Лесная и деревообрабатывающая отрасли промышленности имеют ряд специфических особенностей по сравнению с общим машиностроением, как то:
     -      работа механизмов приводов под открытым небом при низких температурах окружающей среды в зимнее время года;
     -      специфический характер нагрузок на детали механизмов, предназначенных для выполнения различных операций с древесиной и др.
     В общем случае привод машины может содержать двигатель, редуктор и передачи гибкой связью - ременную и цепную. При этом ременную передачу рекомендуется ставить в первую ступень привода, т. е. там, где большие скорости и, следовательно, небольшие крутящие моменты. Цепную же передачу, наоборот, следует ставить в последнюю ступень привода, там, где меньше скорости и больше крутящие моменты. Зубчатые механизмы занимают промежуточные положения.
     Общее передаточное число привода, содержащего ременную, зубчатую и цепную передачу, может доходить до 500. В более нагруженных приводах общее передаточное число не превышает 240...250. Такое передаточное число можно получить в приводе, составленном из редуктора и цепной или ременной передачи. При использовании червячных редукторов следует помнить об их сравнительно низком КПД и свойстве самоторможения. Обычно червячные редукторы с нижним расположением червяка применяют в случае, если между валом электродвигателя и входным валом редуктора размещается ременная передача.
     В сильно нагруженных конвейерах, например лесотаски, цепная передача заменяется зубчатой. Для привода барабана лебедки используют двухступенчатый цилиндрический редуктор без передач гибкой связью, при этом можно получить передаточное число порядка 50. В случае использования привода с коническо-цилиндрическим редуктором можно получить передаточное число порядка 150.

6

    2.       ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА

    2.1. Подбор электродвигателя по мощности и частоте вращения вала

     При проектировании приводов обычно бывают известны следующие исходные данные:
     -  условия окружающей среды;
     -       характер нагрузок (постоянная, переменная, реверсивная или нереверсивная, с резкими рывками или монотонная и т. п.);
     -  вид приводного двигателя;
     -  необходимость отключения двигателя для его пуска вхолостую;
     -       Рэф - эффективная мощность на выходном валу привода или на ведущем валу приводимой в движение машины;
     -  n т - частота вращения выходного вала привода мин⁻¹.
     Режим работы задается обычно циклограммой моментов вращения, аналогичной показанной на рис. 2.1.
     Каждому отрезку времени 11, 12, 13, ..., ti соответствует нагрузка в виде вращающего момента T1, T2, T3,..., Ti соответственно.
     На рис. 2.1 указывается коэффициент годовой эксплуатации оборудования Кг. Этот коэффициент учитывает простой оборудования по различным причинам (плановый, текущий ремонт и т. п.).


     Абсолютное значение вращающих моментов не имеет значения, так как в расчетные формулы входит отношение Ti/Tmax, которое можно определить как

7

отношение отрезков, обозначающих величину вращающих моментов на циклограмме.
      По указанным выше исходным данным нижеприведенным расчетом определяется требуемая мощность электродвигателя и выбирается по каталогу нужный электродвигатель. При выборе электродвигателя устанавливается частота вращения его вала.
      Мощность, требуемая от двигателя Рда, находится как частное от деления эффективной (заданной) мощности на общий КПД привода 7общ

P.
Рдв =      .                         (2.1)
7общ.

      В случае последовательной передачи потока мощности через все звенья привода


            7общ.= ⁷ ■ 7ft⁻ 7у ■ 7%' 7 5 ■ 7рм ■ ^м • 7п,    ⁽2.²⁾


где 71 - КПД одной пары цилиндрических зубчатых колес; 72 - КПД одной пары конических зубчатых колес; 73 - КПД червячной пары; 74 - КПД ременной передачи; 75 - КПД цепной передачи; 7п - КПД одной пары подшипников; 7рм - КПД, учитывающий потери энергии на перемешивания масла в картере редуктора, потери энергии двигателя на привод вентилятора воздушного охлаждения и привода масляного насоса, если последний имеется в приводе; 7м -КПД муфт; а - число пар цилиндрических зубчатых колес; ft - число пар конических зубчатых колес; у - число червяных передач; 5 - число ременных передач; А - число цепных передач; е - число пар подшипников; 0 - число муфт.
      В величинах а, ft, у, 5, А, е, в учитываются только те звенья, которые находятся под нагрузкой одновременно.
      Если в заданной схеме нет какой-либо передачи, то вместо соответствующего КПД в формулу (2.2) ставят единицу.
      В случае передачи мощности разветвленным потоком общий КПД определяется по формуле

SPi ' ⁷i ° . ⁰
⁷общ.  у, р ⁷рм ⁷м,                       ⁽².³⁾
S Pi
где Pi - доля мощности, приходящаяся на один поток; 7i - КПД этого потока, который определяется по формуле (2.2). Например, для редуктора, выполнен


8

ного по схеме рис. 2.2 считая, что общая мощность делится на два потока поровну, получим:

P = P2 = Рда/2; Ц = Ц = п • ₇У.

     Здесь а = 2 (два зацепления 1-2 и 2-3 для одного потока мощности 1-2-3-4); X = 5/2 (5 пар подшипников на два потока мощности); принимая Ц1 = 0,98 и Пп = 0,995 (см. табл. 2.1 ниже), получим по формуле (2.3)


              П = П¹ P ⁺ ПP = 0,98² • 0,995⁵/² • 0,98 • 0,97³ = 0,8483. щ         P + P,


Рис. 2.2. Схема двухпоточного редуктора

     В табл. 2.1 приведены ориентировочные значения КПД отдельных видов механических передач.
     КПД одной пары подшипников можно принимать при жидкой смазке Пп = 0,995, при консистентной смазке Цп = 0,990.
     КПД Црм, учитывающий потери энергии на перемешивание масла зубьями шестерен, ориентировочно оценивается следующими величинами: при использовании автолов Црм = 0,98; при использовании нигролов црм = 0,96 (о смазке зубчатых редукторов см. раздел 9).
     КПД муфт можно принимать цм = 0,96.. .0,98.
     Если в схеме привода предусматривается принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как это имеет место у червячных редукторов, то КПД ц,м


9

следует принимать не более 0,8, а в случае отбора мощности на привод масляного насоса 0,9. Если используется и вентилятор, и масляный насос, то //рм < 0,7.


Таблица 2.1

Значения КПД механических передач

         Передача             КПД          Передача           КПД   
Закрытая зубчатая:                          Цепная:                 
с цилиндрическими колесами 0,97-0,98       закрытая        0,93.0,97
с коническими колесами     0,96.0,97       открытая        0,90.0,95
Открытая зубчатая передача 0,95.0,96                                
Закрытая червячная при                     Ременная:                
числе заходов червяка:                 с плоским ремнем    0,96.0,98
z = 1                      0,7.0,75       с клиновым       0,95.0,97
z = 2; 3                   0,8.0,85  и поликлиновым ремнем          
z = 4                      0,8.0,95                                 

      Далее по таблицам каталогов ГОСТ на электродвигатели (см. приложение) выбираем электродвигатель.


    2.2. Передаточное число привода и разбивка его по ступеням

     После выбора электродвигателя по каталогу становится известной частота вращения n дв ведущего вала привода. Поделив эту величину на заданную частоту вращения вала приводимой в движение машины, найдем общее передаточное число привода


Ur = — общ.
П т


(2.4)

     Следующим этапом проектирования привода является разбивка общего передаточного числя по ступеням. Общее передаточное число представляет собой произведение передаточных чисел различных ступеней привода, т. е.


Uобщ. _ U12 ■ U34 ■ U56 ■... ■ U(n)(n+1).


(2.5)

     В табл. 2.2 приведены наибольшие возможные значения передаточных чисел различных передач.
     Для зубчатых редукторов, выпускаемых серийно, значение передаточного числа одной ступени определяется стандартом и дано в табл. 2.3.


10

     При разбивке общего передаточного числа редуктора по его ступеням рекомендуется принимать передаточное число быстроходной ступени больше, чем передаточные числа последующих ступеней. Так, в двухступенчатом редукторе с цилиндрическими зубчатыми колесами, выполненном по развернутой схеме, рекомендуется передаточное число первой ступени брать равным (1,20.. .1,25). ^Uред , а в соосных редукторах передаточное число первой и второй ступеней брать равным Црред , где Uред - общее передаточное число редуктора. В трехступенчатых редукторах с цилиндрическими зубчатыми колесами разбивку общего передаточного числа редуктора по его ступени рекомендуется производить следующим образом.


Таблица 2.2

Передаточные числа различных передач

Вид передачи               Передаточное число
Зубчатая:                                    
с цилиндрическими колесами        до 6       
с коническими колесами            до 4       
Червячная                         8.40       
Цепная                            до 6       
Ременная                          до 4       

      Представим общее передаточное число трехступенчатого редуктора как произведение передаточных чисел его ступеней

Uред = U₁₂'- Uз₄'- U5б'.                    (2.6)

      На первую ступень целесообразно дать передаточное число

U12' = (1,20...1,25)-i/U^ .                    (2.7)

      На вторую ступень

U34' = (1,20...1,25)-з U^ .                    (2.8)
                                             V U12

      Тогда передаточное число третьей ступени U ₅₆ найдется из формулы (2.6).


11

     В коническо-цилиндрических редукторах общее передаточное число Uред редуктора следует разбивать по ступеням так, чтобы передаточное число U₁₂ конической ступени было бы не больше Juред и не больше 4.


Таблица 2.3

Номинальное значение передаточных чисел цилиндрических зубчатых редукторов общего назначения

1-й ряд 1,0 1,25 1,6 2,0  2,5 3,15 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0 12,5
2-й ряд 1,4 1,4  1,8 2,24 2,8 3,55 4,5 5,6 7,1 9,0 11,2  -  

      Пример расчета. Выбрать электродвигатель, определить общее передаточное число, разбить его по ступеням привода, содержащего клиноременную передачу, соосный двухпоточный цилиндрический редуктор и цепную передачу в последней ступени, если передаваемая эффективная мощность на валу приводимой в движение машины равна Рэф = 11 кВт, а частота вращения этого вала n т = 12 мин⁻¹.
      Решение по формуле (2.2), где 74 - КПД ременной передачи; рред - КПД редуктора; 75 - КПД цепной передачи.
      Муфт в данной схеме нет, а КПД подшипников и КПД 7рМ войдут в выражение 7ред. Редуктор в этом приводе выполнен по схеме с разветвленным потоком мощности. КПД нужно определять по формуле (2.3), которая в данном случае запишется так:

P1 ■ 7 + P2 ■ 7 ⁷ред.    р , р     ' ⁷рм .
р1 ⁺ р2

      Считая, что мощность делится по потокам поровну, т. е. Р1 = Р 2 и КПД потоков равны, т. е. 7 = 7¹¹ , из формулы (2.1) получим 7ред = 7*-7рМ. Для КПД одного потока 7¹ по формуле (2.2) получим: 7¹ = 72 ■ 7П.
      В соответствии с рекомендациями табл. 2.1 принимаем 71 = 0,97; для КПД одной пары подшипников принимаем ip = 0,995. Тогда 7 = 0,97² ■ 0,995³ = 0,93. Полагая, что смазка редуктора будет осуществляться маслом типа автол, принимаем 7рм = 0,98.
      Теперь найдем КПД редуктора 7ред. = 0,93^0,98 = 0,911.


12