0057 / Dmitrieva_Detali_mashin_i_osnovy_konstruirovania_Kratkiy_kurs_Primery_raschetov
.pdf
151
Глава 12
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ РЕДУКТОРОВ
НА СТАДИИ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рассмотренные выше кинематический и силовой расчет привода, расчеты закрытых передач относят к расчетной части эскизного проекта (ГОСТ 2.119–73), где определяются межосевые расстояния, размеры зубчатых колес и червяков. В результате становится возможным приступить к выполнению графической части проекта, в которой устанавливаются: расположение деталей передач, расстояния между ними, ориентировочные диаметры ступеней входного (быстроходного) и выходного (тихоходного) валов, типы подшипников и схемы их установки. После чего выполняются проверочные расчеты валов и делается заключение о пригодности стандартных подшипников качения.
12.1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ РЕДУКТОРОВ
Конструирование валов
Расчет вала совмещают с его конструированием и проводят в несколько этапов: приближенное определение исходного диаметра вала; конструирование вала; уточненный расчет вала.
На этапе приближенного определения исходного диаметра вала известен лишь крутящий момент, численно равный передаваемому на вал вращающему моменту, определенному при силовом и кинетическом расчете привода. Учитывая это, при выполнении прочностных расчетов условное обозначение крутящего момента принимаем совпадающим с обозначением вращающего момента – T.
Рассматриваемый этап расчета вала выполняют для определения диаметров его выходного конца, посадочных поверхностей под ступицу колеса и подшипники. При этом диаметр d выходного конца вала рассчитывают из условия прочности на кручение:
152 Глава 12. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕДУКТОРОВ
d ≥ 3 16 103T , мм,
π[τ]к
где T – крутящий момент, Н; [τ]к – допускаемое напряжение при кручении, [τ]к = 10...20 МПа. При этом меньшее значение [τ]к – для быстроходных валов, бóльшее – для тихоходных.
Полученный по формуле диаметр относят к наименьшему сечению вала на участке, передающем вращающий момент: для быстроходных и тихоходных валов это место посадки на консолях полумуфт, шкивов, звездочек.
Если рассматриваемый выходной конец вала соединяется с валом электродвигателя муфтой, то полученное значение d корректируют по условию
d = (0,8...1,1) dэ ,
где dэ – диаметр вала электродвигателя.
Выходные концы валов могут быть цилиндрическими и коническими. Стандарт устанавливает размеры концов валов (табл. Б1 и Б2 Приложения Б).
Конические концы валов применят преимущественно для сменных деталей и конструкций, подлежащих частой разборке.
По выбранному стандартному значению d (см. табл. Б3 Приложения Б) назначают остальные посадочные диаметры вала. Затем определяют расстояния между деталями, подшипниками и проводят конструирование быстроходного и тихоходного валов.
Для облегчения монтажа подшипников, колес, шкивов, звездочек и других деталей, а также по причине технологических соображений (разные шероховатость, точность и вид механической обработки) применяют ступенчатую конструкцию вала.
Диаметры вала dп под подшипники и dк под зубчатое колесо (или шестерню) определяют по формулам, приведенным на рис. 12.1 и 12.2. Размеры tцил, tкон даны в табл. Б4 Приложения Б. Диаметры dп выбирают из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников качения, при этом учитывается тип подшипников в зависимости от типа передач, а диаметры dк – из стандартного ряда нормальных размеров (см. табл. Б3 Приложения Б).
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ РЕДУКТОРОВ 153
Рис. 12.1. Быстроходный вал (вал-шестерня)
Точный размер фаски подшипника качения принимают из ГОСТа на подшипники, приближенный размер фаски – в зависимости от диаметра d по табл. Б4 Приложения Б.
Зубчатые колеса с соотношением da < 2 выполняют вместе с dk
валом, получая конструкцию в виде вала-шестерни (в одноступенчатом редукторе это относится только к быстроходному валу). Вал-шестерня может выполняться по одному из вариантов, рассмотренных в работе [4].
Червяки обычно выполняют стальными и за одно целое с валом (получая конструкцию в виде вала-червяка), при этом желательно, чтобы диаметр вала перед нарезной частью удовлетворял свободному выходу инструмента при нарезании червяка.
154 Глава 12. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕДУКТОРОВ
Рис. 12.2. Тихоходный вал
Расстояние между подшипниками на валах червячного редуктора определяется согласно рекомендациям, изложенным ниже; окончательное расстояние устанавливают при конструировании редуктора.
Величину зазора a между вращающейся деталью и внутренней поверхностью стенки редуктора определяют по зависимости:
a = 3 L + 4 , мм, где L – наибольшее расстояние, измеренное в диаметральном направлении между наружными поверхностями цилиндрических зубчатых колес или червячного колеса и червяка, мм;
L = aw + da1 + da2 – для одноступенчатого редуктора с цилиндри-
2 2
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ РЕДУКТОРОВ 155
ческими зубчатыми колесами; L = aw + da1 + ddм2 – для редукто-
2 2
ра с червячной передачей.
При известной длине ступицы колеса, если она выступает по обе стороны колеса и ее длина больше ширины шестерни bw1, при-
нимают L1 = lст2 + 2a. Если lст2 ≤ bw1, то L1 = bw1 + 2a.
При проектировании тихоходного вала необходимо определиться с типом соединения вал-ступица для передачи вращающего момента. Если в качестве такого будет принято шпоночное соединение, то величину lст2 необходимо определить согласно рекомендациям (табл. 12.1 и 12.2) и согласовать с длиной шпонки l из условия lст2 = l + (6...10) мм. Если для передачи вращающего момента между валом и ступицей колеса будет выбрано соединение с натягом, то lст2 = l, где l – длина соединения с натягом, задаваемая при расчете соединения ([4], с. 88).
Конструирование цилиндрических зубчатых колес
Цилиндрические зубчатые колеса простейшей формы (см. рис. 12.3) выполняются малых диаметров (da < 150 мм) и используются в единичном и мелкосерийном производстве. При небольших диаметрах колес их изготовляют из прутка, а при больших – заготовки получают свободной ковкой с последующей токарной обработкой. На торцовых поверхностях таких колес выполняются выточки в целях уменьшения точной обработки резанием. При da < 80 мм эти выточки, как правило, не делают. Колеса выполняют плоской формы или с выступающей в одну сторону ступицей. В одноступенчатых редукторах допускаются конструкции колес, ступицы которых выступают в обе стороны.
При серийном производстве заготовки колес получают из прутка свободной ковкой, а также ковкой в штампах. При годовом объеме выпуска более 50 шт. экономически выгодна ковка в простейших односторонних подкладных штампах.
При больших диаметрах (150 мм ≤ da ≤ 500 мм) колеса выполняются ковкой или штамповкой (рис. 12.4); в табл. 12.1 приведены рекомендуемые размеры их основных конструктивных элементов.
Штампованные конструкции отличаются от кованых наличием уклонов под углом γ, необходимых для свободного удаления коле-
156 Глава 12. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕДУКТОРОВ
са-заготовки из штампа. Диск между ободом и ступицей колеса размещают посередине зубчатого венца, чтобы уменьшить влияние деформаций от коробления в процессе термообработки колеса.
а) |
б) |
Рис. 12.3. Цилиндрические зубчатые кованые колеса при da < 150 мм:
а – плоские; б – с выступающей ступицей
а) |
б) |
Рис. 12.4. Цилиндрические зубчатые колеса при 150 мм ≤ da ≤ 500 мм:
а – штампованные; б – кованые
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ РЕДУКТОРОВ 157
12.1. Размеры конструктивных элементов цилиндрических зубчатых колес с внешним зацеплением
Размеры конструктивного элемента |
Расчетные значения |
|
|
Толщина обода δ0 |
(2,5...3,0)m |
|
|
Толщина диска lc |
(0,2...0,3)bw |
|
|
Диаметр ступицы dст |
(1,6...1,7)dk |
|
|
Длина ступицы lст |
(0,8...1,5)dk |
|
|
Угол штамповочного уклона γ |
7° |
|
|
Радиус закругления R |
Не менее 5 мм |
|
|
Диаметр отверстия d0 |
15...25 мм |
|
|
Диаметр окружности расположения |
0,5(Dв + dcт) |
центров отверстий D0 |
|
Размеры фаски n на зубчатом венце принимают в зависимости от модуля m – n = 0,5m.
Конструирование червяков и червячных колес
На рис. 12.5 приведены возможные конструкции червяков. Червяки обычно выполняют в виде цельных конструкций, причем
диаметр впадин витков червяка df 1 должен быть больше диаметра расположенной рядом шейки (d0), что необходимо для выхода инструмента при нарезании червяка (рис. 12.5, а). Если выше указанное условие выполнить затруднительно, предусматривают проточки для выхода инструмента с диаметром d0 ≤ df 1 (рис. 12.5, б). Однако это приводит к уменьшению прочности и жесткости вала.
В целях упрощения снятия заусенцев на заходных частях нарезной части червяка выполняют фаски под углом ϕ = 15...30°.
На рис. 12.6. приведены конструкции червячных колес. В малогабаритных редукторах с межосевым расстоянием dw ≤ 40 мм применяют бронзовые или латунные цельные сплошные конструкции. При dw ≥ 40 мм червячные колеса изготовляют в виде составных конструкций, соединяя бронзовый зубчатый венец с чу-
158 Глава 12. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕДУКТОРОВ
Рис. 12.5. Конструкции червяков:
а – без проточек; б – с проточкой диаметром d0
гунным или стальным центром колеса запрессовкой, заформовкой и резьбовыми деталями.
При единичном и мелкосерийном производстве (годовой объем выпуска меньше 50 шт.) и небольших размерах колес (dам2 ≤ 400 мм) зубчатые венцы соединяют с центром посадкой с натягом (рис. 12.6, а). При постоянном направлении вращения колеса на наружной поверхности центра предусматривают буртик, на который направляют осевую силу.
Для предохранения от осевого смещения, возможного вследствие уменьшения натяга из-за разного линейного расширения материалов, венец дополнительно закрепляют винтами. После сборки
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ РЕДУКТОРОВ 159
Рис. 12.6. Конструкции составных червячных колес, образованных соединением зубчатого венца с центром:
а– посадкой с натягом; б – болтами, поставленными без зазора;
в– заформовкой (наплавленный венец)
выступающие головки винтов срезают. Необходимое число винтов (z) определяют из условия прочности на смятие бронзы при заданном крутящем моменте на колесе T2:
z ≥ |
4T2 |
, |
|
dblD0 [σ]ст
где [σ]cт = 0,3σт – допускаемое напряжение смятия для бронзы. При размерах колес dам2 ≥ 400 мм крепление венца к центру
осуществляют болтами, установленными без зазора (рис. 12.6, б). При серийном производстве (годовой объем выпуска больше
100 шт.) экономически выгоднее применять наплавленный венец (рис. 12.6, в). Подробно о червячных колесах с наплавленным венцом в источнике [4].
В табл. 12.2 приведены размеры конструктивных элементов колес. Используемая для определения некоторых из них величина m (модуля) определена в подглаве 9.2.
160Глава 12. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕДУКТОРОВ
12.2.Размеры конструктивных элементов червячных колес
Размеры конструктивного элемента |
Расчетные значения |
|
|
Диаметр ступицы dcт |
(1,6...1,8)dk |
Длина ступицы lст2 |
(1,0...1,8)dk |
|
|
Толщина диска С |
(0,2...0,3)b2 |
|
|
Толщина обода венца S |
≈ 2,5m |
|
|
Толщина буртика h |
0,15b2 |
|
|
Высота буртика t |
0,8h |
|
|
Толщина обода центра S0 |
(1,2...1,3)S |
|
|
Диаметр d |
≈ (0,4...0,5)b2 |
|
|
Фаска f |
0,5m |
|
|
В процессе эскизного проектирования червячного колеса необходимо определиться с типом соединения вал-ступица, в зависимости от чего уточнить величину lст2.
Выбор типа и размеров подшипников качения
При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из числа стандартных. Прежде чем приступить к подбору подшипников, необходимо определить его тип в зависимости от вида передач и конструктивных особенностей их составных элементов. В табл. 12.3 приведены рекомендации по выбору подшипников качения в качестве опор валов отдельных передач.
При выборе типа подшипника в первую очередь принимают во внимание значение и направление нагрузки на опоре, размеры посадочных мест вала и корпуса, жесткость подшипника, способ смазывания, удобство сборки и разборки и, наконец, его стоимость. Прежде всего целесообразно рассмотреть возможность применения радиальных однорядных подшипников, как наиболее простых по конструкции и дешевых. При действии на опору радиальной Fr и значительной осевой Fa сил (Fa > 0,25Fr) выбирают ра- диально-упорные шариковые и роликовые конические подшипники (см. табл. Б5 Приложения Б). Широкое применение конических