Методички / Пособия ОКМ / Метод. материалы по конструированию узлов механ. приводов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

—————————————

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

——————————————————————————————

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ УЗЛОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ

Методическое пособие по курсам «Детали машин и основы конструирования»,

«Прикладная механика», «Механика»

для студентов, обучающихся по направлениям «Энергетическое машиностроение»,

«Теплоэнергетика и теплотехника», «Техническая физика», «Электроэнергетика и электротехника»

Москва Издательство МЭИ

2015

1

УДК 621.8

М 54

Утверждено учебным управлением МЭИ Подготовлено на кафедре основ конструирования машин

Рецензент: доктор технических наук, профессор В.П. Николаев

Авторы: Е.В. Мышенкова, А.С. Степанов, К.Г. Гаджиев, В.Н. Александровский, А.Г. Фролов, Е.П. Кудрявцев

М 54 Методические материалы по конструированию узлов механических приводов: методическое пособие / Е.В. Мышенкова, А.С. Степанов, К.Г. Гаджиев [и др.] — М.: Издательство МЭИ,

2015. — 48 с.

В пособии содержатся сведения, необходимые для проектирования и конструирования валов, подшипниковых узлов, редукторов. Приведены расчетные формулы и справочные материалы, необходимые для выполнения проектировочных и проверочных расчетов узлов механических приводов. Даны рекомендации для назначения допусков и посадок в сопряженных узлах звеньев приводов.

Методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Энергомашиностроение», «Теплоэнергетика», «Техническая физика», «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

———————

Учебное издание

Мышенкова Елена Витальевна, Степанов Александр Сергеевич, Гаджиев Камиль Гаджиевич и др.

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ УЗЛОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ

Методическое пособие по курсам «Детали машин и основы конструирования»,

«Прикладная механика», «Механика» Редактор издательства Хрущева Н.А.

———————————————————————————————————

______________________________________________________________________

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МЭИ, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14

Отпечатано в ПЦ МЭИ, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13

© Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2015

2

1. КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ ВАЛОВ

1.1. Назначение и конструкция валов

Валы — это вращающиеся детали, предназначенные для передачи вращения вдоль своей оси и установки на них деталей конструкции. Валы нагружены крутящим моментом и изгибающими усилиями, действующими на детали.

Конструктивно валы могут быть прямыми или коленчатыми, сплошными или полыми, гладкими или ступенчатыми.

Форма вала определяется особенностями конструкции, характером и величиной нагрузок, способом закрепления на них деталей, условиями сборки и технологии изготовления.

Конечная форма придается валу обточкой из круглого проката (в единичном или мелкосерийном производстве) или поковкой с последующей механической обработкой и дополнительной шлифовкой отдельных его участков.

1.2.Элементы конструкции вала

Стехнологической точки зрения простейшей формой вала является вал постоянного диаметра (гладкий вал). Однако такая форма вала менее желательна из соображений монтажа и фиксации деталей по длине, а также не учитывает тот факт, что, как правило, нагруженность сечения увеличивается к середине пролета между опорами.

Альтернативой гладкому валу является ступенчатый вал, где указанные выше недостатки устранены. Возможный вариант ступенчатого вала представлен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Ступенчатый вал

С точки зрения технологичности вала, а в конечном счете, и стоимости длины отдельных участков должны соответствовать осевым размерам деталей, установленных на валах, а соседние диаметры должны быть достаточно близкими и соответствовать (желательно) ряду предпочтительных размеров.

Образуемый при переходе с одного диаметра на другой уступ, называемый буртиком или заплечиком, используется для осевой фиксации деталей, а плавный переход между ними называется галтелью

3

(позиция I на рис. 1.1). Галтель снижает концентрацию напряжений в месте перехода с одного диаметра на другой. Для плотного прилегания деталей к буртику радиус галтели r должен быть согласован с размером фаски f (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Галтельные переходы

Т а б л и ц а 1.1

Размеры галтельных переходов, мм

В случае использования при обработке вала шлифованных операций желательно выполнение на валу канавок для выхода шлифовального круга (место II на рис. 1.1). Формы канавок представлены на рис. 1.3, а их размеры — в табл. 1.2.

Рис. 1.3. Канавки для выхода шлифовального круга

Т а б л и ц а 1.2

Размеры канавок для выхода шлифовального круга по ГОСТ 8820—69, мм

4

При установке подшипников качения на валу (рис. 1.4) радиус галтели r выбирается с учетом плотного прилегания подшипников к буртику по табл. 1.3. Высота буртика t выбирается из условия обеспечения свободной высоты кольца подшипника h, необходимой для демонтажа подшипника съемником, по табл. 1.4.

Рис. 1.4. Уступ (заплечик) вала у подшипника качения:

а — галтель, б — канавка

Т а б л и ц а 1.3

Размеры галтельных переходов у мест посадки подшипников качения, мм

Т а б л и ц а 1.4

Минимальная свободная высота кольца подшипника качения, мм

Концы валов могут быть цилиндрическими или коническими. Первые — более технологичны, но менее удобны при монтаже муфт. Вторые — имеют противоположные качества. Конструктивные исполнения двух вариантов представлены на рис. 1.5 и 1.6, их разме-

ры — в табл. 1.5 и 1.6.

Рис. 1.5. Формы цилиндрических концов валов

5

Т а б л и ц а 1.6

Основные размеры конических концов валов по ГОСТ 12081—72, мм

Рис. 1.7. Соединения:

а — шпоночные; б — шлицевые соединения

7

1.3.Материалы валов

Всоответствии с рассмотренными условиями работы валов, материалы, применяемые для их изготовления, должны обладать достаточно высокими прочностными характеристиками, малой чувствительностью к концентрации напряжений, способностью подвергаться термической обработке, хорошей обрабатываемостью. Этим требованиям отвечают углеродистые стали 25, 40, 50 и легированные стали

35Х, 40Х, 45Х и др. (табл. 1.7).

2.ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВАЛОВ

2.1.Расчеты валов на усталостную выносливость

Основными нагрузками на валах являются передаваемый крутящий момент и силы, возникающие в установленных на них элементах передач.

Под действием этих сил, постоянных во величине и направлению, во вращающихся валах возникают знакопеременные напряжения, которые при наличии концентраторов напряжений, могут быть причиной усталостных повреждений.

8

Целью расчета в этом случае является оценка коэффициента запаса прочности n и сравнения его с нормативным значением [n]:

n > [n].

Алгоритм расчета вала состоит из следующих этапов:

определение диаметра вала из расчета на кручение;

назначение диаметров на остальных участках вала;

определение длины каждого участка вала и длины вала в целом с учетом осевых размеров деталей, установленных на валу (через выполнение эскизной компоновки);

составление расчетной схемы вала, построение эпюр моментов и нахождение опасного сечения вала;

проверка работоспособности вала по опасному сечению.

Оценка диаметра выходного конца вала выполняется по понижен-

ным напряжениям кручения (табл. 2.1):

d1 316T / π[ кр ] .

Назначение диаметров валов на других участках выполняется с учетом целесообразного количества ступеней и разумного перепада диаметров между соседними участками.

Т а б л и ц а 2.1

Допускаемые касательные напряжения при кручении вала [τкр] в зависимости от частоты вращения вала n для углеродистых сталей

Примечания: 1. Проектный расчет ведется по пониженным касательным напряжениям при кручении вала с использованием коэффициента запаса [n] = 10 ÷ 15.

2. Применима эмпирическая зависимость:

[ кр ] пред (1,25 0,25lgn) . [n]

Длину вала l между опорами определим из рис. 2.1, а: l 2l1 2l2 2l3 l4 ,

где l1 — половина ширины подшипника 3, выбранного предварительно по диаметру вала d2; l2 — расстояние между торцом подшипника 3 и внутренней стенкой корпуса 1; l3 — зазор безопасности между внутренней стенкой корпуса и торцом колеса 2; l4 — длина ступицы колеса, l4 = (0,8÷1,5)d3; при жидкой смазке подшипника можно принять l2 = 1÷2 мм.

9

Рассмотренной конструкции соответствует расчетная схема на рис. 2.1, б для построения эпюр Mx, My, Mz.

Рис. 2.1. Ступенчатый вал с деталями

Т а б л и ц а 2.2

Формулы для расчета валов на усталостную выносливость

10