2 Эскизное проектирование

Каждому студенту выдается бланк с индивидуальным заданием, например, «Привод транспортера», «Привод насоса», «Привод конвейера» и т.п. В состав привода входят: электродвигатель, муфта, редуктор, открытая зубчатая передача, рама. Может быть вариант с клиноременной передачей от двигателя к редуктору, далее редуктор и рама или вариант с цепной передачей после редуктора.

Предложена схема редуктора, на которой показаны типы и ступени зубчатых передач. Даны параметры выходного звена: окружная сила, окружная скорость, диаметр звездочки или колеса. В других вариантах заданий задана мощность электродвигателя, частота вращения его вала и частота вращения выходного звена. Нагрузка может быть постоянной или переменной в виде циклограммы. Срок службы обычно принимается по ресурсу проектируемого устройства (10000…15000 часов работы).

В краткой форме изложим последовательность этапов проектирования.

2.1 Кинематический расчет привода

При заданных параметрах выходного звена (окружная сила и скорость барабана, звездочки или колеса, диаметр звездочки или колеса) определяется номинальная мощность (кВт) на приводной звездочке (барабане) по формуле [7]:

, (2.1)

где F – окружная сила, Н;

v – окружная скорость звездочки, м/с.

Требуемая мощность электродвигателя определится с учетом потерь в передаточных механизмах от приводного звена к двигателю и будет равна:

, (2.2)

где η_о – общий коэффициент полезного действия привода (КПД).

Общий коэффициент полезного действия определяется произведением отдельных КПД ступеней передач, т.е.

η_о= η₁ η₂ η₃ η₄,

где η₁ – КПД одной закрытой цилиндрической зубчатой передачи (если будет две или три передачи, то необходимо η₁ возводить в квадрат или в куб);

η₂ – КПД открытой цилиндрической зубчатой передачи или открытой конической зубчатой передачи, или ременной, цепной передач;

η₃ – КПД одной пары подшипников качения (возводить в степень по числу пар подшипников);

η₄ – КПД червячной передачи (ориентировочно принимается по числу заходов червяка).

Значения КПД для различных типов передач и подшипников приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения КПД для практических расчетов

Тип передачи и подшипников	КПД
	для закрытой передачи	для открытой передачи
Цилиндрическая зубчатая передача	0,96…0,98	0,93…0,95
Коническая зубчатая передача	0,95…0,97	0,92…0,94
Цепная передача	0,95...0,97	0,90…0,93
Фрикционная передача	0,90…0,96	0,70…0,88
Ременная передача	–	0,95…0,96
Червячная передача при числе заходов червяка: z1=1 z1=2 z1=4	0,70…0,75 0,75…0,80 0,85…0,90	0,50…0,60 0,60…0,70 –
Одна пара подшипников качения	0,99…0,995
Одна пара подшипников скольжения	0,98…0,99

Затем подбирается электродвигатель мощностью равной или несколько больше расчетной (приложение, таблица А3). Для приводных устройств используют трехфазные асинхронные двигатели различных типов, желательно выбрать три или четыре типа двигателей с разной синхронной частотой вращения вала (3000, 1500, 1000, 750, 600 мин.^-1).

Определяется частота (мин^-1) вращения ведомого вала привода по формуле [2]:

^, (2.3)

где v – окружная скорость звездочки (колеса), м/с;

D_зв – диаметр звездочки (колеса), м.

Поскольку теперь известны частоты вращения вала электродвигателя и выходного вала, определяется передаточное отношение привода для каждого типа электродвигателя по формуле:

^. (2.4)

Далее общее передаточное отношение разбивается по ступеням различных передач, входящих в привод. При разбивке пользуются рекомендациями таблицы 2, необходимо по возможности обеспечить минимальные размеры передач и в целом – редуктора.

Какой выбрать электродвигатель из возможных вариантов (их три или четыре)?

В таблице 2 рекомендуемых значений передаточных отношений для отдельных передач приведены их минимальные и максимальные значения. Определяются общие значения при минимальных и максимальных передаточных отношениях (чисел) для заданных ступеней передач [12].

Таблица 2 – Рекомендуемые значения передаточных отношений передач

Тип передачи	Рекомендуемое передаточное отношение
	среднее	наибольшее
Закрытая цилиндрическая зубчатая передача	3…6	10
Открытая зубчатая передача	3…7	6
Закрытая коническая зубчатая передача	2…3	6
Плоскоременная передача	2…5	6
Плоскоременная передача с натяжным роликом	2…6	8
Цепная передача	2…6	8
Клиноременная передача	2…5	7
Закрытая червячная передача	10…40	80
Открытая червячная передача	10…60	120

Для обеспечения заданной частоты вращения ведомого звена, полученное значение передаточного отношения привода должно удовлетворять неравенству

u_{min o} ≤ u_о ≤ u_{max o}, (2.5)

где u_{min o} и u_{max o} – наименьшее и наибольшее общее передаточное отно-шение для заданной схемы привода, подсчитанные по наименьшим и наибольшим рекомендуемым значениям передаточных отношений передач;

u_о – необходимое передаточное отношение привода, зависящее от выбранного типоразмера электродвигателя.

Если неравенство удовлетворяется для нескольких типоразмеров электродвигателей, то для общего машиностроения при мощности электродвигателей N≤15 кВт рекомендуется выбирать электродвигатель с синхронной частотой вращения n=1500 мин^-1.

Если задана открытая передача на выходе, то сначала назначают передаточное отношение u_в этой передачи, руководствуясь рекомендациями таблицы 2 или других справочников, затем определяют передаточное отношение редуктора как

^. (2.6)

Далее необходимо провести разбивку передаточного отношения редуктора по ступеням, поскольку от этого зависят рациональность конструкции корпуса и удобство компоновки деталей передач, условия смазки и габариты.

Часть рекомендаций по разбивке передаточных отношений двухступенчатых редукторов (в курсовом проекте в большей части разрабатываются именно такие редукторы) между их ступенями приведена в таблице 3.

После распределения общего передаточного отношения по ступеням определяются частоты вращения всех валов привода и крутящие моменты на каждом валу. Моменты следует определять с учетом потерь мощности в передачах и подшипниках.

Частоты вращения валов редуктора определяются по значениям передаточных отношений типов и ступеней передач делением частоты вращения вала предыдущего на передаточное отношение данной ступени, если определять со стороны двигателя, по типу

n₂ =n₁/ u_1-2, (2.7)

где n₁ – частота вращения первого вала (например, вала электродвигателя), мин.^-1;

u_1-2 – передаточное отношение первой ступени (от первого вала до второго).

Таблица 3 – Рекомендации по разбивке ступеней редуктора

Тип редуктора	Распределение по ступеням
Цилиндрический редуктор по развернутой схеме Двухступенчатый соосный редуктор Цилиндрический редуктор с раздвоенной быстроходной ступенью
Коническо-цилиндрический редуктор	и
Червячно-зубчатый редуктор	uзуб=2,0…2,5; uчер= uред/ uзуб
Зубчато-червячный редуктор	uзуб=2,0…2,5; uчер= uред/ uзуб

Таким образом, последовательно по ступеням определяют частоты вращения всех валов, включая и частоту вращения выходного вала привода (открытой передачи, звездочки, барабана и т.д.).

При этом разница между полученным и заданным значениями частоты вращения выходного вала привода не должна превышать 3%.

Можно определять частоты вращения валов и с частоты вращения выходного вала привода. Тогда частота вращения n_р выходного вала редуктора определится произведением частоты вращения n_вых выходного вала привода и передаточного отношения u_отк открытой передачи

n_р= n_вых u_отк. (2.8)

Частота вращения промежуточного вала, соответственно, равна произведению частоты вращения n_р выходного вала редуктора и передаточного отношения u_т тихоходной ступени редуктора, т.е.

n_пр= n_р u_т. (2.9)

Частота вращения быстроходного вала редуктора определится по аналогии, т.е.

n_б= n_пр u_б.

Найденная частота вращения n_б будет равна частоте вращения вала электродвигателя и по этой частоте можно подбирать электродвигатель, имеющий ближайшую к n_б асинхронную частоту вращения его вала.

Значение крутящих моментов начинают определять с выходного вала привода, но можно и с вала электродвигателя (только при условии равенства расчетной и выбранной мощности электродвигателя).

Так, крутящий момент (Т_вых, Н∙мм) на выходном валу привода равен [11]

Т_вых=0,5 F_t·D_зв/η_п, (2.10)

где F_t – окружное усилие на звездочке (колесе), Н;

D_зв – диаметр звездочки (колеса), мм;

η_п – КПД подшипниковой пары вала.

Крутящий момент Т_р на выходном валу редуктора определится

Т_р= Т_вых/ U_откη_отк η_п, (2.11)

где U_отк – передаточное отношение открытой передачи;

η_отк – КПД открытой зубчатой передачи;

η_п – КПД подшипниковой пары выходного вала.

Таким же образом определяются крутящие моменты следующих валов.

Можно определять крутящие моменты, начиная с вала электродвигателя, при условии равенства расчетной мощности и мощности выбранного электродвигателя (при мощности электродвигателя больше или меньше расчетной начинать определять моменты от двигателя нельзя).

Крутящий момент (Н∙м) на валу электродвигателя определится, исходя из формулы мощности, т.е.

^, (2.12)

где N – мощность электродвигателя, кВт;

ω – угловая скорость вала электродвигателя, рад/с.

Можно определять крутящий момент (Н∙м) на валу электродвигателя через частоту вращения вала по формуле:

^, (2.13)

где N – мощность электродвигателя, кВт;

n_э – частота вращения вала электродвигателя, мин^-1.

При соединении муфтой вала электродвигателя с быстроходным валом редуктора, крутящий момент (Н∙м) на быстроходном валу определится произведением крутящего момента Т_э на КПД (η_м) муфты, т.е.

Т_б= Т_э η_м .

Крутящий момент (Н∙м) на промежуточном валу редуктора равен [16]

Т_пр= Т_б u_б η_зп η_пп, (2.14)

где u_б – передаточное отношение (число) быстроходной передачи;

η_зп – КПД зубчатой передачи;

η_пп – КПД подшипниковых опор.

Крутящий момент (Н∙м) на тихоходном (выходном) валу редуктора определяется по аналогии с предыдущим

Т_т= Т_пр u_т η_зп η_пп, (2.15)

где Т_пр – крутящий момент на промежуточном валу, Н∙м;

u_т – передаточное отношение (число) тихоходной передачи;

η_зп – КПД тихоходной зубчатой передачи;

η_пп – КПД подшипниковых опор.

И если с выходным валом редуктора соединена открытая передача (зубчатая, цепная), то крутящий момент Т_в (Н∙м) на выходном валу привода будет равен

Т_в= Т_т u_оп η_зп η_пп, (2.16)

где u_оп – передаточное отношение открытой передачи;

η_зп – КПД открытой передачи;

η_пп – КПД подшипниковых опор.

Итак, в результате первого этапа расчета определяются передаточные отношения ступеней, крутящие моменты и частоты вращения на каждом валу передачи, которые необходимо свести в таблицу для удобства пользования, поскольку эти данные будут необходимы для последующего расчета.

Номер вала	Частота вращения вала, мин.-1	Моменты на валах, Н∙м	Моменты на валах, Н∙мм