книги из ГПНТБ / Ковалев Н.А. Теория механизмов и детали машин крат. курс учебник

автомобиль. Это подобно присоединению вращающегося вала через фрикционную муфту к стойке.

Тормоз преобразует в тепло всю кинетическую энергию останавли­ ваемой машины. Поэтому нагревание и теплоотвод для него имеют еще большее значение, чем для фрикционных муфт. Дисковые тормоза, устройство которых не отличается от устройства дисковых фрикцион­ ных муфт, применяют сравнительно редко. Более широко распростра­ нены барабанные колодочные тормоза с наружным (рельсовый тран­ спорт) и внутренним (автомобили) расположением колодок, которые имеют хорошо развитую поверхность охлаждения.

П р е д о х р а н и т е л ь н ы е м у ф т ы . Кроме сцепных муфт, управляемых персоналом, обслуживающим машину, находят приме­ нение автоматически размыкаемые (замыкаемые) муфты. К этой же группе относятся предохранительные и обгонные муфты. Предохра­ нительные муфты расцепляются, если передаваемый крутящий момент

достигает предельной величины, на которую отрегулирована муф­

тящий момент достигает величины момента скольжения, на который отрегулирована муфта, начинаетсяпроскальзывание и дальнейшее увеличение крутящего'момента невозможно. Заметим, что свойством автоматически предохранять вал от случайных перегрузок за счет появления буксования обладают все передачи трением (фрикционные

иременные).

Вкулачковых предохранительных муфтах специальная пружина удерживает полумуфты в зацеплении, пока окружное усилие не дости­ гнет предельной величины, последнего муфта расцепляется.

На рис. 15-26 показана предохранительная муфта со срезным штиф­ том. Момент с вала 1 передается через срезной штифт на полумуфту 2

идалее через шпонку 3 на деталь, не показанную на рисунке. Сила, срезающая штифт,

Штифт помещен в закаленные гильзы, которые предохраняют его от изгиба. Эти муфты обеспечивают наибольшую точность величины мо­ мента срабатывания. Однако для восстановления работоспособности вала после среза штифта требуется остановка всей машины.

О б г о н н ы е м у ф т ы . Обгонные муфты применяют в тех слу­ чаях, когда нужно исключить возможность изменения знака крутящего

268

момента, нагружающего присоединяемый вал. Применяемые конструк­ ции действуют по принципу самозатягивающихся фрикционных муфт (рис. 15-27, а). Если ьц становится чуть больше ю2, то тела качения (ролики) вкатываются в узкую часть клиновидного гнезда (рис. 15-27,6). При этом условия равновесия ролика определяют угол а, на который отклоняется равнодействующая поверхностных давлений от нормали. Так как этот угол выбирают при конструировании муфты меньшим угла трения р, то ролик не может выскользнуть обратно в широкую часть гнезда. Происходит самозаклинивание (самоторможение) меха­ низма и валы I и 2 при указанном направлении действия момента М г сохраняют относительную неподвижность (движутся как одно жесткое тело). Момент М хсам создает необходимую силу нормального давления ролика на обод второй полумуфты и передается на этот обод силами тре­ ния роликов. В этом и состоит принцип самозатягивания фрикцион­ ного механизма.

Если изменить знак момента УИ] на обратный, то изменится и знак силы трения. Условия равновесия ролика нарушатся и он выкатится из узкой части клиновидного гнезда, после чего сцепление полумуфт прекратится и валы будут вращаться независимо. Вэтом случае скорость сщ уменьшится сравнительно с со2. Из сказанного следует, что при ука­ занном на рис. 15-27, а направлении вращения справедливо неравен­ ство со.2 5 2 coj, т. е. второй вал может обгонять первый, но не может отставать от него. Постоянство направления крутящего момента, пере­ даваемого обгонной муфтой, непосредственно связано с этим кинемати­ ческим неравенством. Обгонная муфта, в частности, находит применение

-в устройстве велосипедной передачи, позволяя велосипедисту ехать по инерции, не вращая педали.

О б щ а я к л а с с и ф и к а ц и я м у ф т д л я с о е д и н е н и я в а л о в . В заключение этой главы для систематизации приведем краткий перечень наиболее распространенных типов муфт для соеди­

соединения валов, которые по условиям производства и сборки должны быть изготовлены отдельно, но в собранной машине должны образовать один жесткий вал. Наиболее часто применяют втулочные, продольносвертные и особенно фланцевые (поперечно-свертные) муфты.

2. Постоянно замкнутые подвижные муфты применяют для соеди­ нения несоосных и непараллельных валов, причем эта непараллель-

269

Г л а в а XVI ПРОЕКТИРОВАНИЕ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Ло сих пор предметом изучения были уже спроектированные уст­ ройства. Выполнялся анализ их работы и проверочный расчет. Можно сказать, что если курс инженерного черчения учил «видеть» машину по ее чертежу, то курс теории механизмов и деталей машин учит «по­ нимать» ее устройство и действие.

Заглянем теперь в «творческую лабораторию» проектировщика или конструктора. Процесс проектирования требует разносторонних зна­ ний, творческой фантазии и изобретательности. Он никогда не приводит к однозначным результатам, и проектировщику постоянно приходится делать выбор между различными почти равноценными решениями. Вот почему проектирование и конструирование машин хотя и опирается на точные науки, все же является скорее искусством. .

Проектирование машины или крупного ее узла начинается с выдачи технического задания, согласно которому выполняют работу, необ­ ходимую для выбора кинематической схемы, определения ее параметров и главных размеров звеньев. Для этого параллельно проводят предва­ рительное проектированиедвух или трех конкурентоспособных вариан­ тов. Путем сравнения делают обоснованный выбор того из них, кото­ рый будет принят для последующей детальной разработки. Этот этап называют эскизным проектированием. Сравнение вариантов делается по многим показателям: по надежности, экономичности, массе, габа­ ритам, ремонтопригодности и т. д. В некоторых случаях какое-либо из этих многих качеств становится особо важным. Например, для транспортных машин это масса и габариты, для стационарных—эконо­ мичность и т. п.

Выполняя эскизное проектирование, нужно предвидеть те кон­ структивные решения, которые будут приняты при рабочем проектиро­ вании. Иначе выбор варианта, сделанный при эскизном проектировании, может оказаться ошибочным.

Поясним сказанное применительно к простейшей механической машине — редуктору.

§ 2. ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕДУКТОРА

Проектирование редуктора выполняют по той же общей схеме, кото­ рая описана выше. Для каждого варианта кинематической схемы должны быть определены передаточные отношения отдельных ступеней, т. е. сделана разбивка по ступеням общего передаточного отношения

редуктора, указанного в техническом задании. Для каждой ступени должны быть определены А, В, и d2. На этой стадии диаметры валов колес можно определять ориентировочно, как 1 : 3 от межцеи-

271

трового расстояния. Эта рекомендация не относится к валам, выходной конец которых нагружен окружной силой или силой начального натя­ жения ремня или цепи, когда на этом выходном конце предусмотрена шестерня открытой зубчатой передачи, звездочка или шкив. Во всех этих случаях опасное сечение находится на середине ширины цапфы вала, опирающейся на ближайшую к выходному концу опору, и при выборе диаметра вала следует исходить из величины изгибающего и крутящего моментов в этом сечении.

Для удобства монтажа зубчатых колес, подшипников и т. п. вал следует делать ступенчатым с постепенным уменьшением диаметра от середины к концам. Руководствуясь этим, намечают диаметры цапф (шеек) вала, предназначенных для посадки внутренних колец под­ шипников. Продольные (по валу) размеры выясняют на упрощенном, но строго масштабном (лучше 1 : 1 ) чертеже редуктора-компоновке. На нем намечают положение,опор, после чего находят опорные реак­ ции и производят подбор подшипников и проверку прочности валов. Эта последняя фаза не всегда должна выполняться уже на стадии эскизного проектирования. Иногда, однако, размещение подшипников может быть связано с трудностями (например, подшипников сател­ литов, подшипников глобоидных червяков и в некоторых других слу­ чаях), и тогда их выбор и размещение уже при эскизном проектирова­ нии обязательны.

На стадии эскизного проектирования должна быть также сделана увязка с соседними узлами общей кинематической цепи, с валами, муфтами и т. п., а также с общей рамой (высота валов от основания) агрегата. Это отражается на габаритах и форме примыкающих частей, а иногда оказывает очень большое влияние на выбор самих вариантов.

При дальнейшей конструктивной разработке в процессе рабочего проектирования, кроме чисто конструктивных и технологических вопросов, следует обращать внимание на увязку сопряженных размеров разных деталей. Ошибки в этом отношении совершенно недопустимы, так как при производстве приводят к браку.

§3. ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕДУКТОРА

Те х н и ч е с к о е з а д а н и е . Спроектировать редуктор с гори­

зонтальным выходным валом и передаточным отношением і = 1 0 к электродвигателю мощностью 4,5 кет с числом оборотов 730 в мину­ ту, имеющему корпус фланцевого типа; нагрузка постоянная, срок службы неограничен. Электродвигатель с редуктором соединены посто­ янно и образуют мотор-редуктор. Предусмотреть возможность его использования при изменении направления вращения. Корпус редук­ тора должен служить опорой для электродвигателя, а сам должен иметь горизонтальную опорную плоскость. Мотор-редуктор предназна­ чается для агрегатов, выпускаемых серийно. Эти агрегаты имеют правое и левое исполнение (левое — зеркальное отражение правого), поэтому мотор-редуктор должен быть симметричным относительно продольной вертикальной плоскости. Зубошлифовальным оборудова­

272.

нием завод не располагает. Имеются термический, литейный и кузнеч­ ный цехи. Выходной вал редуктора будет присоединен к соосному с ним валу рабочей машины с помощью муфты или зубчатого (шлицевого) соединения. Диаметр этого соосного вала будет запроектирован одинаковым с диаметром выходного вала редуктора.

Э с к и з н о е п р о е к т и р о в а н и е . При эскизной прора­ ботке прежде всего необходимо решить следующие вопросы:

1.Сочленять ли вал двигателя с быстроходным валом редуктора

спомощью переходной муфты или использовать вал двигателя непо­ средственно в качестве быстроходного вала редуктора?

р е д у к т о р . Если редуктор соединяется с двигателем муфтой, то размеры колес определяются только нагрузочной способностью боковых поверхностей зубьев. Так как зубошлифовальных станков завод не имеет и нет особых требований к уменьшению габаритов, то следует ограничиться улучшением заготовок. Выберем для шестерни сталь 40Х, улучшенную до твердости НВ 257 ч- 285, а для колеса сталь 35, улучшенную до твердости НВ 207 -ь 236 и примем для расчета ради надежности меньшие значения допускаемых коэффициентов контакт­ ных напряжений:

При установке валов редуктора в автономном корпусе ничто не ме­ шает предусматривать шевронные колеса. Тогда расчетный коэф­ фициент контактных напряжений будет равен

[Ск] = 0,5 ([Скф + [Ск]2) = 0,5 (1,57 + 1,07) = 1,32 М н/м\

Момент на быстроходном валу

Так как опоры расположены симметрично, нагрузка постоянна и окружная скорость мала, можно принять сравнительно малую вели­ чину коэффициента нагрузки К . Положим К = КпѵКд = 1,1.

При симметричном положении опор и шевронных колесах можно пойти на большую величину коэффициента ширины зуба. Примем Фа = 2 ,2 , тогда

273

т. е.

•60

i- S il^ M T Ü - n r “ ^ 40'10'1“ 0’0342 л = 34-2 d2 = id1 = 10-34,2 = 342 ММ;

Осевые размеры корпуса редуктора определяются шириной колес, шириной колец подшипников и длиной ступицы соединительной муфты. Для выходного вала электродвигателя диаметром 45 мм подходит муфта упругая втулочно-пальцевая для электродвигателей единой се­ рии, имеющая наружный диаметр 160 мм и длину в собранном виде тоже 160 мм. Эта муфта допускает соединение вала диаметром 45 мм свалами диаметром 40, 45 или 50лш.

Так как наружный диаметр ше­ стерни будет около 34, 2 + 2 m — = 35 -і- 38 мм, то отверстие внутрен­ него кольца подшипника не должно быть меньше 40 мм, иначе оно не сможет быть надето на внутреннюю шейку ни с одного, ни с другого конца вала. Чтобы неделать второго разъема корпуса, удобно предусмат­ ривать монтаж быстроходного вала

Нагрузка распределяется по обеим опорам поровну. Поэтому на каждый подшипник приходится

Если даже принять коэффициент безопасности равным 2, то приведен­ ная нагрузка Q = K&QR = 2 -190 = 380 кгс. Тогда

(л/г) 0 ' 3 = -щу- = 132.

Этому значению при п = 730 об/мин соответствует гарантирован­ ный срок службы h = 20 000 ч. Таким образом, подшипники недоис­ пользованы и диаметр их определяется конструктивными соображе­ ниями.

Теперь можно набросать габаритный эскиз первого варианта (рис. 16-1). Быстроходный вал может быть установлен-на место через отверстия для подшипников, а для монтажа тихоходного вала следует

274

предусмотреть горизонтальный разъем корпуса. Для выхода инстру­ мента, нарезающего шевронные зубья, необходима широкая проточка между полушевронами. Поэтому должна быть увеличена длина средней части вала и, следовательно, расстояние между опорами (т. е; осевой размер редуктора), а это ведет к возрастанию деформации быстро­ ходного вала, коэффициента неравномерности Кпр и напряжения из­ гиба в теле вала. Таким образом, те преимущества, которые проистекают от свободного выбора параметров зацепления, в некоторой мере обес­ цениваются плохой увязкой оптимального размера вала редуктора с валом электродвигателя.

Очевидным недостатком этого варианта является наличие громозд­ кого литого корпуса с большой плоскостью разъема. Наличие муфты потребовало увеличения осевого размера отливки. Объем под корпусом

редуктора следует рассмотреть вариант, в котором шестерня монти­ руется непосредственно на выходном валу .электродвигателя. При этом наименьший диаметр шестерни определяется диаметром выходного вала, равным 45 мм. Принимая во внимание ослабление сечения ше­

что много больше, чем в первом варианте.

При консольном расположении шестерни следует принять большее значение для коэффициента нагрузки; положим К = 1,2. Кроме того, следует уменьшить г|+; примем ч|+ = 0,9. Если же отказаться от горизонтального разъема корпуса редуктора и перейти к монтажу через торцовую крышку, то шевронные колеса не могут быть установлены на место. Поскольку неизвестен тип подшипников электродвигателя, рискованно применять косозубую передачу с неуравновешенной осе­ вой нагрузкой. Поэтому, учитывая также невысокую окружную ско­ рость колес в этом варианте, следует предпочесть прямозубые колеса. Тогда расчетное

1Ск] = 1Ск]а=1,07 Мн.

Проверим теперь, не потребуется ли дальнейшего увеличения диаметра шестерни по условиям прочности боковых поверхностей зубьев. Имеем

275

т. е. меньше конструктивно необходимого с/, = 80 мм. При этом

В = 'v|i(?d1 = 0,9 • 5,5 «а 5,0 см.

Эскиз этого варианта представлен на рис. 16-2. Этот вариант приводит к большому недоиспользованию нагрузочной способности зубчатой передачи; не удается также уменьшить размеры корпуса редуктора, так как если и возможно сократить его продольные раз­ меры, то это достигается за счет не­

276

Так как мы вынуждены брать dlE = 80 мм, то первая ступень как и следовало ожидать, будет значительно недоиспользована.

Для тихоходной ступени имеем М1т= ібМіб = 2,5 -60= 150 н-м.

Так как опоры для тихоходной ступени расположены симметрично, то можно принять коэффициент нагрузки К — 1 ,1 , и коэффициент

Вт— rdiт— 1,5'64 ” 96 мм.

- Из двух возможных вариантов расположения ступеней, представ­ ленных на рис. 16-3 и 16-4, при первом получается больший осевой

а Ь

размер, так как подшипники располагаются между колесами первой

ивторой ступени. Кроме того, нужно иметь двойной поперечный разъем

ааи bb.

При втором варианте расположения увеличивается высота редук­ тора. В этом случае или должны быть два горизонтальных разъема (аа и bb), или увеличенный поперечный размер, иначе крышка не будет иметь удобного в технологическом отношении и надежного при эксплу­ атации направляющего цилиндрического выступа С.

В случае установки во второй ступени косозубой передачи (шеврон­ ная потребовала бы горизонтального разъема корпуса, что возможно для варианта, представленного на рис. 16-4, но осевая сборка, пре­ дусмотренная на рис. 16-3, была бы неосуществима) возможно даль-

277