Методички / Конструирование деталей машин

Для рассмотренного примера результаты вычислений высоты бурта сведены

в табл. 7.

Таблица 7. Результаты вычислений, мм

По данным табл. 7, отношение damax / d = 40 / 35 = 1,15 для подшипника 207 и 42 / 35 = 1,2 для подшипника 307. Таким образом, при постановке подшипника

207 следует ограничиться притуплением торца головки, а при подшипнике 307

принять фаску размером меньше рекомендуемого табл. 6.

Все переходные сечения является концентраторами напряжений. Для сни-

жения концентрации напряжений переход ступеней снабжают радиусной гал-

телью (рис. 16, поз. 6), размер которой, так же как и фаски, выбирают в зависи-

мости от диаметра (табл. 6).

При назначении высоты бурта t шейки (рис. 16) необходимо учитывать, что на хвостовике расположена ступица полумуфты или шкива с внутренней фас-

кой с, которая должна быть больше радиуса галтели rг; для ступицы необходим упор размером больше 1 мм, а шейка для облегчения посадки подшипника должна иметь наружную фаску с. Детальное изображение данного элемента на примере подшипника показано на рис. 10.

Кольцевые подточки (рис. 16, поз. 9) для выхода шлифовального круга устраняют необходимость применения фасонных шлифовальных кругов для обработки галтели, но снижают усталостную прочность валов из-за концен-

трации напряжений. Их применяют на валах с большим запасом прочности,

например, на быстроходных валах редукторов, диаметры которых увеличены для вписывания в 20%-ную разность диаметров хвостовиков валов двигателя и редуктора. Вариант I (рис. 17, а) с конусным переходом предпочтительнее ва-

рианта II с цилиндрическим переходом (рис. 17, б). Размеры канавок приведены в пособии [11].

Рис. 17. Кольцевые подточки

При несогласованной высоте упорного бурта и колец подшипников рекомен-

дуется ставить дистанционные кольца специальной формы (рис. 15; рис. 16, поз. 10) или втулки. Удачно решает задачу съёма и постановка мазеудерживающих колец (рис. 8), которые выполняют и другую функцию – изоляцию от жидкого масла подшипникового узла, заполняемого пластичной смазкой.

Подступичная часть 3 (головка) вала (рис. 16) имеет наибольший размер. На усталостную прочность вала в месте посадки ступицы колеса 11 оказывает значи-

тельное влияние тип соединения с валом. При передаче крутящего момента ос-

новным шпоночным соединением посадка с небольшим натягом H7/p6 обеспечи-

вает хорошее центрирование ступицы на валу. Передача нагрузки за счёт натяга

H7/r6 или H7/s6 разгружает шпонку, и её ставят для надёжности окружной фикса-

ции деталей.

С целью облегчения сборки шпоночного соединения в комбинации с прессовым рекомендуется проектировать направляющий цилиндрический участок (рис. 16,

поз. 12) с допуском h6. Граница допуска h6 должна перекрывать центр закругле-

ния шпонки на величину с1 = (0,2...0,4)b, но не менее 1 мм; где b – ширина шпон-

ки. С той же целью вместо цилиндрического участка 11 иногда проектируют ко-

нический участок 13. Длину шпонки (поз. 4) назначают l = lст – (5...10) мм.

Для уменьшения концентрации напряжений от напрессовки необходимо про-

ектировать специальную форму ступицы с кольцевыми проточками на торцах

(рис. 16, поз. 14) или специальную форму вала с укороченной головкой, когда

длину посадочного участка делают меньше длины ступицы (рис. 16, поз. 15). Раз-

меры кольцевых проточек приведены в [11].

При необходимости вместо насадной шестерни применяют вал–шестерню. Её положительное качество – отсутствие соединения, повышающее прочность и надёжность, упрощение сборки. Недостатки – невозможность нарезания шестерён пакетом, большой съём стружки при точении из заготовки цилиндрической формы.

Последний недостаток легко устраняется изготовлением заготовок рациональной формы свободной ковкой (при индивидуальном производстве) или штамповкой (при серийном производстве). В первом приближении вал–шестерню принимают при da1/d1 < 2...2,5 либо при передаточном числе и 3,15; где da1 – диаметр вершин ше-

стерни, d1 – диаметр головки.

При проектировании ступиц любых деталей, насаживаемых на вал, по условию центрирования по цилиндру необходимо следовать «классическим» соотношениям: длина ступицы должна быть больше диаметра подступичной

части вала, точнее,

При невозможности центрирования по цилиндру выполняют центрирование по торцу с обеспечением площадки контакта шириной не менее 1 мм и длиной ступицы не менее lст > 0,8d.

Пример 7. Выполнить конструирование быстроходного вала цилиндрического редуктора с насадной шестерней и деталей подшипниковых узлов. Для привода с редуктором принят электродвигатель АИР112М4 мощностью Pэд = 7,5 кВт и ча-

стотой вращения nэд = 2895 об/мин; диаметр хвостовика двигателя dхв = 32 мм.

Решение.

1) Хвостовик вала. Диаметр вала в мм определён из расчёта на кручение по ка-

сательным напряжениям:

16T , d 3 [ ]

где Т — крутящий момент, Н мм; — допускаемое касательное напряжение; ре-

При соединении хвостовиков валов муфтой разность диаметров не должна превышать 20%. Принят диаметр хвостовика вала редуктора dхв = 26 мм по ГОСТ 6636 (диаметр хвостовика двигателя dхв = 32 мм уменьшен на 19%).

Торец вала снабжаем фаской с координатой с = 1,5 мм (табл. 6). Длина хво-

стовика спроектирована из расчёта lхв = 1,5 dхв = 1,5·26 = 39 мм. Принята длина lхв = 40 мм по ГОСТ 6636 (прил. Г).

Переход от цилиндра к торцу переходного сечения снабжён галтелью ради-

уса rг = 1 мм (табл. 6). Принята на хвостовике шпонка с размерами b h t1 t2

= 8 7 4 3,3 (ширина высота глубина паза вала глубина паза ступицы) [11] длиной l = 36 мм по ГОСТ 23360. Шпонку, которую ставят в паз вала с не-

большим натягом, при ремонте не удаляют из паза во избежание развальцовки отверстия. На хвостовик надевается полумуфта до упора шейки. Для закрепле-

ния полумуфты на валу принята шайба концевая с наружным диаметром D = 32

ммс креплением одним винтом 7019-0622 ГОСТ 14734-69 [8, с. 93].

2)Шейка вала. Диаметр шейки d должен быть больше диаметра хвостовика и кратным 5 мм в соответствии со стандартами для подшипников качения. Высо-

та упорного бурта t (рис. 16) складывается из фаски отверстия полумуфты с =

1,5 мм (табл. 6), минимальной ширины кольцевой площадки контакта, равной 1 мм, и фаски на торце шейки с = 1,5 мм, то есть tmin = 2 с + 1 = 2·1,5 + 1 = 4 мм.

Минимальный диаметр шейки dmin= dх + 2 tmin = 26 + 2·4 = 34 мм. Ближайший больший стандартный диаметр d = 35 мм (прил. А). Для свободного прохождения

Условие (16) выполнено, так как 26 + 2·3,3 = 32,6 мм < 35 мм. Приняты два варианта однорядных радиальных шарикоподшипников 207 и 307 с параметра-

ми d D В r dаmin Dаmax, приведенными выше (конкретная серия устанав-

лена расчётом подшипников).

3) Подступичная часть вала. Диаметр d1 должен быть больше d. Минималь-

ный диаметр бурта из условия гарантированного упора d1 = dаmin = 42 мм (табл. 7). При этом высота бурта tmin = (d1 – d)/2 = (42 – 35)/2 = 3,5 мм учитывает размер фаски подшипника r = 2,5 мм и минимальную ширину кольцевой площад-

ки контакта t1 = 1 мм, но не учитывает фаску торца вала.

Полученный расчётом максимальный диаметр бурта из условия надёжного захвата внутреннего кольца подшипника лапками съёмника на необходимой вы-

соте 1 мм оказывается не больше минимального. Следовательно, малая толщина колец подшипника не позволяет осуществить спрессовку подшипника съёмни-

ком даже при замене фаски притуплением. Для возможности спрессовки спроек-

тирована дистанционная втулка с диском (рис. 15; рис. 16, поз. 10).

4) Дистанционная втулка (рис. 15) состоит из ступицы и диска. Втулка постав-

лена на шейку диаметром d = 35 мм. Диаметр головки d1 должен быть больше d из условия свободного прохода шестерни для её сборки. Бурт головки должен воз-

вышаться над шейкой, как минимум, на величину радиуса галтели rг = 1 мм и размера фаски бурта с = 2,5 мм (табл. 6). Кольцевая площадка шириной 1 мм не предусмотрена, так как кольцо упирается не в торец вала, а в торец ступицы.

Предварительно назначено d1 = d + 2(с + rг) = 35 + 2·(2,5 + 1) = 42 мм.

Для надёжного упора кольца в торец шестерни наружный диаметр ступицы кольца должен включать минимальную ширину кольцевой площадки контакта,

равную 1 мм, а также фаску на внутреннем диаметре шестерни с = 2,5 мм (на наружном диаметре ступицы фаска заменена притуплением): dст = 42 + 2(1 + 2,5) = 49 мм. Принят dст = 50 мм по ГОСТ 6636 (прил. Г).

Толщина диска кольца принята s = 6 мм [8]. Осевой размер между диском и наружным кольцом подшипника принят 1 = 0,5δ, где δ – толщина стенки корпуса редуктора. Например, при δ = 7 мм 1 ≈ 4 мм. Между диском кольца и торцом ко-

леса назначен зазор, равный 2 = 0,5В = 0,5·21 ≈ 10 мм для размещения тяг съём-

ника. Таким образом, длина ступицы кольца lcт = 4 + 6 + 10 = 20 мм.

Вывод. Приняты диаметры вала d 1 = 42 мм, d = 35 мм, dхв = 26 мм.

5)Подшипниковые узлы. В цилиндрическом редукторе валы – фиксированные.

На быстроходном валу одна из опор – фиксированная, вторая – плавающая. Фик-

сированная опора воспринимает осевую и бóльшую радиальную нагрузку. Чаще всего это опора, ближняя к хвостовику.

В фиксированной опоре внутреннее кольцо подшипника закреплено на валу от осевых перемещений посадкой с натягом и заплечиком подшипника (рис. 2) либо торцом ступицы мазеудерживающего кольца (рис. 8) или дистанционной втулки

(рис. 15 и 16). Наружное кольцо в корпусе фиксируется торцом накладной крыш-

ки и внутренним пружинным упорным кольцом по ГОСТ 13943 [8] со стороны внутренней стенки редуктора. Упорные бурты в отверстии корпуса вместо упор-

ных колец не рекомендованы из-за невозможности обработки обоих отверстий за один проход.

При наружном диаметре подшипника D = 80 мм следует принять кольцо В80

ГОСТ 13943-86 класса точности В (нормальный) из стали 65Г. Диаметр канавки в корпусе D1 = 83,5 мм, ширина канавки m = 2,2 мм, минимальное расстояние от канавки до внутренней стенки корпуса h = 4,5 мм [8].

Второй подшипник – плавающий. Он не снабжён пружинным кольцом, а меж-

ду подшипником и упором крышки подшипника предусмотрен зазор величиной a1 = 0,2…0,5 мм, что позволяет ему свободно перемещаться в осевом направле-

нии.

6)Подшипниковые крышки. Приняты для обеих опор накладные крышки по ти-

пу рис. 2. Сквозная крышка содержит уплотнение. Приняты уплотнения войлоч-

ными (сальниковыми) кольцами. Размеры накладных крышек можно рассчитать по рекомендациям или принять по стандартам.

Из ГОСТ 11641 (прил. Б) приняты следующие основные размеры сквозной крышки при D = 80 мм: наружный диаметр крышки D2 = 120 мм, диаметр распо-

ложения осей винтов D1 = 100 мм, внутренний диаметр упора D3 = 72 мм, винты

М8, их количество z = 6, полная высота крышки H = 18 мм, высота упора h = 6 мм.

Размеры войлочных уплотнений приведены в прил. В.

Размеры глухой крышки приняты по ГОСТ 18511 (прил. Б). Для типа 2 изме-

нения связаны только с толщиной диска крышки: его толщина s = h = 6 мм. Под фланцы накладных крышек ставят регулировочные прокладки общей толщиной

1…2 мм.

Полная длина правой шейки 2 вала на рис. 16 складывается из ширины под-

шипника В = 21 мм, длины ступицы дистанционной втулки lcт = 20 мм и длины участка под колесом, равным 5 мм, спроектированного для снижения концентра-

ции напряжений от напрессовки (короткая ступица). Таким образом, l = 21 + 20 +

5 = 46 мм. Принято l = 48 мм по ГОСТ 6636 (прил. Г).

2.3. Гладкая конструкция

Цилиндрическая форма вала (рис. 18) отличается от ступенчатой высокой тех-

нологичностью и соответственно экономичностью. Кроме того, данной конструк-

ции присущи высокая жёсткость вала и высокая надёжность вследствие минимума концентраторов напряжений.

Отсутствие достоинств, присущих ступенчатой конструкции, компенсируется следующими мерами:

– посадку детали с гарантированным натягом производят тепловым способом -

нагревом колеса либо охлаждением вала, центрирование ступицы – по цилиндри-

ческой поверхности (lст > 1,2d), поэтому в упорном бурте нет необходимости; ко-

лесо в сборке с валом является базовой деталью (своеобразным буртом), по кото-

рой собирают другие детали;

– расчётное расстояние между деталями устанавливают дистанционными втул-

ками и кольцами (рис. 18);

– концентрацию напряжений на валу от напрессовки колеса уменьшают раз-

гружающими выточками на торцах колеса (рис. 16, поз. 14); концентрация напря-

жений от напрессовки подшипников невелика вследствие малого натяга;

– для возможности свободного съёма подшипника на хвостовике вала шпоноч-

ное соединение заменяют шлицевым; наружный диаметр D шлицевого участка должен соответствовать диаметру вала; этому условию отвечают эвольвентные шлицы, иногда прямобочные шлицы.

Рис. 18. Гладкий вал

Предельные отклонения сопряжённых размеров необходимо назначать в си-

стеме вала, а определять предельное отклонение вала, общее по всей его длине,

будет подшипниковая посадка, например, k6 вместо основного отклонения h6.

Изготовление гладких валов значительно проще и дешевле ступенчатых, но проектирование гладкого вала не всегда целесообразно, в частности, в конструк-

ции вал-шестерня. В курсовом проекте необходимо спроектировать гладкую кон-

струкцию для тихоходного вала, иногда промежуточного вала. Быстроходный вал следует проектировать ступенчатым. Расчёт посадок в системе вала приве-

дён в разделе 5.

2.4.Азбука конструирования

1.Гладкая конструкция вала предпочтительнее ступенчатой вследствие высо-

кой технологичности.

2. Конструкция ступенчатого вала должна содержать минимальное количество

концентраторов напряжений: ступеней, проточек, пазов, отверстий, резьб и т. п.

3. Задача конструктора – максимально снизить влияние концентрации напряжений, применяя:

–галтели максимально возможного радиуса;

–минимально допустимую разность диаметров;

–шпоночные пазы, полученные пальцевой фрезой;

–эвольвентные шлицы;

–резьбу с мелким шагом.

4. В прессовом соединении концентрацию напряжений можно уменьшить на 30%,

применяя кольцевые проточки на ступицах - специальная форма ступицы или при-

меняя ступицу длиной больше головки – короткая головка (снижение на 40%).

5.Посадочные участки валов снабжают фасками для облегчения сборки.

6.Для облегчения сборки прессового соединения со шпонкой предусматривает-

ся направляющий цилиндрический участок с посадкой h6 либо конический уча-

сток.

7. Для обеспечения надёжной осевой фиксации деталей необходима на торце заплечика кольцевая площадка шириной не менее 1 мм.

8. Заплечик, спроектированный для осевой фиксации детали, должен обеспечи-

вать возможность съёма подшипника захватом за внутреннее кольцо по площадке шириной не менее 1 мм. При невозможности такого съёма ставят дистанционные втулки и кольца.

9. Упорных буртов на валу для осевой фиксации колёс следует избегать, так как они увеличивают диаметр заготовки.

10.При соединении входного вала редуктора с электродвигателем муфтой диаметр вала увеличивают по сравнению с расчётным.

11.Длины ступиц деталей для обеспечения центрирования по цилиндру должны быть больше диаметров валов по соотношению

lст (1,2...1,5)d . 12.Диаметр ступицы назначается по соотношению

d ст (1,5...1,8)d .

13.Длину шпонки назначают меньше длины ступицы на 5...10 мм:

l = lст – (5...10) мм.

14.При необходимости постановки двух шпонок соединение выполняют шлице-

вым.

3.КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОРПУСА

Корпусные детали предназначены для размещения деталей передачи, обеспе-

чения правильного взаимного расположения сопряжённых деталей, восприятия нагрузок, защиты рабочих поверхностей зубчатых колёс и подшипников от за-

грязнений окружающей среды, размещения масла, защиты его от выброса в окружающую среду, отвода теплоты. Основным критерием работоспособности корпуса является жёсткость.

Корпусные детали имеют сложную форму и наибольшую стоимость из всех деталей редуктора. Большинство редукторов имеют разъёмный корпус для удоб-

ства изготовления и сборки. Обычно делают разъём в плоскости осей валов и па-

раллельно плоскости основания для удобства механической обработки. Корпус-

ные детали получают методом литья (массовое производство) либо сваркой (еди-

ничное и мелкосерийное производство).

В современных конструкциях стандартных редукторов учтены требования технической эстетики: на поверхности корпуса отсутствуют выступающие части,

для чего используют врезные крышки; рёбра и бобышки располагают внутри кор-

пуса (это также позволяет увеличить объём заливаемого масла без увеличения габа-

ритных размеров редуктора); для размещения фундаментных болтов в корпусе предусматривают выемки и другие конструктивные решения.

В условиях единичного производства корпус и крышку сваривают из отдельных элементов простой формы стыковыми и угловыми швами. Элементы вырезаются из проката: листов, полос, прутков и др. Рёбра и фланцы располагают с наружной части корпуса для удобства сварки. После сварки выполняют термическую обработ-

ку изделий и механическую обработку поверхностей, контактирующих с другими деталями.