|
|
Рис. 16.59 |
|
|
Смещение е = 0,03Р задают для свободного размещения роли- |
ка цепи во впадине зубьев звездочки. Здесь Р - шаг цепи. |
|
|
Другие параметры звездочки рассчитывают (рис. 16.59): |
- радиус впадины, мм: |
г = |
+ 0,05; |
- |
радиус сопряжения, мм: |
Гх = l,3025^/i + 0,05; |
- |
радиус головки зуба, мм: |
|
|
Г2 = dx (1,24 cos ф + 0,8 cos Р -1,3025) - 0,05,
где половина угла зуба ф = 17°-64°Д; угол сопряжения
Р = 18° - 6 0 % ; половина угла впадины а = 55° - 6 0 % ; d\ - диа-
метр ролика цепи (см. табл. 4.12).
На чертежах звездочек зубчатых цепей указывают размеры, приведенные на рис. 4.39 и 16.60. Их числовые значения определяют по формулам разд. 4.12.
Рис. 16.60
Пример оформления чертежа дан на рис. 16.58.
в правом верхнем углу чертежа размещают таблицу параметров зубчатого венца, состоящую из трех частей, разделенных сплошной основной линией.
Впервой части таблицы указывают обозначение сопрягаемой
цепи.
Во второй части приводят данные для звездочки: число зубьев; при криволинейном профиле зубьев приводят радиус R\ = 2,4Р построения профиля и наибольший зазор К = 0,04Р между рабочей гранью пластин и зубом (см. рис. 16.60, о); профиль зуба со ссылкой на стандарт; класс точности со ссылкой на стандарт (для общего машиностроения 2-й класс точности).
Втретьей части таблицы приводят диаметр б/д делительной окружности, определяемый по формуле: = P/sin(1807z).
На чертеже звездочки задают допуск цилиндричности базового отверстия, который определяют по нормам, приведенным для зубчатых колес (табл. 16.10).
Г л а ва 1 7
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ РАБОТ
17.1. Элементы САПР и их использование при курсовом проектировании по деталям машин
Системой автоматизированного проектирования (САПР) называют совокупность средств и методов для осуществления автоматизированного проектирования. Под автоматизированным проектированием понимают проектирование с помощью ЭВМ, включающее поиск оптимального решения с выдачей результатов в графическом виде на экране дисплея или с помощью графопостроителя на бумаге. Такое проектирование ведется в диалоговом режиме "человек-ЭВМ".
Необходимость автоматизации проектирования обусловлена
требованием существенного сокращения времени разработки новых конструкций, которое может быть достигнуто повышением производительности конструкторских работ за счет устранения несоответствия между традиционной технологией проектирования
и постоянно возрастающей сложностью проектируемых изделий, удваивающейся в течение каждого десятилетия.
В развитии САПР выделяют несколько этапов: первый - применение ЭВМ для решения отдельных расчетных задач; второй - ввод-вывод графической информации в диалоговом режиме; третий - комплексная автоматизация. Результаты могут выдаваться, например, в виде рабочих чертежей, пространственных изображений, полей изменения параметров.
При конструировании должны быть выбраны оптимальные параметры изделия, наилучшим образом удовлетворяющие различным, часто противоречивым требованиям: наименьшим массе (или массе, отнесенной к вращающему моменту), габаритам, стоимости, наибольшему КПД, требуемым жесткости, надежности.
Одним из элементов САПР, применяемых при курсовом проектировании, является автоматизация расчетов [9, 11], предусматривающая применение современных точных методов расчета, которые были невозможны при ручном счете.
Другим элементом САПР является развитие навыка и умения работы с банками данных. Такими, например, как параметры стандартных узлов (электродвигателей, подшипников качения, муфт приводов и др.), или графическими данными - чертежами деталей общего назначения (валов, зубчатых колес); каталогом готовых графических решений; пакетами прикладных программ. Работа с банками данных осуществляется в диалоговом режиме с ЭВМ.
В практической конструкторской деятельности очень часто приходится иметь дело с выбором параметров, задаваемых в технической документации в табличной форме. Выбранное табличное значение используют непосредственно для простановки на чертежах, для проведения различных расчетов или в качестве входного параметра при определении показателей, заданных в табличной форме. Поэтому большое практическое значение имеет такой элемент САПР, как извлечение данных из многомерных таблиц и облегчение программирования табличных операций с ними.
Перспективным элементом САПР в курсовом проектировании по деталям машин является автоматизация конструкторских и графических работ, конструирование с помощью ЭВМ.
Ниже приводится описание возможных для применения при курсовом проектировании направлений оптимизации и конструирования деталей машин с помощью вычислительной техники. Описываемые программы реализованы на персональных ЭВМ и позволяют получить, например, компоновочную схему двухступенчатого цилиндрического редуктора в соответствии с выбранным критерием оптимизации, эскизный или рабочий чертежи сконструированного вала, рабочий чертеж зубчатого цилиндрического колеса и др.
Программы конструирования используют разработанную ранее [9, 11], усовершенствованную и расширенную впоследствии библиотеку программ. Результатом выполнения программ конструирования является созданный и отредактированный образ чертежа, который может быть выведен в виде твердой копии на лист и (или) сохранен в библиотеке чертежей (банке проектов) в виде чертежного или обменного файлов.
17.2. Оптимизационное проектирование
Из всех возможных вариантов при проектировании конструктор должен выбрать оптимальный. Оптимизация, по существу, является главной задачей конструктора.
С применением ЭВМ расширяется объем используемой информации, возрастает значение анализа влияния различных параметров на качественные показатели, на основе которого могут приниматься обоснованные решения.
При автоматизированном проектировании пользователь ставит задачу для ЭВМ и принимает окончательное решение, а машина обрабатывает весь объем информации и делает первичный отбор. Повышаются производительность и качество труда конструктора, ускоряются поиск и выбор оптимального варианта.
Наиболее проста однокритериальная оптимизация, проводимая по одному доминирующему критерию. Она позволяет выделить наиболее важные критерии и параметры, влияющие на качество проектируемого изделия, сократить их число и облегчить многокритериальную оптимизацию, проводимую по нескольким критериям.
в основном проводят параметрическую оптимизацию, при которой обеспечиваются оптимальные параметры элементов заданной структуры (например, параметры редуктора заданной схемы) без изменения самой структуры (без изменения схемы редуктора).
САПР предполагает активное участие человека в анализе вариантов, оптимизации, принятии решений. Такой творческий подход может быть реализован при курсовом проектировании, например, на базе программ по расчету передач [9, 11].
В программах проектного расчета зубчатых и червячных передач вычисления производятся с перебором значений (варьированием) наиболее значимых параметров: способа термической обработки или применяемых материалов (допускаемых напряжений), коэффициента ширины зубчатого венца, распределения общего передаточного числа между ступенями. Пользователю необходимо провести анализ влияния этих параметров на качественные показатели и с учетом налагаемых ограничений выбрать оптимальный вариант.
В качестве критерия оптимальности наиболее часто принимают массу изделия. Масса характеризует материалоемкость, она тесно связана с габаритами (объемом) изделия и трудоемкостью его изготовления, а стоимость материала составляет значительную часть стоимости машины. Особое значение уменьшение массы имеет для транспортных машин, летательных аппаратов.
Выбор варианта выполняют с учетом следующих общих ограничений:
возможности конструктивного решения выбранного варианта; дефицитности материалов (для редукторов общепромышленного применения предпочтительны малолегированные стали и безоловянные бронзы, особенно при крупносерийном производстве); технологических возможностей производства (наличие соответствующего оборудования для зубонарезания; при высокой твердости материала колес необходимы отделочные операции:
шлифование, притирка поверхностей зубьев); соразмерности узлов и деталей привода (электродвигате-
ля, редуктора, ременной или цепной передачи, приводного вала и др.), которая обусловлена требованиями целесообразности и технической эстетики.
Под конструктивными ограничениями понимают прежде всего возможность изготовления зубьев шестерни и обеспечение необходимой прочности и жесткости входного (быстроходного) вала, возможность размещения в корпусе редуктора подшипников валов быстроходной ступени. Чем больше передаточное число г/ред редуктора и выше поверхностная твердость зубьев, тем труднее удовлетворить конструктивным ограничениям.
Исходя из обеспечения необходимой прочности и жесткости вычисляют диаметр d (мм) концевого участка входного (быстроходного) вала
(17.1)
где А* = 7 для цилиндрических и А* = 8 для конических передач; ГБ - вращающий момент на валу, Н • м.
В связи с обычным по соображениям жесткости увеличением диаметра вала от концевого участка к участку расположения шестерни необходимо выполнение условия (здесь d вычисляют по формуле (17.1)):
- для шестерни цилиндрической передачи редуктора
- для передвижной шестерни цилиндрической ступени коробки передач
(17.3)
- для шестерни конической передачи
(17.4)
Ниже приведены рекомендации по выбору рационального варианта для отдельных типов редукторов.
Конический редуктор. В качестве вариантов термообработки шестерни и колеса рассматривают улучшение, закалку с нагревом ТВЧ, цементацию. В соответствии с программой производится расчет передачи по контактным напряжениям с проверкой по напряжениям изгиба, в результате чего определяют: размеры и массу зубчатых колес, габариты корпуса редуктора, массу всего редуктора. Вид термообработки оказывает существенное влияние на перечисленные параметры. Так, например, у цементованных колес по сравнению с улучшенными масса уменьшается в 2,5 ... 3 раза, однако масса редуктора снижается ~ 20 %, так как большая часть Массы одноступенчатого редуктора приходится на корпус и валы.
По результатам расчета следует установить зависимость (построить график) массы зубчатых колес и всего редуктора, а также среднего делительного диаметра drn\ шестерни от вида термообработки.
При выборе рационального варианта необходимо отдать предпочтение варианту с меньшей массой, удовлетворяющему, кроме общих, дополнительным конструктивным ограничениям:
средний делительный диаметр шестерни должен удовлетворять условию (17.4);
для обеспечения соразмерности редуктора и деталей, устанавливаемых на концах входного и выходного валов необходимо, чтобы диаметр ведомого шкива ременной или диаметр ведущей звездочки цепной передачи не превышали более чем на 20 % диаметр daei вершин зубьев колеса.
Цилиндрический редуктор. В качестве варьируемых параметров могут использоваться варианты термообработки, относительная ширина зубчатых колес. Для анализа строят графические зависимости массы зубчатых колес и всего редуктора от вида термообработки при различных значениях коэффициента .
При выборе рационального варианта необходимо отдать предпочтение варианту с меньшей массой, удовлетворяющему, кроме общих, дополнительным конструктивным ограничениям:
- диаметр dp впадин зубьев шестерни должен удовлетворять условию (17.2);
-для обеспечения соразмерности редуктора и деталей, устанавливаемых на концах входного и выходного валов, необходимо, чтобы диаметр ведомого шкива ременной или диаметр ведущей звездочки цепной передачи не превышали более чем на 20 % диаметр d^2 вершин зубьев колеса;
-должно быть обеспечено размещение в корпусе редуктора подшипников валов передачи с возможной установкой между подшипниками болта крепления крышки и корпуса редуктора (при плоскости разъема корпуса по осям валов).
Коробка передач. Анализ проводят так же, как для цилиндрического одноступенчатого редуктора, но с проверкой выполнения условия (17.3) и учетом того, что колеса в коробках передач уже, чем в редукторах.
Планетарный редуктор. Так же, как и для цилиндрического, основное влияние на массу редуктора оказывает вид термообработки.
В качестве рационального нужно выбрать вариант с меньшей массой, но с возможностью размещения подшипника в сателлите, оценкой соразмерности солнечной шестерни и входного вала, эпицикла и детали, устанавливаемой на конце выходного вала.
Червячный редуктор. При расчете определяют: межосевое расстояние, размеры червяка и колеса, КПД передачи, температуру масла в редукторе.
Расчет проводится последовательно для разных материалов венца червячного колеса: Бр010Ф1, Бр05Ц5С5, БрА9ЖЗЛ. Наиболее целесообразным является вариант с возможно меньшей массой и большим КПД при допустимой температуре масла в редукторе, с оценкой целесообразности установки вентилятора на быстроходном валу и соразмерности редуктора и деталей, устанавливаемых на концах входного и выходного валов.
Двухступенчатый цилиндрический (коническо-цилиндри- ческий) редуктор. При проектировании двухступенчатых редукторов необходимо решить вопрос о распределении известного общего передаточного числа и^^^ редуктора между быстроходной Wg
и тихоходной Wy ступенями = Uj). Поэтому в программе
предусматривается проведение расчетов при разных способах термообработки зубчатых колес и разных отношениях и^/и^ .
Наибольшее влияние на массу редуктора оказывает термообработка. Закалка зубчатых колес с нагревом ТВЧ по сравнению с улучшением снижает массу редуктора в -1,2 раза, а цементация в -1,7 раза. Меньшее влияние оказывает распределение общего передаточного числа и^^^, а влияние относительной ширины колес
невелико: при любой термообработке колес при изменении vj/^,^ от
0,3 до 0,6 масса редуктора изменяется на -10 %.
Термообработка оказывает существенное влияние на металлоемкость колес. Так, цементация с последующей закалкой по сравнению с улучшением снижает массу колес в 3,5 раза. При этом масса редуктора, как было сказано выше, изменяется меньше, так как масса улучшенных зубчатых колес составляет 30 ... 40 % общей массы редуктора, а цементованных - 15 ... 20 %.
Для оценки результатов счета строят графики, отражающие влияние распределения передаточного числа и^^^ между ступенями, вида термообработки зубчатых колес на основные качественные показатели: массу гПу, зубчатых колес, массу т^^^ редуктора,
суммарное межосевое расстояние а^С = ^WB + ^WT, диаметр d^^ впадин зубьев быстроходной шестерни, диаметры и d^^j ^^Р" шин зубьев колес быстроходной и тихоходной ступеней.
Поиск варианта с наименьшей массой редуктора должен предусматривать выполнение следующих конструктивных ограничений:
диаметр d^^ (или ) впадин зубьев шестерни быстро-
ходной ступени должен удовлетворять условию (17.2) (или (17.4)); должно быть обеспечено размещение в корпусе редуктора подшипников валов быстроходной и тихоходной ступеней; между подшипниками валов тихоходной ступени должен быть размещен болт крепления крышки и корпуса редуктора (при плоскости разъ-
ема корпуса по осям валов); |
|
|
|
|
при смазывании зацеплений погружением в масляную |
ванну |
зубчатых |
колес |
обеих |
ступеней |
разность |
АЛ = |
|
диаметров вершин зубьев колес соответст- |
венно тихоходной и быстроходной ступеней должна быть по возможности меньше при выполнении условия АЛ < O.lSd^ji •
На рис. 17.1 приведены графики, построенные по результатам расчета двухступенчатого цилиндрического редуктора, выполненного по развернутой схеме, для трех способов термообработки зубьев шестерни и колеса и трех способов распределения передаточного числа г/ред = и^щ между ступенями редуктора (трех значений отношения u^/uj ): всего девять вариантов.
На графиках римскими цифрами обозначены следующие сочетания твердостей рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса, соответствующие способу термической обработки: I - улуч-
шение |
шестерни |
и улучшение колеса |
= 28,5HRC, |
^2ср |
24,8HRC); II - |
закалка с нагревом ТВЧ шестерни и улуч- |
шение колеса (Я1,р |
47,5HRC , Hj^^ = 28,5HRC ); III - |
цементация |
шестерни и колеса (Я,,р = 59HRC , Яз.р = 59HRC). |
|
MAi(
50..
40..
30
20 -tr
MM
300
250--
200-•
OJ
60• / / / ^
20
im
to
/mpta^r
J // |
80^ |
|
|
60- |
|
|
-?/// |
|
|
40. |
|
|
|
|
|
ilaULM |
0.7 |
1,0 |
tropu, |
•J |
|
r) |
|
0,25dan |
|
|
|
Л)
Рис. 17.1
Ha рис. 17.1, a проведена штриховая линия, соответствующая минимально допустимому значению диаметра dj^ впадин зубьев
быстроходной шестерни по условию (17.2). В качестве оптимального следует выбрать вариант с меньшей массой т^^^ редуктора из
числа тех, что расположены выше штриховой линии и удовлетворяют условию А/? < 0,25б/^2т • Поэтому для конструктивной проработки рекомендуется принять вариант 5 (см. рис. 17.1, б, г).
