Методические указания по выполнению лабораторных работ на экспериментальной установке Механические передачи / Методические указания_МП1-МП4
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ «МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ»
Орел · 2008
Рецензент:
Доктор технических наук, профессор Орловского государственного технического университета
Савин Л.А.
Разработчики: Кандидат технических наук
Поляков Р.Н.
Кандидат технических наук
Панченко А.И.
Методические указания предназначены для подготовки и проведения лабораторных работ по разделу дисциплины «Детали машин», изучающему механические передачи, методы их проектировочного и проверочного расчета. Работы выполняются на экспериментальной установке «Механические передачи», которая позволяет проводить 4 лабораторные работы.
В задачи экспериментальных исследований входит получение студентами практических навыков выполнения операций сборки и демонтажа, настройки контрольно-измерительной системы и снятия экспериментальных показаний, определение погрешностей измерений и проведение теоретических расчетов, обобщения и анализа полученных результатов.
Предназначено студентам приборостроительных, машиностроительных и технологических специальностей при изучении дисциплины «Детали машин и основы конструирования», а также смежных с ней дисциплин «Основы проектирования машин», «Прикладная механика», «Автоматизированное проектирование машин» и др.
Материалы учебного пособия могут быть полезны слушателям курсов повышения квалификации, специалистам – расчетчикам и конструкторам, а также при самостоятельном изучении курса «Детали машин и основы конструирования».
© Савин Л.А., Поляков Р.Н., Панченко А.И.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.............................................................................................................. |
4 |
Лабораторная работа №МП – 1 |
|
Определение тяговой способности и коэффициента полезного |
|
действия ременной передачи............................................................................ |
6 |
Лабораторная работа № МП – 2 |
|
Определение коэффициента полезного действия цепной передачи............. |
16 |
Лабораторная работа №МП – 3 |
|
Конструкции и КПД зубчатых цилиндрических редукторов........................ |
27 |
Лабораторная работа № МП – 4 |
|
Конструкции и КПД червячных редукторов................................................... |
47 |
Приложение А |
|
Описание конструкции экспериментальной установки |
|
«Механические передачи» ................................................................................ |
64 |
Приложение Б |
|
Описание информационно-измерительной системы |
|
и программного обеспечения............................................................................ |
73 |
Приложение В |
|
Последовательность монтажа экспериментальной установки...................... |
80 |
Приложение Г |
|
Методика обработки результатов экспериментов.......................................... |
90 |
Приложение Д |
|
Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ ........................ |
92 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Механическими передачами называются механизмы, служащие для передачи механической энергии на расстояние, как правило, с преобразованием кинематических (линейная скорость, угловая скорость) и силовых параметров (сила, крутящий момент) и, иногда, с преобразованием видов и законов движения. Необходимость применения передач обуславливается следующими причинами:
1)требуемые скорости движения рабочих органов машины, как правило, не совпадают с оптимальными скоростями двигателя, обычно ниже, а тихоходные двигатели для больших моментов очень громоздки и дороги;
2)для большинства технологических и транспортных машин необходима возможность регулирования скорости и периодическая работа с большими моментами при малых скоростях при том, что регулирование скорости электродвигателя не всегда возможно и экономично;
3)двигатели обычно выполняют для равномерного вращательного движения, а в машинах часто оказывается необходимым поступательное движение с заданным законом изменения скорости;
4)двигатели не всегда могут быть непосредственно соединены с исполнительными механизмами из-за требования к габаритам машины, условий техники безопасности, удобства обслуживания, а иногда должны приводить по нескольку механизмов.
По принципу работу передачи разделяются на: 1) передачи зацеплением (геометрическое замыкание звеньев): зубчатые, червячные, цепные, винтгайка; 2) передачи трением (силовое замыкание звеньев).
Основными характеристиками механических передач являются: передаточное отношение, быстроходность, передаваемый крутящий момент и коэффициент полезного действия.
Основной методологической задачей лабораторных работ является выяснение эффективности отдельных типов передач, а именно: определение коэффициента полезного действия ременных, цепных, зубчатых и червячных передач.
Вданных методических указаниях приведены 4 лабораторные работы, которые позволяют проводить экспериментальные исследования ременных, цепных, зубчатых цилиндрических и червячных передач.
4
Рекомендуемый объем академических часов на выполнение лабораторных работ:
•лабораторная работа №1 – 4час;
•лабораторная работа №2 – 4 час;
•лабораторная работа №3 – 8 час;
•лабораторная работа №4 – 8 час.
Подразумевается, что перед выполнением лабораторных работ студенты должны полностью пройти лекционный курс по разделу «Механические передачи» дисциплины «Детали машин».
5
Лабораторная работа №МП-1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯГОВОЙ СПОСОБНОСТИ
И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ РЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ
1.1 Цель работы
Построение на основе экспериментальных данных кривых скольжения
иопределение основных характеристик плоско- и клиноременной передачи.
1.2Задачи исследований
1.Ознакомиться на основании литературных источников с принципом работы, классификацией, основными характеристиками и критериями работоспособности ременных передач.
2.Изучить устройство и уточнить основные параметры экспериментальной установки: длину, площадь поперечного сечения и материал ремня, диаметры шкивов, межосевое расстояние и т. д.
3.Рассчитать силу предварительного натяжения ремня F0 и необхо-
димое для этого число грузов.
4.Определить частоту пробегов ремня ϑ.
5.Выполнить настройку измерительных устройств (датчиков и индикаторов) для определения крутящих моментов T1 ,T2 и частот вращения ве-
дущего и ведомого валов n1 ,n2 .
6. Провести серию экспериментов косвенного измерения T1 ,T2 , n1 ,n2 при различных значениях силы трения тормозного устройства.
7. Выполнить обработку экспериментальных данных, определить значения коэффициента тяги ϕ , коэффициента скольжения ε и коэффициента полезного действия η.
8.Построить графики зависимостей ε =ε(ϕ ) и η =η(ϕ ).
9.Провести анализ экспериментальных и расчетных данных результатов, определить значение критических и максимальных значений коэффици-
ента тяги ϕкр и ϕmax .
10.Ответить на контрольные вопросы.
1.3Ключевые слова и понятия
Тяговая способность, долговечность ремня, коэффициент тяги, кривые скольжения, частота пробегов ремня, угол охвата малого шкива.
6
1.4 Объект исследования и оборудование
Универсальная лабораторная установка «Механические передачи», набор сменных шкивов, плоский и клиновой ремни. Контрольно-измерительная система: персональный компьютер (Windows 2000/NT/XP, LabVIEW, APM WinMachine), частотный преобразователь, датчик измерения усилий, датчики измерения крутящих моментов и частоты вращения.
1.5 Теоретическая часть
Ременные передачи состоят из закрепленных на валах ведущего 1 и ведомого 2 шкивов, охватывающего их ремня 3 (рисунок 1.1) и натяжного устройства. Ветвь ремня, которая набегает на ведущий (малый) шкив называется ведущей, а сбегающая ветвь называется ведомой. Крутящий момент с ведущего на ведомый вал передается силами трения, возникающими между шкивами и ремнем вследствие его предварительного натяжения.
1 |
3 |
2 |
Рисунок 1.1 − Схема ременной передачи
Основными геометрическими параметрами ременной передачи являются: угол γ между ветвями ремня; угол α1 обхвата на малом шкиве; длина
ремня L ; межосевое расстояние a (рисунок 1.2). |
|
Угол (град) между ветвями ремня |
|
γ = 2 arcsin ∆ . |
(1.1) |
a |
|
Угол (град) охвата ремнем малого шкива |
|
α1 =180°−γ . |
(1.2) |
Основными критериями работоспособности ременных передач являются: тяговая способность и долговечность ремня.
7
Тяговая способность передачи характеризуется величиной максимально допустимой окружной силы Ft или полезного нормального напряжения
σF = FAt ,
где A − площадь сечения ремня.
Максимальные значения растягивающих напряжений находится в пределах 2.0…2.5 МПа.
(1.3)
σF max должны
Рисунок 1.2 − Геометрические параметры ременной передачи
Полезное напряжение σ F возрастает с увеличением предварительного натяжения σ0 , т.е. увеличивается тяговая способность ременной передачи. Одними из основных факторов, влияющих на величину полезного напряжения, являются коэффициент трения f между ремнем и шкивами и угол охва-
та малого шкива α |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
σF =σ0 |
e fα −1 |
, |
(1.4) |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
e fα +1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
где σ0 |
– нормальное напряжение в ремне от силы предварительного натяже- |
|||||||
ния, σ0 |
= |
F0 |
. |
|
|
|
|
(1.5) |
|
|
|
|
|
||||
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
Рекомендуется принимать σ0 |
=1.8 |
|
МПа − для плоскоременных пере- |
|||||
дач и σ0 =1.2...1.5 МПа − для клиноременных передач.
Помимо нормальных напряжений в ремне возникают напряжения изгиба и нормальные напряжения от действия центробежных сил.
Напряжения изгиба, связанные с изменение прямолинейной формы ремня с набеганием ремня на шкив и обратным распрямлением при сбегании
8
с него, носят циклический характер и являются главной причиной усталостного разрушения ремня
σи = E |
2y0 |
(1.6) |
|
d1 |
|||
|
|
где d1 – диаметр ведущего (малого) шкива,
y0 – расстояние от нейтральной линии в нормальном сечении ремня до
наиболее удаленных от него растянутых |
волокон (для плоских рем- |
ней y0 =δ 2, здесь δ – толщина ремня; для клиновых ремней y – справочная |
|
величина); |
|
E – модуль упругости материала ремня; |
E = 200...300 МПа – для пло- |
ских прорезиненных ремней, E = 600МПа – для плоских капроновых ремней, |
|
E = 500...600 МПа – для клиновых резинокордных, E = 2500 МПа – для кли- |
|
новых ремней с кордом из кевлара. |
|
Для уменьшения отрицательного влияния напряжений изгиба при про- |
|
ектировании ременной передачи накладывают ограничение на отношение
диаметра ведущего (малого) шкива d1 к толщине δ (высоте h) ремня: |
|
||||||||||
– для плоскоременных передач |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
• |
ремни кожаные, хлопчатобумажные |
|
(d1/δ)≥25, |
|
|||||||
• |
ремни прорезиненные |
|
|
|
|
|
|
|
|
(d1/δ)≥30, |
|
– для клиноременных передач |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
• |
сечение О, А, Б, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
(D1/h)≥10, |
|
• |
сечение Г, Д, Е |
|
|
|
|
|
|
|
|
(D1/h)≥25. |
|
|
Нормальные напряжения в ремне от центробежной силы |
|
|||||||||
|
σ |
V |
= ρV 2 , |
|
|
|
|
(1.7) |
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
где ρ – плотность материала ремня (справочная величина), |
|
||||||||||
V – линейная скорость ремня, |
V |
=ω |
|
d1 |
. |
(1.8) |
|||||
|
|
||||||||||
1 |
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
Максимальные значения центробежных напряжений не должны пре- |
||||||||||
вышать 1.5…2.2 МПа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимальные суммарные напряжения возникают в точке набегания |
||||||||||
ветви ремня на ведущий (малый) шкив |
|
|
|
|
|
||||||
|
σmax =σ0 + |
σF |
|
+σи |
+σV . |
(1.9) |
|||||
|
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значительные циклические напряжения изгиба и в меньшей мере циклические напряжения растяжения из-за разности натяжения в ведущей и ве-
9
домой ветвей ремня вызывают усталостное разрушения ремня, что является основным фактором потери работоспособности ременной передачи.
Расчет ремня на долговечность сводится к сравнению максимальных
напряжений с пределом выносливости материала ремня |
|
σmax ≤σe , |
(1.10) |
где σe – максимальное эффективное переменное напряжение, |
которое ре- |
мень может выдержать в течении Ne циклов нагружения.
Максимальное эффективное напряжение определяется по эмпирическим зависимостям, полученным в ходе испытаний для различных видов ремней и условий работы
σe = |
C |
. |
(1.11) |
|
Ne1 m |
||||
|
|
|
По результатам экспериментальных испытаний при начальном напряжении σ0 =1.2 МПа, передаточном отношении u=1, и угле обхвата α =180° получено
1) m = 5...6 ; C = 60...70 МПа; Ne =107 – для плоскоременных передач; 2) m = 7...11; C = 90...100 МПа; Ne =107 – для плоскоременных передач.
В упрощенном виде расчет на долговечность можно провести по числу
пробегов ремня ϑ и сравнению этого числа с допускаемым [ϑ] |
|
ϑ =V1 / L . |
(1.12) |
Чем больше скорость, тем меньше долговечность ремня, поэтому следует ограничивать частоту пробегов для плоских ремней [ϑ]= 3...5 м/с; для клино-
вых [ϑ]=10...20 м/с.
Анализируя формулы 1.4 и 1.5 можно сделать вывод, что тяговая способность повышается с увеличением угла охвата α, коэффициента трения между ремнем и шкивом f и силы начального натяжения F0 . Однако с увеличением F0 нагрузка на валы возрастает, а долговечность ремня уменьшается – это ограничивает предельное значение силы начального натяжения.
При работе ременной передачи в случае возрастания скоростей вращения возможна ситуация когда напряжения от силы начального натяжения уравновесятся напряжениями от центробежных сил σ0 =σV , что физически будет соответствовать отсутствию силы трения в контакте ремня со шкивом и потери работоспособности ременной передачи – это ограничивает предельное значение линейных скоростей ремня (быстроходность передачи).
10