3. Подбор электродвигателя и выбор типа редуктора

3.1 График изменения силы полезного сопротивления в функции от угла поворота φ₁ кривошипа представлен на чертеже (эта сила постоянна и равна F_СРХ при рабочем ходе и F_СХХ при холостом ходе). Мощности сил полезного сопротивления перемещению исполнительного органа

на участке рабочего хода:

P Вт;

на участке холостого хода:

P Вт.

2.2 Средние значения силы полезного сопротивления и её мощности:

F_СР = (2500 + 250)/2 = 1375 Н;

P_CР = 1375∙2,32 = 3190 Вт.

Графики изменения силы полезного сопротивления и её мощности (при рабочем и холостом ходе и средние) в функции от угла поворота φ₁ кривошипа представлен на чертеже. Эти величины изменяются по линейно-постоянному закону.

2.3 Коэффициент полезного действия исполнительного механизма с четырьмя кинематическими парами (вращательных – качения, поступательной – скольжения) примем равным η_М ≈ 0,99∙0,99∙0,99∙0,98 ≈ 0,95.

2.4 Среднее значение мощности сил сопротивления вращению кривошипа

P_К = P_CР/ η_М = 3190/0,95 ≈ 3360 Вт.

2.5 Среднее значение момента сил сопротивления вращению кривошипа

T_К = P_К/ ω₁ = 3360/15 ≈ 224 Н∙м.

2.6 При отсутствии каких-либо дополнительных соображений для привода машины в действие принимают высокооборотный (с одной парой полюсов и синхронной угловой скоростью вращения ротора ω_ДО = 314 1/с) электродвигатель переменного тока, асинхронный, единой серии А – такой электродвигатель имеет меньшие размеры, массу и стоимость. В качестве механизма, выполненного в виде редуктора (с механизмом, размещённом в корпусе), для передачи вращения с ротора электродвигателя на кривошип желательно использовать зубчатый цилиндрический одноступенчатый механизм, выполненный в виде редуктора – он самый простой, недефицитный и дешёвый. При скорости вращения кривошипа 15 1/с

График P = f(φ₁)

скорость вращения быстроходного двигателя необходимо уменьшить в u₁₀ = 314/15 ≈ 21. Для реализации такого передаточного числа (для

уменьшения скорости в 21 раз) в этом случае требуется использовать не самый рациональный тип зубчатого редуктора – двухступенчатый цилиндрический с большими размерами и массой или одноступенчатый червячный с малым коэффициентом полезного действия. Поэтому в виде исключения для привода машины в действие при заданных параметрах примем среднеоборотный двигатель (с двумя парами полюсов) с ω_ДО = 157 1/с, при котором передаточное число u₂₀ = 157/15 ≈ 10 – это ориентировочное значение передаточного числа механизма-передачи в виде редуктора, которое необходимо разместить между двигателем и кривошипом.

2.7 Возможные выполнения и компоновки зубчатых передач (редукторов), реализующих различные передаточные числа:

при u ≈ 7…10 – одноступенчатый цилиндрический внешнего зацепления; то же, внутреннего; то же, конический; то же, винтозубчатый; цилиндрический внешне-внутреннего зацепления; цилиндрический

планетарный нескольких выполнений (с механизмом Чарльза-Джеймса, с паразитным рядом колёс, с внешней и внутренней ступенью) – структурные схемы представлены на чертеже;

при u ≈ 20…70 – червячный; двухступенчатый цилиндрический внешнего зацепления; двухступенчатый цилиндрический внешне-внутреннего зацепления; двухступенчатый коническо-цилиндрический; цилиндрический планетарный нескольких выполнений (с внешней и внутренней ступенью, Давида – с двумя внешними ступенями, с двумя внутренними ступенями) и др.;

при u ≈ 70 и больше – червячный; трёхступенчатый цилиндрический внешнего зацепления; трёхступенчатый цилиндрический внешне-внутреннего зацепления; трёхступенчатый коническо-цилиндрический; цилиндрический планетарный нескольких выполнений (с механизмом Давида с внешней и внутренней ступенью, с двумя внешними ступенями, с двумя внутренними ступенями) и др.

2.8 Для обоснованного выбора рационального выполнения редуктора информации мало, поэтому предпочтение отдаём наиболее простому и дешёвому зубчатому цилиндрическому одноступенчатому редуктору с u₂₀ ≈ 10 и среднеоборотному электродвигателю с ω_ДО = 157 1/с.

2.9 Максимально возможный коэффициент полезного действия одноступенчатого зубчатого цилиндрического редуктора η_Р ≈ 0,97. При этом необходимая мощность двигателя составит величину:

P_Д = P_К/ η_Р = 3360/0,97 ≈ 3400 Вт.

2.10 По каталогу выбираем среднеоборотный электродвигатель переменного тока трёхфазный асинхронный единой серии А марки 4А100S4У3 с двумя парами полюсов с ближайшей к Р_д номинальной мощностью Р_ДН = 3000 Вт (перегрузка не превышает допустимых 12,5 %).

Его номинальная частота вращения n_ДН = 1435 об/мин, угловая скорость ω_ДН = π n_ДН/30 ≈ 150 1/с; маховый момент ротора GD² = 3,47·10^-2 кгс·м²; момент инерции массы I_Д ≈ 8,8 ·10^-4 кг·м²; кратность пускового момента К = Т_П/Т_ДН = 2.

2.11 Уточнённое значение передаточного числа редуктора:

u_Р = ω_ДН/ω₁ = 150/15 = 10.

2.12 Необходимый движущий вращающий момент:

T_Д = P_Д / ω_ДН = 3400/150 ≈ 22,7 Н∙м

при номинальном движущем вращающем моменте T_ДН = P_ДН / ω_ДН =

3000/150 = 20 Н∙м. Двигатель будет работать с небольшой допустисой перегрузкой 11 %. Отношение T_К/T_Д ≈ 224/22,7 ≈ 9,7 должно равняться произведению u_Р на η_Р, равному ≈ 10∙0,97 = 9,7, что, практически, и имеет место.