Проектирование мотор-редуктора

Размещено на /

;
;.
;
;.
.;
;.
..;
; .
...;
 ;.
....;
 ; .
.....;
  ;.
......;
  ;.
.......;
  ;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;
;.
;
;.
.;
;.
..;
; .
...;
 ;.
....;
 ; .
.....;
  ;.
......;
  ;.
.......;
  ;;
;
;.
;
;.
.;
;.
..;
; .
...;
 ;.
....;
 ; .
.....;
  ;.
......;
  ;.
.......;
  ;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;.;
;
.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;.;
;
.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;
;;;
;
;.
;
;.
.;
;.
..;
; .
...;
 ;.
....;
 ; .
.....;
  ;.
......;
  ;.
.......;
  ;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;
;.
;
;.
.;
;.
..;
; .
...;
 ;.
....;
 ; .
.....;
  ;.
......;
  ;.
.......;
  ;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;
;;
o;;
;;;.;
;;.;
;
.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;.;
;;Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Филиал СЕВМАШВТУЗ государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет в г. Северодвинске

Факультет кораблестроения и океанотехники

Кафедра судостроительного производства

Курсовой проект

по дисциплине Детали машин

Тема: Проектирование мотор-редуктора

г.Северодвинск 2011 год

Введение

Мотор-редуктор представляет собой электродвигатель и редуктор, соединенные в единый агрегат (в некоторых странах его называют редукторным электродвигателем). Мотор-редуктор более компактен по сравнению с приводом на базе редуктора, его монтаж значительно проще, кроме того, уменьшается материалоемкость фундаментной рамы, а для механизма с насадным исполнением (с полым валом) не требуется никаких рамных конструкций. Большое количество конструкционных решений и типоразмеров дает возможность оснащения предприятий прецизионными редукторами приводов различных назначений, размеров и мощностей. Мотор редуктор, как универсальный элементы электропривода, находят свое применение практически во всех областях промышленности.

Наибольшее распространение в промышленности получили планетарные и цилиндрические мотор-редукторы, выполненные по соосной схеме взаимного расположения электродвигателя и выходного вала, а также червячные мотор-редукторы с расположением электродвигателя под 90 град. к выходному валу. К мотор-редукторам общемашиностроительного применения относят: цилиндрические мотор-редукторы, планетарные мотор-редукторы, спироидные мотор-редукторы, червячные и цилиндрическо-червячные мотор-редукторы, волновые мотор-редукторы, мотор-редукторы специального назначения. Область применения: cредства автoматизации и системы управления, устройства регулирования, автoматические и автоматизированные системы управления, следящие мини-приводы, cредства обработки и представления информации, специальные инструменты, медицинская техника.

Такие механизмы пригодны для использования в умеренных климатических условиях, при установке в помещении или на открытом воздухе под навесом. В стандартном исполнении они грунтуются краской методом окунания, а затем покрываются сине-серой алкидной эмалью воздушной сушки. Имеются также и специальные покрытия.

Для экстремальных условий и установки на открытом воздухе имеется окраска для всемирного использования.

Верхняя предельная температура 105 K (при температуре охлаждающей среды +40°C), Максимальная допустимая непрерывная температура 155°C.

Червячный редуктор - это особой вид редуктора по типу передачи (наряду с зубчатыми и гидравлическими) с червячным профилем резьбы.

Червячный редуктор применяется при передаче движения между скрещивающимися (обычно под прямым углом) осями. Одним из существенных преимуществ червячных редукторов является возможность получить большое передаточное число в одной ступени (до 80 в редукторах общего назначения и до нескольких сотен в специальных редукторах).

Данные редукторы обладают высокой плавностью хода и бесшумностью в работе и самоторможением при определенных передаточных числах, что позволяет исключать из привода тормозные устройства.

Есть различные варианты данных механизмов, например, одноступенчатые универсальные, двухступенчатые, трех, одноступенчатые с расположением червяка над колесом и глобоидные, а также с различными параметрами: Ч-100, Ч-160, 2Ч-40, 2Ч-50, 2Ч-63, 2Ч-80, РЧУ-125 и т.д.

Червячной передачей называется механизм, служащий для преобразования вращательного движения между валами со скрещивающимися осями. Обычно червячная передача состоит из червяка и сопряженного с ним червячного колеса. Угол скрещивания осей обычно равен 90°; неортогональные передачи встречаются редко. Червячные передачи относятся к передачам с зацеплением, в которых движение осуществляется по принципу винтовой пары. Поэтому червячные передачи относят к категории зубчато-винтовых.

Обычно ведущее звено червячной передачи — червяк, но существуют механизмы, в которых ведущим звеном является червячное колесо.

Достоинства червячных передач: компактность конструкции и возможность получения больших передаточных чисел в одноступенчатой передаче (до U = 300 и более); высокая кинематическая точность и повышенная плавность работы; малая интенсивность шума и виброактивности; возможность обеспечения самоторможения.

Недостатки червячных передач: значительное геометрическое скольжение в зацеплении и связанные с этим трение, повышенный износ, склонность к заеданию, нагрев передачи и сравнительно низкий КПД (от η = 0,5 до 0,95); необходимость применения для ответственных передач дорогостоящих и дефицитных антифрикционных цветных металлов. Указанные недостатки ограничивают мощность червячных передач (обычно до 60 кВт).

Червячные передачи находят широкое применение, например, в металлорежущих станках, подъемно-транспортном оборудовании, транспортных машинах, а также в приборостроении.

Целью данного курсового проекта является проектирование мотор-редуктора на основании комплексного технического задания. Привод включает в себя электродвигатель, соединенный при помощи жесткой муфты с червячным одноступенчатым редуктором.

Червячный одноступенчатый редуктор предназначен для передачи мощности между валами электродвигателя и исполнительного механизма.

1 Задание на проектирование

Разработать конструкцию и выпустить конструкторскую документацию на мотор-редуктор. Исходные данные для проектирования – в табл. 1.1 и 1.2.

Мотор-редуктор состоит из электродвигателя и редуктора, выполненные в одном блоке. Частота вращения выходного вала – постоянная. Соединение валов электродвигателя и входного вала редуктора – жесткая муфта. Редуктор закрытого типа, корпус должен иметь лапы для крепления к раме. Компоновочная схема мотор-редуктора и описание требований к нему – в табл. 1.2.

Таблица 1.1 Исходные данные для проектирования

№ варианта	Мощность P, кВт не менее	Частота вращения выходного вала n, об/мин	Требуемый ресурс L, лет	№ схемы (см. табл. 1.2)
8	4,5	50	9	4

Таблица 1.2 Компоновочная схема мотор-редуктора

№ схемы	Компоновочная схема	Описание
4	1 – электродвигатель; 2 – червячный редуктор; 3 – муфта.	Передача – червячная, с верхним расположением червяка; Режим работы – 2 смены, с небольшими динамическими нагрузками, нереверсивная передача; Требования к компактности – средние; Мелкосерийное производство.

мотор редуктор вал подшипник

2. Предварительные расчеты и анализ работы мотор-редуктора

2.1 Срок службы привода

Срок службы (ресурс) :

часов,

где L – срок службы привода, 9 лет;

– количество рабочих дней в году, = 250 рабочих дней (при пятидневной рабочей неделе);

– количество смен, = 2 смены;

– продолжительность смены, = 8 часов.

2.2 Выбор электродвигателя

2.2.1 КПД редуктора

,

где – КПД червячной передачи (предварительный);

– КПД одной пары подшипников.

2.2.2 Требуемая мощность электродвигателя

Требуемая мощность электродвигателя:

кВт;

2.2.3 Подбор электродвигателей

По табл. приложений 1,3 [1] выбираем электродвигатели серии 4А с кВт. Данные заносим в таблицу 2.1:

Таблица 2.1 Параметры выбранных электродвигателей

	Обозначение электродвигателя	Мощность P , кВт	nэд. ном., об/мин	uред
1	4АМ112M2	7,5	2900	58
2	4АМ132S4		1455	29,1
3	4АМ132M6		970	19,4
4	4АМ160S8		730	14,6

2.2.4 Передаточное число привода

Передаточное число привода для каждого варианта электродвигателя:

,

где – частота вращения выходного вала мотор-редуктора.

; ;

; .

Оптимальное передаточное число червячной передачи лежит в диапазоне 14…63. Все варианты попадают в указанный диапазон. Больше подходит 1 вариант, так как электродвигатель 4АМ112M2 обладает меньшими габаритами и массой.

2.2.5 Уточнение параметров мотор-редуктора

Уточненный КПД червячной передачи:

Уточненный КПД редуктора:

.

Уточненная мощность па выходном валу мотор-редуктора:

кВт;

2.3 Расчет кинематических и силовых параметров привода

2.3.1 Частота вращения и угловая скорость вала электродвигателя

об/мин; сек-1.

Частота вращения быстроходного вала редуктора совпадает с частотой вращения вала электродвигателя:

об/мин; сек-1.

Частота вращения тихоходного вала редуктора (выходного вала мотор-редуктора):

об/мин; сек-1.

2.3.2 Мощность на валу электродвигателя

кВт.

Мощность на быстроходном валу редуктора (с учетом потерь на трение в подшипниках вала):

кВт.

Мощность на выходном валу (с учетом потерь на трение в червячной передаче и подшипниках вала):

кВт.

2.3.3 Вращающий момент на валу электродвигателя

Н∙м.

Вращающий момент на быстроходном валу редуктора:

Н∙м.

Вращающий момент на тихоходном (выходном) валу:

Н∙м.

Результаты расчетов заносим в таблицу 2.2:

Таблица 2.2 Кинематические и силовые параметры привода

Вал	Частота вращения n, об/мин	Угловая скорость w, сек-1	Мощность P, кВт	Вращающий момент M, НЧм
Вал двигателя	2900	303,53	7,5	24,71
Быстроходный вал	2900	303,53	7,43	24,48
Тихоходный вал	50	5,23	4,7	898,66

3. Проектирование червячной передачи

3.1 Исходные данные для проектирования

Вращающий момент на колесе 898,66 Н∙м;

Частота вращения колеса =50 об/мин;

Передаточное число =58;

Время работы передачи (ресурс) =36000 ч;

Условия работы: небольшие динамические нагрузки, нереверсивная передача.

3.2 Предварительные расчеты

3.2.1 Предварительная скорость скольжения

м/сек

3.2.2 Выбор материала червячной пары

По рекомендациям п. 3.6.1 [3], с учетом предварительной скорости скольжения =12,59 м/сек, выбираем материал венца червячного колеса из группы I – бронза Бр010Ф1. Учитывая мелкосерийное производство, выбираем литье в песчаные форму. По табл. 3.1 [3] прочностные характеристики для бронзы Бр010Ф1: =215 МПа, =135 МПа.

По рекомендациям п. 3.6.2 [3], с учетом материала венца червячного колеса выбираем материал червяка – сталь 40ХН с поверхностной закалкой до твердости 48…53 HRC с последующей шлифовкой. Степень точности изготовления червяка – 8.

3.2.3 Выбор типа червяка

По рекомендациям п. 3.2 [3], с учетом характера передачи и передаваемой мощности (свыше 2 кВт), выбираем эвольвентный червяк ZJ.

3.3 Допускаемые напряжения

3.3.1 Допускаемые контактные напряжения (для группы I)

МПа.

Допускаемое напряжение (МПа) при числе циклов перемены напряжений, равном 107:

= 0,9*215=193,5МПа

Коэффициент 0,9 – для червяков с твердыми (45 HRC) шлифованными и полированными витками,

Коэффициент долговечности:

,

Суммарное число циклов перемены напряжений при постоянном режиме нагружения:

106,

Коэффициент учитывает интенсивность изнашивания материала колеса. Его принимают в зависимости от скорости скольжения, для м/с, .

3.3.2 Допускаемые изгибные напряжения

Эквивалентное число циклов нагружения зубьев червячного колеса за весь срок службы передачи:

, Коэффициент долговечности:

.

Исходное допускаемое напряжение изгиба для материалов группы I:

МПа.

Допускаемое изгибное напряжение:

МПа.

Так как передача работает в нереверсивном режиме, то окончательно принимаем: МПа.

3.4 Проектировочный расчет

3.4.1 Основные параметры передачи

Так как 58, то число заходов червяка 1.

Межосевое расстояние, мм:

мм,

где = 610 для эвольвентных червяков;

– коэффициент концентрации нагрузки: при постоянном режиме нагружения (как самый неблагоприятный вариант) = 1.

Полученное межосевое расстояние округляем в большую сторону: 250 мм.

Число зубьев колеса:

.

Модуль передачи:

мм;

Модуль округляем до ближайшего стандартного значения в полученном диапазоне: 7 мм. Модуль берем из второго ряда.

Коэффициент диаметра червяка:

.

Коэффициент округляем до ближайшего стандартного значения: 14 мм. Коэффициент берем из второго ряда.

Минимально допустимое значение q из условия жесткости червяка:

14 > 12,296

Условие жесткости червяка соблюдается.

Коэффициент смещения:

.

Так как коэффициент смещения < 1,0 то окончательно принимаем полученные значения , , и q.

Угол подъема линии витка червяка:

на делительном цилиндре:

рад = 4,086є;

на начальном цилиндре:

рад = 4,259є.

Фактическое передаточное число:

.

Погрешность передаточного числа:

3.4.2 Размеры червяка и колеса

Рис. 3.1. Геометрия червячной передачи

Диаметр делительной окружности червяка:

мм.

Диаметр окружности выступов червяка:

мм.

Диаметр окружности впадин червяка:

мм.

Длина нарезанной части червяка при коэффициенте смещения :

мм.

Для фрезеруемых и шлифуемых червяков полученную расчетом длину увеличиваем на 25 мм и округляем полученное значение: =110 мм.

Диаметр делительной окружности червячного колеса:

мм.

Диаметр окружности выступов:

мм.

Диаметр окружности впадин:

мм.

Диаметр колеса наибольший:

мм,

мм.

где – для передач с эвольвентным червяком.

Ширина венца:

мм,

где при = 1.

3.4.3 Скорость скольжения и КПД передачи

Скорость скольжения на начальном диаметре червяка:

м/сек,

где – частота вращения червяка, об/мин.

Скорость скольжения в зацеплении:

Рис. 3.2. Силы в червячном зацеплении

м/сек,

где – угол подъема линии витка на начальном цилиндре.

Коэффициент полезного действия червячной передачи:

,

где – приведенный угол трения.

3.4.4 Силы в зацеплении

Окружная сила на колесе, равная осевой силе на червяке:

H.

Окружная сила на червяке, равная осевой силе на колесе:

Н.

Радиальная сила:

Н.

3.5 Проверочный расчет червячной передачи

3.5.1 Проверочный расчет на контактную прочность

Расчетное контактное напряжение:

МПаМПа,

допускается () до 5%.

где = 5350 – для эвольвентных червяков;

Окружная скорость червячного колеса, м/с:

м/с

При постоянном режиме нагружения, обычной точности изготовления

и выполнении условия жесткости червяка принимают: = 1 при м/с.

Условие контактной прочности выполняется.

3.5.2 Проверочный расчет на изгибную прочность

Расчетное напряжение изгиба:

МПаМПа,

– коэффициент формы зуба колеса, при приведенном числе зубьев .

Условие изгибной прочности выполняется.

3.5.3 Тепловой расчет

Мощность на червяке:

Вт.

Температура нагрева масла (корпуса) при установившемся тепловом режиме без искусственного охлаждения:

.

где – коэффициент, учитывающий отвод теплоты от корпуса редуктора в металлическую плиту или раму;

°С – максимальная допустимая температура нагрева масла;

м2 поверхность охлаждения корпуса;

Вт/(м2∙°С) – коэффициент теплоотдачи.

Температура нагрева при работе не превышает допустимую.

3.6 Результаты расчета

Таблица

	Червяк	Колесо
Число заходов червяка z1	1	-
Число зубьев колеса z2	-	58
Модуль m, мм	7
Коэффициент диаметра червяка q	14	-
Угол подъема винтовой линии	4,259є	-
Коэффициент смещения	-0,2857
Делительный диаметр d, мм	98	406
Диаметр окружности вершин da, мм	112	416
Диаметр окружности впадин df, мм	81,2	393,2
Контактные напряжения σH, МПа	115,24
Изгибные напряжения σF, МПа	7,23

4 Предварительный расчет валов

4.1 Проектировочный расчет валов

4.1.1 Построение эскизов валов

Разработку эскиза вала начинаем с конца вала. Применяем стандартные концы (табл. 4 приложения [1]): цилиндрические – по ГОСТ 12080-66. Цилиндрические концы валов проще в изготовлении. На начальной стадии проектирования еще неизвестны длины отдельных участков вала, поэтому невозможно оценить величины действующих на вал изгибающих моментов. Расчет вала ведется только на кручение, но чтобы учесть неизвестные изгибные напряжения, в расчете принимают заниженные допускаемые напряжения. Диаметр вала d, мм:

,

где – крутящий момент, Н∙мм;

– допускаемые напряжения для материала вала, МПа. почти не зависят от материала вала, а зависят от длины вала и частоты вращения. Для редукторных валов рекомендуется принимать: =10-15 МПа – для быстроходных валов; =15-25 МПа – для тихоходных валов.

Размеры фасок и радиусов галтелей даны в таблице 4.1.

Высоту заплечика t (рис. 4.1) принимаем конструктивно, (2,0…2,5)r. Диаметры остальных участков вала определяем последовательно с учетом высоты заплечиков каждой ступени (п. 2.4.5 [1]). Длины участков валов определяются с помощью прорисовки с учетом габаритов насаживаемых деталей, их взаимного расположения, величины необходимых зазоров между ними и т.д.

Если участок вала необходимо при изготовлении шлифовать, вместо обычного перехода предусматривают канавку для выхода шлифовального круга (рис. 4.2, табл. 4.2).

Таблица 4.1.Размеры заплечиков вала, мм.

Диаметр вала d	30-46	48-68	70-100
Радиус закругления r	2,0	2,5	3
Фаска c	1,6	2,0	2,5

Таблица 4.2.Размеры канавки под выход шлифовального круга, мм

Диаметр вала d	10-48	50-100
Ширина канавки b	3	5
Радиус закругления r	1,0	1,6
Диаметр канавки d1	d–0,5	d–1,0

4.1.2 Ведущий вал