- •Оглавление
- •Введение
- •1 Основные положения
- •2 Выбор электродвигателя и кинематический расчет привода
- •3 Расчет зубчатых цилиндрических колес редуктора
- •4 Расчет зубчатых конических колес
- •5 Расчет червячной передачи
- •6 Выбор геометрических размеров шпонки и проверка прочности шпоночных соединений
- •7 Конструктивные размеры элементов передач
- •8 Конструктивный и проверочный расчет валов
- •9 Тепловой расчет редуктора и выбор сорта масла
- •10 Выбор подшипников качения
- •11 Примеры выполнения графической части курсовых работ
- •Список литературы
1 Основные положения
Общие сведения
Дисциплина «Детали машин и основы конструирования» посвящена рассмотрению основ расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения, встречающихся в различных механизмах и машинах.
Механизмом называют систему тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.
Машиной называют механизм или сочетание механизмов, которые служат для облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности.
В зависимости от основного назначения различают два вида машин:
энергетические машины, преобразующие любой вид энергии в механическую и наоборот (двигатели, динамо-машины, компрессоры и др.);
рабочие машины, в том числе:
технологические, изменяющие свойства, форму и размеры тел (станки, прессы и др.);
транспортные, перемещающие тела (транспортеры, краны и др.);
информационные, преобразующие информацию (шифровальные машины, механические интеграторы и др.);
Все машины состоят из деталей, которые объединены в узлы.
Деталью называют часть машины, изготовленную без применения сборочных операций (шпонка, болт, зубчатое колесо и др.).
Узел - крупная сборочная единица (коробка передач, муфта, редуктор и др.), являющаяся составной частью изделия (привода, машины).
В машиностроении различают детали и узлы общего и специального назначения. Деталями и узлами общего назначения называют такие, которые встречаются почти во всех машинах (болты, валы, подшипники, муфты и др.). Они составляют подавляющее большинство и изучаются в курсе «Детали машин». К деталям и узлам специального назначения относят такие, которые встречаются только в одном или нескольких типах машин (шпиндели станков, поршни, шатуны, коленчатые валы и.др.). Они изучаются в соответствующих специальных курсах («Металлорежущие станки», «Компрессоры» и др.).
Все детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы:
соединительные детали и соединения, которые могут быть неразъемными (заклёпочные, сварные и др.) и разъемными (шпоночные, резьбовые и др.);
передачи вращательного движения (зубчатые, червячные, ременные и др.);
детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.).
Целью курса является изучение основ расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения с учетом режима работы и срока службы машин. При этом рассматривается выбор материала и его термообработка, рациональные формы деталей, их технологичность и точность изготовления.
Детали машин зачастую имеют сложную конфигурацию, работают в различных условиях и далеко не всегда можно получить точную формулу для их расчета. При расчетах деталей машин широко применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые вводят поправочные коэффициенты, устанавливаемые опытным путем и подтверждаемые практикой конструирования и эксплуатации машин.
Детали и узлы общего назначения изготовляют ежегодно в очень больших количествах (в одном автомобиле более пяти тысяч типов деталей), поэтому всякое усовершенствование методов, правил и норм проектирования дает большой экономический эффект.
1.2 Современные направления в развитии машиностроения
Эффективность реконструкции всех отраслей народного хозяйства в решающей мере зависит от машиностроения. Именно в нем материализуются научно-технические идеи, создаются новые системы машин, определяющие прогресс и в других, смежных отраслях экономики.
Перед машиностроителями поставлена задача: резко повысить технико-экономический уровень и качество своей продукции, перейти на выпуск самых новейших машин, станков, приборов.
Чтобы ускорить выпуск новейших машин, намечено в 3÷4 раза сократить сроки разработки и освоения новой техники. При этом предусмотрено, что все вновь осваиваемые виды машиностроительной техники по производительности и надежности должны превосходить в 1,2 ÷ 2 раза выпускаемую аналогичную продукцию, при этом удельная материалоемкость новых машин должна быть снижена на 12 ÷ 18%.
Первоочередное развитие получают такие отрасли машиностроения, как станкостроение, электротехническая промышленность, микроэлектроника, вычислительная техника и приборостроение, вся индустрия информатики – подлинные катализаторы научно-технического прогресса. Темпы прироста выпуска продукции этих отраслей намечены в 1,3 ÷ 1,6 раза выше по сравнению со средним по машиностроению в целом.
В настоящее время создан и получает распространение принципиально новый класс машин, обеспечивающий высокую производительность – автоматизированные производственные системы (участки, цехи, заводы). Ускоренно нарастает производство промышленных роботов, обладающих искусственным зрением, воспринимающих речевые команды и быстро приспособляющихся к изменяющимся условиям работы.
В нашей стране разрабатывается такой новейший класс техники, как роторные и роторно-конвейерные линии, многообразные станки с ЧПУ для машиностроения и металлообработки. По сравнению с обычными видами оборудования они обеспечивают повышение производительности труда в 10 и более раз.
1.3 Требования к машинам и деталям
В соответствии с современными тенденциями к большинству проектируемых машин предъявляются следующие общие требования:
высокая производительность;
Стандартные значения передаточного числа 23
34
34
Таблица 3.8 - Значения коэффициента КFβ 35
Значения коэффициента УF 36
Таблица 4.4 - Значения коэффициента КHβ 42
Таблица 4.8 - Значения коэффициента КFβ 46
Значения коэффициента УF 47
Таблица 5.3 - Допускаемые контактные напряжения для червячных колес из условия стойкости против заедания 53
При конструировании и изготовлении машин должны строго соблюдаться Государственные Стандарты (ГОСТы).
Применение в машине стандартных деталей и узлов уменьшает количество типоразмеров, обеспечивает взаимозаменяемость, позволяет быстро и дешево изготовлять новые машины, а в период эксплуатации облегчает ремонт. Изготовление стандартных деталей и узлов машин производится в специализированных цехах и на заводах, что повышает их качество и снижает стоимость.
Одним из главных требований, предъявляемых к машинам и их деталям, является технологичность конструкции, которая значительно влияет на стоимость машины.
Технологичной называют такую конструкцию, которая требует минимальных затрат при производстве и эксплуатации.
Технологичные конструкции характеризуется:
применением в новой машине деталей с минимальной механической обработкой. При этом широко используется штамповка, точное литье, фасонный прокат, сварка;
унификацией данной конструкции, т.е. применением одинаковых деталей в различных узлах машины;
максимальным применением стандартных конструктивных элементов деталей (резьбы, канавок, фасок и др.), а также стандартных квалитетов и посадок;
применением в новой машине деталей и узлов, ранее освоенных в производстве.
1.4 Критерии работоспособности и расчета деталей машин
Работоспособность деталей оценивается рядом критериев, которые диктуются условиями их работы. К ним относятся: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.
Прочность. Основным критерием работоспособности всех деталей является прочность, т. е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Методы расчетов на прочность изучаются в курсе сопротивления материалов.
В расчетах на прочность первостепенное значение имеет правильное определение допускаемых напряжений [σ] или [τ], которые зависят от многих факторов. К ним относятся:
выбранный материал и способ получения заготовки (литье, поковка и др.), термообработка;
степень ответственности детали и её режим работы;
конфигурация детали и ее размеры;
шероховатость поверхностей и др.
В настоящем пособии конкретные указания о выборе допускаемых напряжений будут рассмотрены в расчетах соответствующих деталей.
Жесткость. Жесткостью называют способность детали под нагрузкой сопротивляться изменению формы и размеров. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием при определении их размеров. Например, жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, а также зубчатых, червячных и других передач.
Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Эти нормы приводятся в справочной литературе.
Износостойкость. Способность детали сохранять необходимее размеры трущихся поверхностей в течение заданного срока службы называют износостойкостью. Она зависит от свойств выбранного материала, термообработки и шероховатости поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, от скорости скольжения и условий смазки, от режима работы и т.д. Износ уменьшает прочность деталей, изменяет характер соединения (при работе появляется дополнительный посторонний шум).
В большинстве случаев расчеты деталей на износостойкость ведутся по допускаемым давлениям [Рm], установленным практикой (расчеты подшипников скольжения и др.). Применение в конструкциях уплотняющих устройств защищает детали от попадания пыли, увеличивая их износостойкость.
Теплостойкость. Теплостойкостью называют способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей во время работы – явление вредное и опасное, так как при этом снижается их прочность, ухудшаются свойства смазки, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заеданию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы проводят тепловые расчеты (расчеты червячных передач, подшипников скольжения и др.).
Виброустойчивость. Виброустойчивостью называют способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, вызывают переменные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания. Расчеты на виброустойчивость рассматриваются в курсе «Теория колебаний» и выполняются для машины в целом.
Соблюдение указанных критериев работоспособности обеспечивает надежность конструкции в течение заданного срока службы.
1.5 Проектный и проверочный расчеты
Проектировочным расчетом называют определение размеров детали по формулам, соответствующим главному критерию работоспособности (прочности, жесткости, износостойкости и др.). Этот расчет применяют в тех случаях, когда размеры конструкций заранее неизвестны. Проектировочные расчеты основаны на ряде допущений и выполняются как предварительные для установления размеров конструируемых деталей.
Проверочным расчетом называется определение фактических характеристик главного критерия работоспособности детали и сравнение их с допускаемыми значениями. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы наклона сечений, температуру и т.д.
Проверочный расчет является уточненным. Его производят, когда форма и размеры детали известны из проектировочного расчета или приняты конструктивно.
Расчет и конструирование органически взаимосвязаны между собой. Конструированием называется творческий процесс создания механизма или машины в чертежах на основе проектных и проверочных расчетов. При разработке конструкции машины рассматривают различные варианты для получения оптимальной конструкции, обеспечивающей требуемые характеристики машины при наименьшей стоимости ее изготовления и эксплуатации.
Конструирование требует всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт эксплуатации машин данного типа, учета специфических факторов и параметров проектируемой машины, а также всех требований современного машиностроения.
1.6 Тематика курсового проектирования
Изучение основ расчета и конструирования Деталей машин завершается выполнением курсового проекта, который способствует закреплению и углублению знаний, полученных при изучении общетёхнических дисциплин: теоретической механики, сопротивления материалов, деталей машин, технологии материалов, черчения, допусков и посадок. Тематика курсового проектирования должна иметь вид комплексной инженерной задачи, включающей кинематические и силовые расчеты, выбор материалов и расчеты на прочность, вопросы конструирования и выполнения конструкторской документации - в виде пояснительной записки, сборочных чертежей и спецификации, а также рабочих чертежей.
Этим требованиям отвечают такие объекты проектирования, как приводы машин и механизмов технологических систем, транспортирующего, грузоподъемного и испытательного оборудования общемашиностроительного назначения. В соответствии с программой курса объектом курсовой работы являются передачи цилиндрические, конические, червячные и передачи гибкой связью. Это объясняется большой распространенностью и важностью их в современной технике. Существенным является и то, что в механическом: приводе наиболее полно представлены основные детали; кинематические пары и соединения, изучаемые в курсе «Детали машин и основы конструирования». В редукторах с передачами зацеплением имеют место зубчатые прямозубые, косозубые и червячные колеса, валы, оси, подшипники, соединительные муфты, соединения резьбовые; штифтовые, валы-шестерни, корпусные детали, уплотнительные устройства. При проектировании редуктора используются и находят практическое приложение такие важнейшие сведения курса как расчеты на контактную и объемную прочность, выбор материала и термообработок, масел, посадок, параметров шероховатости, поверхности и т. д.
Задание на курсовую работу состоит из кинематической схемы привода с перечислением элементов и исходных данных для выполнения расчетов. Предусмотрено десять различных схем приводов, которым присвоен соответствующий номер задания от 1 до 10. В свою очередь для каждой схемы имеется 10 вариантов исходных данных. На установочной сессии преподаватель выдает каждому студенту индивидуальное задание, при этом указывается число, состоящее из двух цифр. Например: 21. Это означает, что студент должен выбрать для расчетов схему №2 и 1й вариант исходных данных, представленных ниже. Таким образом, каждому студенту достается индивидуальное задание на курсовую работу. Получая задание, студент расписывается за него в журнале преподавателя, при этом он берет обязательство выполнения расчетов исключительно в соответствии с исходными данными.
Требования к выполнению и оформлению курсовой работы
Приступая к выполнению курсовой работы по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» требуется:
Изучить теоретический материал по теме задания;
Ознакомиться с указаниями по выполнению задания;
Рассмотреть решение типовой задачи, предложенной в данных методических указаниях;
Уяснить содержание задачи, проанализировать её и найти наилучший вариант решения.
В частности при выполнении кинематических расчетов необходимо ввести обозначение валов привода. Это облегчит выполнение анализа схемы привода, систематизации результатов расчетов и представления их в табличной форме.
Результаты расчетов выполняют с соблюдением правил приближенных расчетов, до двух значащих цифр после запятой и оформляются на бумаге для машинописных работ формата А4 в соответствии с требованиями стандарта по оформлению текстовых документов.
С примером оформления титульного листа и содержания студенты знакомятся оформляя работы на младших курсах.
Чертеж должен быть выполнен по всем правилам черчения с соблюдением ЕСКД.
Проверка и защита контрольной работы. Подготовленная студентом курсовая работа направляется на проверку преподавателю. В случае наличия ошибок требуется их исправление. При отсутствии ошибок и соответствия материала условиям задания работа подлежит «защите». Во время «защиты» курсовой работы студент должен:
показать знание теоретического материала по разделам, относящимся к заданиям;
объяснить и обосновать данное им решение задачи;
продемонстрировать умение работать со справочной и нормативной литературой, уметь решать задачи по разделам курсовой работы.
Задание №1
1– Электродвигатель;
2– Муфта;
3– Редуктор;
4– Цепная передача;
5– Звездочки приводной цепи.
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р, кВт |
2,7 |
3,3 |
4,0 |
4,73 |
5,5 |
3,45 |
4,2 |
5,0 |
5,85 |
6,75 |
Окружная скорость, V м/с |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,45 |
0,5 |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,45 |
0,5 |
Шаг тяговой цепи, t мм |
80 |
80 |
100 |
100 |
125 |
125 |
100 |
100 |
80 |
80 |
Число зубьев тяговой звездочки |
7 |
8 |
9 |
10 |
7 |
8 |
9 |
10 |
7 |
8 |
Расчетный срок службы, лет |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
8 |
6 |
7 |
5 |
4 |
Задание №2
- Электродвигатель
- Муфта
- Редуктор
- Муфта тихоходного вала
- Барабан
- Лента.
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р кВт |
2,0 |
2,31 |
2,64 |
2,99 |
3,36 |
3,75 |
4,16 |
4,59 |
5,0 |
5,5 |
Окружная скорость V м/с |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,8 |
1,9 |
Диаметр барабана dмм |
200 |
225 |
250 |
275 |
300 |
200 |
225 |
250 |
275 |
300 |
Расчетный срок службы, лет |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
6 |
7 |
8 |
7 |
6 |
Задание №3
- Электродвигатель
- Муфта А
- Редуктор
- Муфта В
- Барабан
- Лента транспортера
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р кВт |
1,44 |
1,75 |
2,08 |
2,16 |
2,52 |
2,9 |
3,0 |
3,41 |
2,88 |
3,66 |
Окружная скорость V м/с |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,0 |
1,1 |
0,9 |
1,1 |
Диаметр барабана d мм |
250 |
250 |
250 |
275 |
275 |
275 |
300 |
300 |
300 |
300 |
Расчетный срок службы, лет |
7 |
7 |
7 |
6 |
6 |
6 |
5 |
5 |
5 |
5 |
Задание №4
1 – Электродвигатель;
2 - Муфта; 3 – Зубчато - червячный редуктор;
4 - Цепная передача;
5 – Барабан;
6 – Лента транспортера.
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р, кВт |
0,5 |
0,75 |
1,05 |
1,4 |
1,8 |
2,25 |
2,75 |
3,3 |
3,9 |
4,55 |
Окружная скорость V м/с |
0,25 |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,45 |
0,5 |
0,55 |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
Диаметр барабана Д мм |
250 |
275 |
300 |
325 |
350 |
375 |
400 |
425 |
450 |
475 |
Расчетный срок службы, лет |
5 |
6 |
5 |
5 |
6 |
5 |
6 |
5 |
5 |
5 |
Задание №5
1 – Электродвигатель;
2 – Муфта;
3 – Коническо-цилиндрический
редуктор;
4 – Муфта;
5 – Барабан;
6 – Лента.
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р кВт |
2,0 |
2,31 |
2,64 |
2,99 |
3,6 |
4,0 |
3,64 |
4,59 |
5,04 |
5,51 |
Окружная скорость V м/с |
1,0 |
1,1 |
1,0 |
1,3 |
1,5 |
1,6 |
1,4 |
1,7 |
1,8 |
1,9 |
Диаметр барабана Д мм |
200 |
225 |
250 |
275 |
300 |
200 |
225 |
250 |
275 |
300 |
Расчетный срок службы, лет |
8 |
9 |
9 |
8 |
7 |
7 |
7 |
6 |
6 |
5 |
Задание №6
1 - Электродвигатель;
2 - Муфта;
3 - Цилиндрическо-червячный редуктор;
4 - Звездочка;
5 - Цепь конвейера
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р кВт |
0,5 |
0,66 |
0,84 |
0,98 |
1,12 |
1,04 |
1,04 |
0,77 |
0,6 |
0,45 |
Окружная скорость V м/с |
0,1 |
0,12 |
0,14 |
0,15 |
0,16 |
0,16 |
0,15 |
0,14 |
0,12 |
0,1 |
Шаг тяговой цепи t мм |
80 |
100 |
80 |
100 |
80 |
100 |
80 |
100 |
80 |
100 |
Число зубьев звездочки |
12 |
12 |
10 |
10 |
12 |
12 |
10 |
10 |
12 |
12 |
Расчетный срок службы, лет |
8 |
8 |
7 |
7 |
6 |
6 |
8 |
8 |
7 |
7 |
Задание №7
1 - Электродвигатель;
2 - Муфта;
3 - Двухступенчатый червячный редуктор;
4 - Муфта;
5 – Барабан
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р кВт |
0,3 |
0,42 |
0,56 |
0,68 |
0,8 |
0,56 |
0,72 |
0,91 |
1,05 |
1,2 |
Окружная скорость V м/с |
0,1 |
0,12 |
0,14 |
0,15 |
0,16 |
0,1 |
0,12 |
0,14 |
0,15 |
0,16 |
Диаметр барабана Д мм |
350 |
400 |
450 |
350 |
400 |
450 |
350 |
400 |
450 |
350 |
Расчетный срок службы, лет |
8 |
7 |
6 |
5 |
5 |
6 |
7 |
8 |
7 |
5 |
Задание №8
1 - Электродвигатель; 2 - Муфта; 3 - Коробка скоростей.
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность Р кВт |
2,0 |
2,8 |
3,5 |
4,0 |
5,0 |
4,5 |
3,2 |
2,4 |
2,0 |
1,5 |
Частота вращения птах об/мин |
60 |
63 |
66 |
69 |
72 |
75 |
78 |
81 |
84 |
87 |
Частота вращения nmin об/мин |
24 |
24 |
27 |
30 |
30 |
33 |
33 |
36 |
36 |
36 |
Расчетный срок службы, лет |
5 |
5 |
4 |
4 |
4 |
4 |
5 |
5 |
5 |
5 |
Задание №9
1 - Электродвигатель;
2 - Муфта А;
3 - Червячно-цилиндрический редуктор;
4 - Муфта В;
5 - Коническая зубчатая передача к вертикальному валу.
Величины |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Мощность, Р кВт |
4,0 |
4,2 |
4,4 |
4,6 |
4,8 |
5,0 |
5,2 |
5,4 |
5,6 |
5,8 |
Частота вращения n об/мин |
9 |
12 |
15 |
18 |
21 |
24 |
27 |
24 |
27 |
21 |
Расчетный срок службы, лет |
8 |
8 |
9 |
9 |
7 |
7 |
7 |
8 |
8 |
8 |
Задание №10
1 - Электродвигатель;
2 - Муфта;
3- Редуктор;
4 - Перекрытие;
5 - Звездочка конвейера;
6 - Плоскость хода цепи.
Величины |
Варианты |
||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
||
Мощность Р кВт |
2,5 |
2,8 |
3,0 |
3,3 |
3,5 |
3,4 |
3,0 |
2,6 |
2,4 |
1,9 |
|
Окружная скорость v м/с |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,0 |
1,1 |
1,0 |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
|
Шаг тяговой цепи t мм |
100 |
100 |
100 |
100 |
80 |
80 |
80 |
80 |
80 |
100 |
|
Число зубьев звездочки |
8 |
8 |
7 |
7 |
6 |
6 |
8 |
8 |
7 |
7 |
|
Расчетный срок службы, лет |
7 |
8 |
8 |
6 |
6 |
7 |
7 |
5 |
5 |
8 |