- •Методические указания к курсовой работе Цель работы
- •Требования к содержанию и оформлению работы
- •Календарный план выполнения работы
- •Второй этап – 3-ая неделя ноября
- •Третий этап – 1 неделя декабря
- •Срок защиты курсовой работы до 12 декабря
- •Содержание
- •Введение ......................................................................................................... 4
- •Часть 1. Оценка параметров основных составляющих
- •1.6. Разработка эскизного проекта конструкции узла редуктора ,,,,,,,,,,,,,,……… _
- •Часть 2. Расчёт зубчатых передач и выбор материалов ..... _
- •Часть 3. Проверочный расчёт узлов и деталей.......................... _
- •Введение
- •1. Оценка параметров основных составляющих привода
- •1.1.2. Энергетическое согласование параметров эд и им
- •1.2. Определение общего передаточного отношения привода
- •1.3. Определение мощностей, частот вращения и крутящих моментов
- •1 .4. Проектировочный расчёт валов,
- •1.4.4. Определение межосевых расстояний
- •1.5. Расчёт геометрических параметров зубчатых передач
- •1.6. Разработка проекта конструкции узла редуктора (рис.6)
- •2. Расчёт зубчатых передач и выбор материалов
- •2.1. Контактная усталостная прочность зубчатых передач
- •Вычислив значения bd по данным таблицы 5, сравните их с максимально допустимыми значениями коэффициента bd, представленными в таблице 7.
- •Максимально допустимые значение коэффициента bd
- •3. Проверочный расчёт узлов и деталей
- •3.1. Проверочный расчёт зубчатых передач по изгибной прочности зубьев
- •3.2. Определение реакций опор
- •Последовательность оценки динамической грузоподъёмности
- •3.3. Разработка технического проекта конструкции узла редуктора (рис. 7)
- •3.4. Выбор марки стали для зубчатых передач
2. Расчёт зубчатых передач и выбор материалов
При разработке технического проекта выполняется прочностной расчёт основных деталей узла редуктора, а именно:
– проектировочный расчёт зубчатых передач (в нашем случае с целью определения твёрдости поверхности зубьев и вида её упрочнения);
– проверочный расчёт подшипников качения;
– проверочный расчёт валов, шпонок и (или шлицов).
2.1. Контактная усталостная прочность зубчатых передач
Основная причина ограничения ресурса закрытых зубчатых передач – усталостное повреждение поверхностей контакта, или усталостное выкрашивание. Критерий контактной усталостной прочности зубьев записывается в виде
H [H], (2.1)
где H , [H] – соответственно расчётное контактное напряжение и допускаемое контактное напряжение, принятое по условию отсутствия усталостного повреждения поверхности зубьев.
Р асчётное значение H для косозубой передачи с внешним зацеплением определяют по формуле
(2.2)
H = 1,18 ZH
где Eпр – приведенный модуль упругости материалов контактирующих зубьев; в данном случае шестерни и колёса изготавливаются из сталей, поэтому Eпр Е = 2,1 105 МПа;
Т1 –момент, передаваемый шестерней рассчитываемой зубчатой пары;
d1 – делительный диаметр этой шестерни;
bd = b / d1 – коэффициент ширины b зацепления относительно делительного диаметра шестерни d1 назначается с учётом следующих условий:
– максимальные значения bd ограничены (таблица 6) в зависимости от схемы расположения колёс относительно опор и твёрдости рабочих поверхностей;
– значение b для передач редукторов должно быть не более (20 ...30)m при Н 350 НВ и не более (15 ...20)m при Н 350 НВ [5].
Вычислив значения bd по данным таблицы 5, сравните их с максимально допустимыми значениями коэффициента bd, представленными в таблице 7.
Таблица 7
Максимально допустимые значение коэффициента bd
Расположение колёс относительно опор |
Рекомендуемые значения |
Н2 350 НВ или Н1 и Н2 350 НВ |
Н1 и Н2 350 НВ |
Симметричное |
bd |
1,2 ... 1,6 |
0,9 ... 1,0 |
Несимметричное |
bd |
1,0 ... 1,25 |
0,65 ... 0,8 |
Если полученное значение bd превышает допустимое, необходимо умень-шить принятое ранее значение b.
При выполнении расчётов по (2.2) заполняйте таблицу 8. Указывайте значения всех величин отдельно для быстроходной и тихоходной передач.
Таблица 8
Параметры проектируемых зубчатых передач
Параметр |
Тихоходная передача |
Быстроходная передача |
Межосевое расстояние |
ат = |
аб = |
Передаточное отношение |
uт = |
uб = |
Момент T1 |
T1 = |
T1 = |
Коэффициент bd |
bd = |
bd = |
Коэффициент К H |
КH = |
КH = |
Окружная скорость , м/с |
= |
= |
Коэффициент К H v |
КH v = |
КH v = |
Коэффициент К H |
КH = |
КH = |
cos |
cos = |
cos = |
Число зубьев шестерни |
z1 = |
z1 = |
Число зубьев колеса |
z2 = |
z2 = |
Коэффициент |
= |
= |
Коэффициент ZH |
ZH = |
ZH = |
Расчётное значение H |
H = |
H = |
К
Коэффициент ZH = КH (cos2/ )1/2 учитывает повышение прочности косозубых передач по сравнению с прямозубыми передачами. Коэффициент торцового перекрытия = [1,88 – 3,22(1/zш+ 1/zк)] cos. Коэффициент КH введён для учёта влияния неточности нарезания зубьев на одновременность многопарного зацепления косозубых цилиндрических передач (таблица 11).
Таблица 9
З
bd
|
Твёрдость поверхности зубьев |
Схема передачи II |
Схема передачи III |
Схема передачи IV |
Схема передачи VI |
0,4 |
350HB 350HB |
1,05 1,11 |
1,03 1,08 |
1,02 1,05 |
1,01 1,01 |
0,6 |
350HB 350HB |
1,08 1,20 |
1,05 1,13 |
1,04 1,08 |
1,02 1,02 |
0,8 |
350HB 350HB |
1,12 1,28 |
1,08 1,20 |
1,05 1,13 |
1,02 1,04 |
1,0 |
350HB 350HB |
1,15 1,38 |
1,10 1,27 |
1,07 1,18 |
1,02 1,06 |
1,2 |
350HB 350HB |
1,18 1,48 |
1,13 1,34 |
1,08 1,25 |
1,03 1,08 |
1,4 |
350HB 350HB |
1,23 - |
1,17 1,42 |
1.12 1,31 |
1,04 1,12 |
1,6 |
350HB 350HB |
1,28 - |
1,20 - |
1,15 - |
1,06 1,16 |
Таблица 10
Значение коэффициента К Hv прямозубых (п) и косозубых (к) колёс [5]
-
Степень точности
Твёрдость поверхности зубьев
Наклон зубьев
Окружная скорость v = d/2, м/с
1
3
5
8
10
6
350НВ
п
1,03
1,09
1,16
1,25
1,32
к
1,01
1,03
1,06
1,09
1,13
350НВ
п
1,02
1,06
1,10
1,16
1,20
к
1,01
1,03
1,04
1,06
1,08
7
350НВ
п
1,04
1,12
1,20
1,32
1,40
к
1,02
1,06
1,08
1,13
1,16
350НВ
п
1,02
1,06
1,12
1,19
1,25
к
1,01
1,03
1,05
1,08
1,10
8
350НВ
п
1,05
1,15
1,24
1,38
1,48
к
1,02
1,06
1,10
1,15
1,19
350НВ
п
1,03
1,09
1,15
1,24
1,30
к
1,01
1,03
1,06
1,09
1,12
Таблица 11
Значение коэффициента КH [3]
-
Степень
точности
Окружная скорость v, м/с
До 1
5
10
20
6
1
1,02
1,03
1,05
7
1,02
1,05
1,07
1,12
8
1,06
1,09
1,13
-
2.2. Выбор поверхностного и объёмного упрочнения
Расчётные значения контактных формуле (2.2) H используем для назначения поверхностного и объёмного упрочнения зубьев шестерен и колёс тихоходной и быстроходной передач.
Требуемые значения предела контактной выносливости зубьев [H lim] данной передачи определим, учитывая (2.1), по формуле
H [H lim] / [sH], или [H lim] H[sH], (2.3)
где [sH] – нормативный коэффициент запаса контактной прочности;
[sH] = 1,1... 1,2 принимаются для зубчатых колёс после нормализации, улучшения или объёмной закалки зубьев и [sH] = 1,2... 1,3 - при поверхностном упрочнении.
Выбор вида поверхностного упрочнения в значительной степени предопределяет марку стали, технологию термической обработки заготовок колёс, технологию поверхностного упрочнения, способы механической обработки зубьев колёс и, следовательно, затраты труда и материалов.
Наименьшие затраты требуются при изготовлении колёс из нормализованных сталей, несколько выше затраты - из сталей после закалки и высокого отпуска (улучшение). В этих случаях для нарезания зубьев используют лезвийный инструмент (зубчатые рейки, червячные и модульные фрезы).
Поверхностное упрочнение (закалка токами высокой частоты – ТВЧ, цементация и нитроцементация, азотирование, см. таблица 11) повышает стоимость изделий. В массовом производстве технологии с закалкой ТВЧ наименее трудоёмки. Цементацию во многих случаях следует заменять нитроцементацией. Высокая твёрдость при этих видах упрочнения получается в результате последующей закалки. Это вызывает коробление и снижает степень точности. Поэтому необходимо обработка поверхности закалённых зубьев абразивным инструментом.
Высокая твёрдость в результате азотирования обусловлена образованием особой структуры в результате весьма длительного насыщения поверхности азотом при температуре высокого отпуска. Коробление при этом практически несущественно, поэтому тонкая механическая обработка лезвийным инструментом выполняется до азотирования и в дальнейшем не требуется обработка абразивным инструментом для получения степени точности ниже пятой.
Оптимизировать выбор вида поверхностного упрочнения можно, только учитывая все виды затрат на изготовление.
Определив требуемое (минимальное) значение [H lim] по (2.3), назначьте вид упрочнения зубьев и твёрдость поверхностного слоя из условия, что предел выносливости H lim должен быть выше требуемого [H lim]:
H lim [H lim]. (2.4)
Значение H lim стальных зубчатых колёс (таблица 12) можно определить, зная вид упрочнения зубьев и используя соответствующие эмпирические соотношения между твёрдостью и пределом контактной выносливости [5, с.168].
Выбор объёмного и поверхностного упрочнения начинайте с оценки возможности использования нормализации углеродистой стали (при НВ 200) или улучшения легированной стали (при НВ 320).
Если предел выносливости H lim зубьев колёс из улучшаемых сталей не удовлетворяет условию (2.4), оцените, можно ли использовать поверхностную закалку ТВЧ, а затем нитроцементацию.
Таблица 12
Значение H lim стальных зубчатых колёс [5, с.168]
-
Термическая обработка
Твёрдость зубьев на
поверхности
Твёрдость зубьев
в сердцевине
Марки
сталей
H lim ,
МПа
Нормализация
Улучшение
180 ... 350 НВ
(нормализация НВ200)
40; 45; 40Х; 40ХН; 45ХЦ; 35ХМ и др.
2 HB + 70
Объёмная
закалка
35 ... 45 НRC
18HRC + 150
Закалка ТВЧ по контуру зуба
(m 3 мм)
Сквозная закалка зуба ТВЧ
(m 3 мм)
54 ... 56 НRC
45 ... 50 НRC
24... 36 НRC
45 ... 50 НRC
40; 45; 40Х; 40ХН; 45ХЦ; 35ХМ и др.
17HRCп+ 200
Цементация + закалка и
низкий отпуск
55 ... 63 НRC
30 ...40 НRC
Легированные цементируемые стали
(20ХФ,20ХН, 18ХГТ,20ХНМ и др.)
23 HRCп
Нитроцементация + закалка и низкий отпуск
57 ... 63 НRC
30 ...40 НRC
Легированные стали
(25ХГМ, 25ХГНМ, 25ХГТ, 30ХГТ и др.)
23 HRCп
Азотирование
550 ... 750 НV
850...1000 НV
24 ... 36 НRC
24 ... 36 НRC
Легированные стали
(35ХМ, 40ХНМА и др.)
Стали, легированные алюминием
(38ХМЮА, 35ХЮ)
1050
Пример 4
Расчётное значение H = 500 МПа. Назначить вид упрочнения зубьев.
Примем [sH] = 1,2, тогда [H lim ] 600 МПа. Зубья колёс из среднеуглеродистых конструкционных сталей после нормализации или улучшения имеют H lim = 2 HB + 70. Условие (2.4) H lim [H lim] удовлетворяется при твёрдости зубьев 235 HB. В данном случае достаточно применить объёмное упрочнение – улучшение. (Нормализация не может быть использована, так как не обеспечивает требуемой твёрдости зубьев).
Пример 5
Расчётное значение H = 800 МПа. Назначить вид термического упрочнения зубьев.
Примем при [sH] = 1,25, тогда [H lim] 1000 МПа. Очевидно, что даже при твёрдости 320 HB улучшение не обеспечивает [H lim], так как H lim = 2 HB + 70 = 710 МПа.
В случае объёмной закалки H lim= 18HRC + 150 и твёрдость должна быть 47HRC; однако, это значение существенно выше среднего значение HRC при объёмной закалке сталей со средним содержанием углерода 0,4%.
При закалке ТВЧ H lim= 17HRCп+ 200 и твёрдость должна быть 47HRC. Такая твёрдость обеспечивается как сквозной закалке ТВЧ, так и тем более закалкой ТВЧ по контуру зуба.
Не исключено, что рациональным по контактной прочности зубьев тихоходной пары окажется один видом поверхностного упрочнения, а зубьев быстроходной пары – другой вид.
Примечание. Поверхностное упрочнение зубьев, обеспечивающее более высокую контактную прочность, в условиях крупносерийного и массового производства обычно экономически предпочтительнее. При неизменном межосевом расстоянии поверхностное упрочнение позволяет снизить массу колёс, уменьшая ширину зацепления согласно (2.1) и (2.2).