Редуктор цилиндрический двухступенчатый. Курсовой проект

kursovoy.doc

Обоснование основных конструктивных решений3
Выбор электродвигателя и кинематический расчет4
Расчет быстроходной ступени редуктора4
Расчет тихоходной ступени редуктора4
Предварительный расчет валов редуктора4
Конструктивные размеры шестерен и колес редуктора4
Конструктивные размеры корпуса редуктора4
Первый этап компоновки редуктора4
Расчет ременной передачи4
Проверка долговечности подшипников4
Проверка прочности шпоночных соединений4
Уточненный расчет промежуточного вала4
Редуктором называют механизм состоящий из зубчатых или червячных передач выполненный в виде отдельного агрегата и служащий для передачи мощности от двигателя к рабочей машине.
Назначение редуктора - понижение угловой скорости и повышение вращающего момента ведомого вала по сравнению с валом ведущим.
Нам в нашей работе необходимо спроектировать редуктор для ленточного конвейера а также рассчитать ременную передачу. Редуктор состоит из литого чугунного корпуса в котором помещены элементы передачи.
Входной вал посредством плоскоременной передачи соединяется с двигателем выходной - с конвейером.
Обоснование основных конструктивных решений
Функциональное представление мехатронной системы с определенными входными и выходными переменными (мехатронная система в виде модели «черный ящик»):
Основная функциональная задача МС заключается в преобразовании информации о программе движения в управляемое движение выходного звена. Программа движения может быть задана управляющим компьютером как набор команд высокого уровня или в случае дистанционного управления человеком-оператором с помощью человеко-машинного интерфейса. Управляемое движение осуществляется механической подсистемой ММ и его конечное звено взаимодействует с объектами внешней среды. Внешние воздействия должны эффективно отражаться мехатронным модулем в процессе движения. Информационная обратная связь необходима для оценки текущего состояния ММ как объекта управления и внешней среды в режиме реального времени.
Выполнение функционального движения является основной но не единственной функцией МС. Для эффективной работы должны быть также реализованы некоторые дополнительные функции например реконфигурация системы обмен информации с другим оборудованием самодиагностика.
Представленный на рисунке мехатронный модуль имеет два информационных входа ( программа движения и информационная обратная связь) энергетический вход (реакция внешней среды) и механический выход (целенаправленное управляемое движение). Следовательно функциональная модель мехатронного модуля может быть определена как информационно-механический преобразователь.
Конкретизировав модель путем введения электроэнергетических преобразований получим функциональную модель (F-модель) ММ.
1Разработка F-модели
F-модель в общем случае содержит семь базовых функциональных преобразователей связанных энергетическими и информационными потоками.
В мехатронном модуле необходимо реализовать семь функциональных преобразований. Три из них моноэнергетические (информационный электрический и механический преобразователи) где входные и выходные переменные имеют одну и ту же физическую природу. Остальные четыре являются дуальными (двойственными) так как в них входные и выходные переменные принадлежат различным физическим видам. К этой группе относят информационно-электрический и электромеханический преобразователи расположенный в прямой цепи функциональной модели и параллельные электро-информационный и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи.
2Разработка S-модели
Структурная модель (S-модель) ММ обычно изображается в виде блок-схемы и отражает состав элементов F-модели и связи между ними. При формировании S-модели необходимо использовать функционально-структурную интеграцию т.е. применение структур способных реализовать заданные функции минимальным количеством структурных блоков.
S-модель включает в себя следующие основные элементы:
механическое устройство которое реализует заданное управляемое движение и взаимодействует с внешними объектами. В приводных модулях в качестве таких устройств применяют редукторы вариаторы либо непосредственно используют рабочий орган;
управляемый электродвигатель который является электромеханическим элементом привода;
силовой преобразователь обычно состоящий из усилителя мощности широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и трехфазного инвертора (для асинхронных двигателей);
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) реализующий функцию информационно-электрического преобразователя;
устройство обратной связи которое используют для контроля текущих напряжений и токов в силовом преобразователе а также управляющих функций (например для организации контура регулирования момента развиваемого приводом);
датчики обратной связи по положению и скорости движения выходного звена механического устройства выполняющие функции механико-информационного преобразования;
компьютерное устройство управления движением функциональной задачей которого является информационное преобразование (обработка цифровых сигналов цифровое регулирование расчет управляющих воздействий обмен данными с периферийными устройствами);
интерфейсные устройства обозначенные на блок-схеме как I1-
В зависимости от физической природы входных и выходных переменных интерфейсные блоки могут быть механическими преобразователями движения так и содержать электронные аппаратно-программные компоненты. Примерами механических интерфейсов являются передачи и трансмиссии связывающие выходное механическое устройство с двигателем (интерфейс I4) и датчиками обратной связи (интерфейсы I7 I8).
Интерфейсные электронные устройства расположены на входах и выходах устройства компьютерного управления (УКУ) и предназначены для его сопряжения со следующими структурными элементами:
с цифро-аналоговым преобразователем (встроенный интерфейс I1) и далее с силовым преобразователем модуля (интерфейс I2);
с датчиками обратной связи (интерфейс I7) который в случае применения сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
с устройствами обратной связи для контроля уровня электрических токов и напряжений в силовом преобразователе;
3 Разработка F модели для данного задания
F-модель в общем случае содержит два базовых функциональных преобразователей связанных энергетическими и информационными потоками.
В мехатронном модуле необходимо реализовать два функциональных преобразований. Один моноэнергетический(механический преобразователь). Второй дуальный(электромеханический преобразователь)
4 Разработка S модели для данного задания
5Интеграция мехатронного модуля
Суть интеграции состоит в объединении в единый модуль элементов различной физической природы при сохранении функционального преобразования выполняемого данным модулем.
Интеграция элементов при проектировании мехатронных модулей основана на трех принципах:
реализация заданных функциональных преобразований минимально возможным числом структурных и конструктивных блоков путем объединения двух и более элементов в единые многофункциональные модули;
выбор интерфейсов в качестве локальных точек интеграции и исключение избыточных структурных блоков и интерфейсов как сепаратных элементов;
перераспределение функциональной нагрузки в мехатронной системе от аппаратных блоков к интеллектуальным (электронным и компьютерным) компонентам;
Синергетическую интеграцию в мехатронике осуществляют при проектировании двумя основными способами: функционально-структурной (ФС) интеграцией и структурно-конструктивной (СК) интеграцией.
На этапе ФС-интеграции осуществляется поиск мехатронных структур способных реализовать заданные функциональные преобразования минимальным количеством структурных блоков.
Сравнительный анализ F-модели и S-модели позволяет выделить четыре возможных функциональных преобразовании
Функциональное преобразование
Исключаемые сепаратные элементы
Фотоимпульсный датчик ОС
Механико-информационное
Вентильный высокомоментный двигатель
Электромеханическое и механико-информационное
Механическое устройство сепаратные датчики ОС
Интеллектуальный силовой преобразователь
Информационно- электрическое
Избыточное устройство ОС
Управляющие контроллеры на базе блоков FPGA
Электро-информационное
Первое преобразование предусматривает использование в обратной связи вместо двух отдельных датчиков (положения и скорости) только одного – фотоимпульсного датчика (ФИД). ФИД позволяет получить информацию и об угле поворота вала и о скорости его вращения выдает выходной сигнал в кодовой форме что позволяет вводить информацию в УКУ без аналого-цифрового преобразования.
Второе преобразование реализуемое путем применения вентильного высокомоментного двигателя (ВМД) позволяет заменить исполнительную пару «двигатель + преобразователь движения» на один приводной элемент – двигатель. Этот способ ФС-интеграции означает исключение механического устройства и избыточного интерфейса I4 из структуры привода.
Достоинства ММ с ВМД:
снижение материалоемкости компактность модульность;
повышенные точностные характеристики привода;
исключение трения в механической трансмиссии;
Информационно- электрическое преобразование предусматривает применение интеллектуально-силового преобразователя (ИСП). ИСП содержит встроенные блоки микроэлектроники предназначенные для выполнения интеллектуальных функций – управление движением защита в аварийных режимах и диагностика неисправностей. Использование ИСП позволяет существенно снизить массогабаритные показатели силовых преобразователей повысить их надежность при эксплуатации улучшить технико-экономические показатели.
Электро-информационное преобразование предполагает использование контроллеров движения с блоками FPGA чем достигается исключение цифро-аналогового преобразования сигналов при компьютерном управлении двигателем. Контроллеры на базе FPGA обладают уникальным сочетанием очень высокой производительности с возможностью программирования как обычных микропроцессорных устройств.
СК-интеграция основана на анализе структурной модели ММ которая сформирована на этапе ФС-интеграции. СК-интеграция нацеливает разработчика мехатронных модулей на выбор проектных решений которые обеспечивают исключение интерфейсов как сепаратных блоков путем встраивания их в отдельный корпус. Интеграция элементов в ММ позволяет добиться качественно нового уровня по таким техническим показателям как скорость и точность движения компактность конструкции и способность машины к быстрому изменению конфигурации.
Функциональное преобразования
Встраиваемые элементы
Электромеханическое и механическое
Двигатель механическое устройство
Мехатронный модуль движения
Электромеханическое механическое и механико-информационное
Двигатель механическое устройство датчик ОС
Интеллектуальный модуль движения
Информационное информационно- электрическое электрическое электромеханическое
Управляющий контроллер силовой преобразователь двигатель
6 Сравнительная оценка
6.1 Анализ взаимосвязи мехатронного модуля с внешним окружением
Под внешним окружением понимают всю ту материальную среду которая находясь вне мехатронного модуля оказывает на него какие либо воздействия или испытывает их со стороны мехатронного модуля. Входным воздействием называют такие воздействия на мехатронной модуль которые необходимы для его функционирования т.е. для формирования таких выходных воздействий ради которых и создается мехатронной модуль.
6.2Разработка технических требований
Путь разработки технических требований к ММ на основе анализа технического задания может проходить через такие стадии создания мехатронного модуля как научно исследовательская разработка моделирование промежуточное макетирование а так же может сопровождаться расчетными работами. В перечне технических требований даются технические характеристики мехатронного модуля и параметры отражающие условия его эксплуатации.
6.3 Сравнительная оценка гидро пневмо электроприводов
В электроприводе в качестве исполнительного органа используется электродвигатель система управления двигателем строится на базе интегральной или силовой электроники и электроавтоматики. Преимущество электропривода состоит в высоком КПД хороших регулировочных свойствах высокой экономичности и малых затратах на содержание и эксплуатацию а тек же относительно низкой стоимости электропривода. Исходя из этих преимуществ в данном курсовом проекте применяется электроприводная система.
Выбор электродвигателя и кинематический расчет
- КПД цилиндрической передачи
- КПД пары подшипников качения
- КПД ременной передачи.
Требуемая мощность электродвигателя
В каталоге двигателей серии 4А по ТУ 16-525.564-84 по требуемой мощности электродвигателя и с учетом возможностей привода состоящего из двухступенчатого редуктора для которого Uр=8 25 и ременной передачи для которой UРЕМ=2 4 выбираем электродвигатели мощностью 55 кВт с разными частотами вращения:
Частота вращения обмин
синхронная номинальная
Минимальная частота вращения двигателя
Максимальная частота вращения двигателя
Производим разбивку общего передаточного числа принимая для всех вариантов передаточное число ременной передачи UРЕМ=315.
Наиболее применимым следует считать первый вариант т.к. передаточное число ременной передачи равно 315 (попадает в рекомендуемый диапазон 2 4) а редуктора равно 15 (попадает в рекомендуемый диапазон 8 25).
Разбиваем передаточное число редуктора по ступеням.
Для тихоходной ступени редуктора
Тогда для быстроходной ступени
Для быстроходной ступени принимаем UБ=45.
Для тихоходной ступени принимаем UТ=34.
Для ременной передачи
Частоты вращения валов:
Угловые скорости валов:
Крутящие моменты на валах редуктора:
Расчет быстроходной ступени редуктора
Выбираем материалы для шестерни и колеса. Для шестерни по таблице 3.3[1] принимаем сталь 45 термическая обработка - улучшение твердость HB 230 для колеса принимаем сталь 45 термическая обработка - улучшение твердость HB 200.
Допускаемые контактные напряжения по формуле (3.81)
где- предел контактной выносливости при базовом числе циклов.
По таблице 3.2[1] для углеродистых сталей с твердостью HB350 и термической обработкой (улучшение) =2HB+70;
- коэффициент долговечности принимаем =1.
где LГ- срок службы привода;
tс- продолжительность смены;
Принимая время простоя машинного агрегата 20 % получаем
Коэффициент безопасностипринимаем .
Расчетное допускаемое контактное напряжение по формуле (3.10[1])
=045(482+428)=410 МПа.
Межосевое расстояние по формуле (3.7[1])
где - для косозубых колес;
коэффициент принимаем предварительно по таблице 3.1[1]: при несимметричном расположении колес относительно опор =115; принимаем для косозубых колес раздвоенной ступени коэффициент ширины венца по межосевому расстоянию =025.
Принимаем ближайшее значение по ГОСТ 2185-66 125 мм.
Нормальный модуль зацепления принимаем по следующей рекомендации:
Принимаем по ГОСТ 9563-60 mn=2 мм.
Принимаем предварительно угол наклона зубьев для раздвоенных ступеней
Суммарное число зубьев шестерни и колеса
Число зубьев шестерни
Число зубьев колеса =108-20=88.
Уточненное значение угла наклона зубьев
Основные размеры шестерни и колеса:
диаметры делительные
Диаметры вершин зубьев
Ширина колеса принимаем b2=32 мм.
Ширина шестерни мм=32+4 мм=36 мм.
Коэффициент ширины шестерни по диаметру
Окружная скорость колес и степень точности передачи:
При такой скорости назначаем 8-ю степень точности.
По таблице 3.4[1] при скорости v=223 мс и 8-й степени точности 107;
по таблице 3.5[1] при 078 твердости HB350 и несимметричном расположении колес 108; по таблице 3.6[1] при v=223 мс 10.
Проверка контактных напряжений
Силы действующие в зацеплении:
осевая =955 tg30014=557 Н.
По таблице 3.7[1] при =078 твердости HB350 и несимметричном расположении колес =116.
По таблице 3.8[1] при 8-й степени точности и скорости v=223 мс =11.
Эквивалентные числа зубьев:
Дальнейший расчет ведем для колеса.
Определим коэффициенты и
Расчет тихоходной ступени редуктора
Расчетное допускаемое контактное напряжение 410 МПа.
Межосевое расстояние
Принимаем ближайшее значение по ГОСТ 2185-66 200 мм.
Принимаем по ГОСТ 9563-60 mn=3 мм.
Принимаем предварительно угол наклона зубьев
Число зубьев колеса =131-30=101.
Ширина колеса принимаем b2=63 мм.
Ширина шестерни мм=63+5 мм=68 мм.
По [1] таблица 3.4 при скорости v=1 мс и 8-й степени точности 106;
по [1] таблица 3.5 при 074 твердости HB350 и несимметричном расположении колес 1074; по [1] таблица 3.6 при v=1 мс 1.
осевая =4214 tg10044’=799 Н.
По [1] таблица 3.7 при =074 твердости HB350 и несимметричном расположении колес =116.
По [1] таблица 3.8 при 8-й степени точности и скорости v=1 мс =11.
Предварительный расчет валов редуктора
Диаметр выходного конца при допускаемом напряжении по формуле (8.16[1])
принимаем из стандартного ряда dВ1=25 мм
Диаметр вала под подшипником dП1=30 мм.
Наименьший диаметр вала при допускаемом напряжении
Диаметр под подшипником dП2=40 мм.
Диаметр под колесом dК2=45 мм.
Диаметр выходного конца вала при допускаемом напряжении
принимаем из стандартного ряда dВ3=55 мм.
Диаметр под подшипником dП3=60 мм.
Диаметр под колесом dК4=65 мм.
Конструктивные размеры шестерен и колес редуктора
Быстроходная ступень
Диаметр ступицы колеса 16*45=72 мм.
Длина ступицы (12 15)*45=54 675 мм.
Принимаем lст=60 мм.
Толщина обода =(25 4)*2=5 8 мм.
Толщина диска =03*32=96 мм.
Диаметр ступицы колеса 16*65=104 мм.
Длина ступицы (12 15)*65=78 975 мм.
Принимаем lст=80 мм.
Толщина обода =(25 4)*=75 12 мм.
Толщина диска =03*63=189 мм.
Конструктивные размеры корпуса редуктора
Толщина стенок корпуса и крышки:
Толщина фланцев поясов корпуса и крышки
нижнего пояса корпуса
фундаментных (003 0036)*200+12=18 192 мм
принимаем болты с резьбой М20;
крепящих крышку к корпусу у подшипников
=(07 075)*20=14 15 мм
принимаем болты с резьбой М16;
соединяющих крышку с корпусом
=(05 06)*20=10 12 мм
принимаем болты с резьбой М12;
Первый этап компоновки редуктора
Принимаем зазор между торцом шестерни (ступицей колеса) и внутренней стенкой редуктора =12*8=96 мм. Принимаем А1=10 мм.
Зазор от окружности вершин зубьев колеса до внутренней стенки корпуса =8 мм.
Намечаем для валов редуктора подшипники.
Таблица 7.1- Характеристики подшипников
Условное обозначение
Расчет ременной передачи
По номограмме на рис. 7.3 при n1=2850 обмин Р=447 кВт принимаем ремень
Диаметр меньшего шкива
Принимаем стандартное значение d1=100 мм.
Диаметр большего шкива
Принимаем значение d2=300 мм.
Уточняем передаточное отношение
Межосевое расстояние принимаем в интервалах:
amin=055(d1+d2)+T0=055(100+300)+8=228 мм.
amax= d1+d2=100+300=400 мм. Принимаем aР=300 мм.
Расчетная длина ремня
Принимаем стандартное значение L=1400 мм.
Уточненное значение межосевого расстояния
Угол обхвата меньшего шкива
Коэффициент режима работы по табл.7.10 СР=11.
Коэффициент учитывающий влияние длины ремня для ремня сечением А при
Коэффициент учитывающий влияние угла обхвата .
Коэффициент учитывающий число ремней в передаче СZ=095.
Число ремней в передаче
где по табл. 7.8 для ремня сечения А при d1=100 мм n1=2850 обмин Р0=15 кВт.
Натяжение ветви клинового ремня
Проверка долговечности подшипников
Ft=955 Н Fr=402 Н Fa=557 Н FВ=729 Н
мм l1=50 мм l2=150 мм l3=94 мм
Рис.1- Схема нагружения ведущего вала
Проверка: RY1 +RY2-2Fr-FВ =1405+128-804-729=0
Подбираем подшипник по более нагруженной опоре №1.
Эквивалентная нагрузка по формуле (9.3 [1 ] )
где V=1- вращается внутреннее кольцо подшипника;
коэффициент безопасности по таблице 9.19[1] КБ=13;
температурный коэффициент по таблице 9.20[1] КТ=10.
Расчетная долговечность млн. об. по формуле (9.1 [ 1 ] )
Расчетная долговечность ч по формуле (9.2 [ 1 ] )
Принимаем подшипники средней серии № 306: d=30 мм D=72 мм В=19 мм С=281 кН.
2. Промежуточный вал
Рис.2- Схема нагружения промежуточного вала
Проверка: 804+525+231-1560=0
Этой величине по таблице 9.18[1] соответствует e=025.
Отношение по табл.9.18[1] X =056; Y =175.
Эквивалентная нагрузка
Расчетная долговечность млн.об.
Расчетная долговечность ч
Рис.4 - Схема нагружения выходного вала
Проверка: 1560-296-1264=0
Этой величине по таблице 9.18[1] соответствует e=022.
Отношение по табл.9.18[1] X =056; Y =192.
Проверка прочности шпоночных соединений
Материал шпонок - сталь 45 нормализованная.
Напряжения смятия и условие прочности по формуле ( 8.22 [ 1 ] )
Допускаемые напряжения смятия при стальной ступице =100 120МПа при чугунной =50 70 МПа.
При d=25 мм; мм; t1=4 мм; длине шпонки l=60 мм
При d=45 мм;;t1=55 мм; длине шпонки l=50 мм
При d=55 мм;;t1=6 мм; длине шпонки l=100 мм
При d=65 мм;;t1=7 мм; длине шпонки l=70 мм
Уточненный расчет промежуточного вала
Уточненный расчет состоит в определении коэффициентов запаса прочности s для опасных сечений и сравнении их с допускаемыми значениями [s].Прочность соблюдена при .
Материал вала тот же что и для шестерни т.е. сталь 45 термическая обработка-улучшение.
По таблице 3.3[1] при диаметре заготовки до 90 мм среднее значение 780 МПа.
Предел выносливости при симметричном цикле изгиба
Предел выносливости при симметричном цикле касательных напряжений
Концентрация напряжений обусловлена наличием шпоночного паза.
Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям изгиба
Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям
По таблице 8.5[1] принимаем .
По таблице 8.8[1] принимаем .
Изгибающий момент в сечении А-А
При d=45 мм; b=14 мм; t1=55 мм
При d= 45 мм; b=14 мм;t1=55 мм.
Амплитуда и среднее напряжение цикла касательных напряжений
Результирующий коэффициент запаса прочности
Условие прочности выполнено.
Смазывание зубчатого зацепления производится окунанием зубчатого колеса в масло заливаемое внутрь корпуса до уровня обеспечивающего погружение тихоходного колеса примерно на 20 мм. По таблице 10.8[1] устанавливаем вязкость масла. Для быстроходной ступени при контактных напряжениях 373 МПа и скорости v=223 мс рекомендуемая вязкость масла должна быть примерно равна 28*10-6 м2с.
Для тихоходной ступени при контактных напряжениях 392 МПа и скорости
v=1 мс рекомендуемая вязкость масла должна быть примерно равна 34*10-6 м2с.
Средняя вязкость масла
По таблице 10.10[1] принимаем масло индустриальное И-30А (по ГОСТ 20799-88).
Чернавский С.А. Боков К.Н. Чернин И.М. и др.
Курсовое проектирование деталей машин " М. 1988 г.
Иванов М.Н. Иванов В.Н. " Детали машин. Курсовое проектирование. " М. 1976 г.
Анурьев В. И. «Справочник конструктора машиностроителя». – М.: машиностроение 1982г.
Каргапольцев С. К. Тупицын А. А. «Детали машин и основы конструирования. – Иркутск 2003г.

Shaft exit.dwg

Термообработка: нормализация HB 140 165
Неуказанные предельные отклонения размерпов: отверстий Н14
* Размер для справки

Drive.dwg

Мощность на валу привода
Частота вращения вала выходного вала
Общее передаточное число привода
Тип редуктора- цилиндрический
Тип электродвигателя- 4А100L2У3
Мощность электродвигателя
Частота вращения электродвигателя
Техническая характеристика

Assembly a reducer.dwg

Редуктор цилиндрический
Технические характеристика
Частота вращения входного вала
Крутящий момент на выходном валу
Передаточное число- 15
Технические требования
Плоскость разъема покрыть тонким слоем бакелитового лака по
ГОСТ 901-78 и герметиком по ГОСТ 13489-79
В редуктор залить масло индустриальное И-30А ГОСТ 20799-85

Cover of a reducer.dwg

Формовочные уклоны типа
Неуказанные литейные радиусы 5 8 мм
Предельные отклонения по размерам отливки и припуски на механическую
обработку по 3 классу точности
Размеры в скобках обработать совместно с корпусом редуктора

Wheel gear.dwg

Термообработка: HB 180 210
Неуказанные предельные отклонения размерпов:
отверстий Н14валов h14
Коэффициент смещения
Направление линии зуба

SPriv.doc

Редуктор цилиндрический двухступенчатый
Двигатель 4А100L2 ТУ-8425.564-84
Ремень А-1400 ГОСТ 1284.1-80

SRed.doc

Пояснительная записка
цилиндрический двухступенчатый
Штифт 10х30 ГОСТ 3129-70
Манжета 30х52 ГОСТ 8752-79
Манжета 60х85 ГОСТ 8752-79
Подшипник 206 ГОСТ 8338-75
Подшипник 208 ГОСТ 8338-75
Подшипник 212 ГОСТ 8338-75
Шпонка 8х7х56 ГОСТ 23360-78
Шпонка 14х9х56 ГОСТ 23360-78
Шпонка 14х9х63 ГОСТ 23360-78
Шпонка 16х10х100 ГОСТ 23360-78
Шпонка 18х11х70 ГОСТ 23360-78