Министерство образования и науки Российской Федерации.
Федеральное агентство по образованию.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.
Самарский государственный технический университет.
Кафедра: «Прикладная механика»

Курсовой проект по механике

Студент 2 – ХТ – 2
Руководитель: к. т. н., доцент
Cамара,
2004 г.

Техническое задание №65.
Коническая передача.
Частота вращения вала электродвигателя: .
Вращающий момент на выходном валу редуктора: .
Частота вращения выходного вала: .
Cрок службы редуктора в годах: .
Коэффициент загрузки редуктора в течение года: .
Коэффициент загрузки редуктора в течение суток: .


Содержание
1. Введение_________________________________________________________4
2. Кинематический и силовой расчёт привода__________________________4
2.1 Определение частот вращения валов редуктора______________________4
2.2. Расчёт чисел зубьев колёс________________________________________4
2.3. Определение фактического передаточного отношения_______________5
2.4. Определение КПД редуктора_____________________________________5
2.5. Определение номинальных нагрузочных моментов на каждом валу, схема механизма___________________________________________________5
2.6. Расчёт потребной мощности и выбор электродвигателя, его размеры___5
3. Выбор материалов и расчёт допускаемых напряжений_________________7
3.1. Определение твёрдости материалов, выбор материала для зубчатого колеса____________________________________________________________7
3.2. Расчет допускаемых напряжений _________________________________7
3.3. Допускаемые напряжения на контактную выносливость______________7
3.4. Допускаемые напряжения на изгибную выносливость________________8
4. Проектный и проверочный расчёт передачи__________________________8
4.1. Вычисление предварительного делительного диаметра шестерни______8
4.2. Вычисление предварительного модуля передачи и уточнение его по ГОСТу___________________________________________________________8
4.3. Расчёт геометрических параметров передачи_______________________8
4.4. Проверочный расчёт передачи___________________________________9
4.5. Усилия в зацеплении___________________________________________9
5. Проектный расчёт вала и выбор подшипников ______________________12
6. Эскизная компоновка и расчёт элементов конструкции_______________12
6.1. Расчёт зубчатого колеса________________________________________12
6.2. Расчёт элементов корпуса______________________________________13
6.3. Расчёт мазеудерживающих колец_______________________________13
6.4. Расчёт крышки подшипников__________________________________13
6.5. Выполнение компоновочного чертежа__________________________13
7. Подбор и проверочный расчёт шпоночных соединений _______________14
8. Проверочный расчёт вала на усталостную выносливость______________15
9. Проверочный расчёт подшипников выходного вала на долговечность___18
10. Подбор и расчет соединительной муфты___________________________19
11. Смазывание редуктора__________________________________________19
12. Сборка и регулировка основных узлов редуктора___________________20
13. Список используемой литературы________________________________22
14. Приложения__________________________________________________23

Введение.
Редуктором называют механизм, состоящий из зубчатых или червячных передач, выполненный в виде отдельного агрегата и служащий для передачи вращения от вала двигателя к валу рабочей машины.
Назначение редуктора – понижение угловой скорости и соответственно повышение вращающего момента ведомого вала по сравнению с ведущим.
Редуктор состоит из корпуса (литого чугунного или сварного стального), в котором помещают элементы передачи – зубчатые колеса, валы, подшипники и т.д. В отдельных случаях в корпусе редуктора размещают также устройства для смазывания зацеплений и подшипников или устройства для охлаждения.
Редукторы классифицируют по следующим основным признакам: типу передачи (зубчатые, червячные или зубчато-червячные); числу ступеней (одноступенчатые, двухступенчатые и т.д.); типу зубчатых колес (цилиндрические, конические, коническо-цилиндрические и т.д.); относительному расположению валов редуктора в пространстве (горизонтальные, вертикальные); особенностям кинематической схемы (развернутая, соосная, с раздвоенной ступенью и т.д.).
Конические редукторы применяют для передачи движения между валами, оси которых пересекаются обычно под углом 90. Передачи с углами, отличными от 90 , встречаются редко.
Наиболее распространённый тип конического редуктора - редуктор с вертикально расположенным тихоходным валом. Возможно исполнение редуктора с вертикально расположенным быстроходным валом; в этом случае привод осуществляется от фланцевого электродвигателя
Передаточное число u одноступенчатых конических редукторов с прямозубыми колёсами, как правило, не выше 3; в редких случаях u = 4.При косых или криволинейных зубьях u = 5 (в виде исключения u = 6.3).
У редукторов с коническими прямозубыми колёсами допускаемая окружная скорость (по делительной окружности среднего диаметра) v ≤ 5 м/с. При более высоких скоростях рекомендуют применять конические колёса с круговыми зубьями, обеспечивающими более плавное зацепление и большую несущую способность.

2                   Кинематический и силовой расчет привода.
2.1            Определение частот вращения валов редуктора:
.
Частота вращения первого (входного) вала: .
Частота вращения второго (выходного) вала: .
2.2            Расчёт чисел зубьев передач.
Расчётное число зубьев шестерни  определяют в зависимости от величины передаточного отношения передачи:

Значение  округляют до целого числа  по правилам математики: .
Расчётное число зубьев колеса , необходимое для реализации передаточного числа , определяют по зависимости: .
Значение  округляют до целого числа : .
2.3            Определение фактического передаточного отношения:
.
2.4            Определение КПД редуктора.
Для конического редуктора .
Вращающий (нагрузочный) момент на выходном валу редуктора: .
На входном валу: .
2.5            Определение номинальных нагрузочных моментов на каждом валу, схема механизма.
Мощность на выходном валу редуктора, кВт:
 кВт , где:
 - вращающий момент выходного вала,
 - частота вращения выходного вала.
Расчетная мощность электродвигателя:
,
Данному  соответствует мощность =5,5 кВт, т.е. электродвигатель типа 112М4.

3                    Выбор материалов и расчет допускаемых напряжений для конических передач.
3.1            Определение твёрдости материалов, выбор материала для зубчатого колеса.
Марку стали можно выбрать в зависимости от твердости . Ориентировочно твердость стали можно определить по зависимости:
, где:
- вращающий момент на входном валу редуктора, Нм;
- диаметр вала электродвигателя, мм.
Величину HB округляем до целого числа (в большую сторону), кратного 10: HB=200. По таблице марка стали: сталь 45, вид термообработки – улучшение, предел прочности , предел текучести .
3.2            Расчет допускаемых напряжений.
Исходя из условий эксплуатации и видов повреждений зубчатых колес рассчитывают допускаемые напряжения на контактную  и изгибную  выносливость для наиболее слабого звена в передаче.
Таким звеном для конических передач является шестерня, испытывающая наибольшее количество циклов нагружения в течение заданного срока службы привода L.
Для определения фактического числа циклов нагружения ведущей шестерни за весь период эксплуатации  необходимо знать суммарное время работы передачи в часах , определяемое по формуле:
, где:
 - срок службы редуктора в годах,
 - коэффициент загрузки редуктора в течение года,
 - коэффициент загрузки редуктора в течение суток.
 определяется из формулы:
, где:
- частота вращения вала шестерни.
3.3            Допускаемые напряжения на контактную выносливость.
Допускаемые напряжения на контактную выносливость  определяют по формуле:
МПа, где:
- предел контактной выносливости, МПа; определяют по зависимости:
МПа;
 - коэффициент запаса контактной прочности;
 - коэффициент долговечности; рассчитывают по зависимости:
, здесь  - базовое число циклов:

Диапазон значений  находится в пределах: . Т.к. рассчитанный коэффициент , то принимаем .

3.4            Допускаемые напряжения на изгибную выносливость.
Допускаемые напряжения на изгибную выносливость  определяют по формуле:
МПа, где:
- предел изгибной выносливости, МПа; определяют в зависимости от твердости материала HB:
МПа,
 - коэффициент запаса изгибной прочности;
 - коэффициент долговечности; рассчитывают по зависимости:
, здесь  - базовое число циклов.
Диапазон значений  находится в пределах: . Т.к. рассчитанный коэффициент , то принимаем .

4                    Проектный и проверочный расчёт передачи.
4.1            Вычисление предварительного делительного диаметра шестерни.
Рассчитываем основные геометрические параметры из условия контактно- усталостной прочности активных поверхностей зубьев (с точностью 0,01 мм – для линейных величин, 0,0001 град – для угловых величин):
Внешний делительный диаметр шестерни (предварительное значение) , мм:
мм, где:
 - коэффициент нагрузки, учитывающий неравномерность ее распределения; в курсовом проектировании с достаточной степенью точности можно принять .
4.2            Вычисление предварительного модуля передачи и уточнение его по ГОСТу:
.
По расчетной величине  принимаем ближайшее большее стандартное значение модуля: ,
4.3            Расчёт геометрических параметров передачи
4.3.1     Внешнее конусное расстояние , мм:
.
4.3.2     Диаметр внешней делительной окружности шестерни  и колеса , мм:
,
.
4.3.3     Диаметр внешней окружности вершин зубьев шестерни  и колеса , мм:
,
, где:
 и  - углы делительных конусов, град., равные:
,
.
4.3.4     Расчетная ширина  зацепления колес, мм:
.
Расчетное значение  округляем до целого числа b в большую сторону. Ширина зубчатых колес принимается равной:
.
4.3.5     Внешняя высота зуба , мм:
.
4.3.6     Внешняя высота головки зуба , мм:

Для исключения возможных ошибок в вычислениях при проектном расчете проверяют выполнение условия контактной выносливости:

МПа.
Условие выполняется, значит, расчет верен.
4.4            Проверочный расчет передачи.
Определяем рабочие изгибные напряжения, которые должны быть не больше допускаемых, по зависимости:
,
МПа, где:
 - коэффициент нагрузки при изгибе, учитывающий неравномерность ее распределения и динамичный характер; в курсовом проектировании для колес 7-ой степени точности изготовления можно принять
 - коэффициент формы зубьев шестерни, определяется по зависимости:

Условие изгибной прочности выполняется, расчет верен.
4.5            Усилия в зацеплении.
Для последующих расчетов по оценке работоспособности валов и подшипников определяют силы, возникающие в зацеплении при передаче вращающего момента и действующие на шестерню (обозначены индексом 1) и колесо (обозначены индексом 2):
·                   окружная сила , Н:
Н,
·                   радиальная  и осевая силы , Н:
Н,
Н, где:
 - угол зацепления.

5                    Проектный расчёт вала и выбор подшипников.
При проектном расчёте валов используется основное уравнение прочности при кручении и определяют диаметры консольных участков входного и выходного вала по заниженным касательным напряжениям

, где:
 - крутящие моменты на входном и выходном валах редуктора, Нм,
 - допускаемое касательное напряжение в МПа. Им предварительно задаются в пределах 20÷40 МПа.
Диаметр вала под муфту принимают равным диаметру вала двигателя:

Переход с одного диаметра вала на другой выполняют по зависимости:
, где:
 - диаметр предыдущей ступени в мм,
 - диаметр следующей ступени.
Диаметр посадочной ступени под уплотнение на входном валу:
.
Диаметр посадочной ступени под подшипники качения:
.
Далее конструктивно назначают диаметры участков выходного вала
под уплотнение : , под подшипники : , под зубчатое колесо : .
Диаметр буртика определяется конструктивным обеспечением надёжного контакта торцов вала с внутренним кольцом подшипника или ступицей зубчатого колеса: .
Так как на валах установлены цилиндрические прямозубые колёса, подбирают подшипники роликовые конические однорядные лёгкой серии по ГОСТ 8338 – 75 №7208 и №7209.

6                    Эскизная компоновка и расчёт элементов конструкции.
6.1            Расчёт зубчатого колеса.
 - диаметр ступицы: , принимаем .
 - длина ступицы: , принимаем .
 - толщина диска: , принимаем .
 - толщина обода: .
 - диаметр диска;              
 - диаметр отверстий;       
6.2            Расчёт элементов корпуса.
Толщина корпуса: , принимаем .

Толщина крышки редуктора: , принимаем .
Толщина фланцев корпуса и крышки: .
Толщина нижнего пояса корпуса без бобышки: , принимаем .
Диаметр фундаментных болтов: , принимаем болты с резьбой М 18.
Диаметр болтов у подшипников: , принимаем болты с резьбой М 12.
Диаметр болтов соединяющих основание корпуса с крышкой: , принимаем болты с резьбой М 12.
Наименьший зазор между наружной поверхностью колеса и стенкой корпуса:
По диаметру:
По торцам:
6.3            Расчёт мазеудерживающих колец.
На входном валу:  - диаметр кольца; .
 - ширина кольца: .
 - длина кольца; выбирают конструктивно: .
 - шаг зубьев: .
На выходном валу: , , , .
6.4            Расчёт крышки подшипников.
На входном валу:  - высота крышки, ,
,
где  - диаметр стакана.
На выходном валу:  - высота крышки, ,
, где
 - внешний диаметр подшипника.

6.5            Выполнение компоновочного чертежа.
Примерно посередине листа параллельно его длинной стороне проводят горизонтальную осевую линию; выделяем точку О, через которую проводят вертикальную осевую линию.
От горизонтальной линии откладывают угол , проводят осевые линии делительного конуса ОА. На осевых ОА откладывают внешнее конусное расстояние . Из точек А перпендикулярно ОА откладывают отрезки А1, равные внешнему модулю зацепления : . Точки 1 соединяют с центром О. Из точек А откладывают отрезок АВ, равный ширине зацепления b: . Из точек В проводят перпендикуляры к ОА и убирают лишние линии. Затем вычерчивают конструкцию конического колеса, для которого рассчитаны , , , с, , .
После того, как вычерчена коническая пара колес, начинают компоновку общего вида редуктора. На расстоянии 5мм от торца ступицы колеса и диаметра  проводят горизонтальную и вертикальную линии внутренней стенки корпуса. На расстоянии мм проводят верхнюю горизонтальную линию внутренней стенки. По периметры пунктирной линией показывают толщину стенки корпуса  и основной линией ширину фланца . По размерам , , Т вычерчивают подшипники 2-го вала. По диаметрам ,  вычерчивают ступени 2-ого вала редуктора. Правый подшипник 1-ого вала углубляют в корпус на  и вычерчивают его по размерам . От середины шестерни отмеряют расстояние  и вдоль оси 1-ого вала откладывают отрезок длиной мм, вычерчивают левый подшипник с размерами . Вычерчивают стакан с толщиной стенки мм: мм. Затем крышки подшипников с диаметрами .
Для предотвращения вытекания смазки внутрь корпуса и вымывания пластичного смазочного материала жидким маслом из зоны зацепления устанавливают мазеудерживающие кольца.
Измерением находят расстояния на ведомом валу:  и .

7                    Подбор и проверочный расчёт шпоночных соединений
Под колесо:
Длину шпонки назначают из стандартного ряда так, чтобы она была несколько меньше длины ступицы. Принимаем .
Шпонка 2 - 14х9х63 ГОСТ 23360 – 78.
Соединение проверяют на смятие:
, где:
 - передаваемый вращающий момент, Нм,
 - диаметр вала в месте установки шпонки, мм,
 - высота шпонки, мм,
 - глубина шпоночного паза, мм,
 - рабочая длина шпонки, мм,
, где  - ширина шпонки,
 - допускаемое напряжение на смятие: .
< . Условие выполняется.
Шпонку проверяют на срез:


< . Условие выполняется.
Под муфту на входном валу. Шпонка 2 - 10х8х48 ГОСТ 23360 - 78
;  
;                  
Условия выполняются.
Под муфту на выходном валу. Шпонка 2 - 10х8х63 ГОСТ 23360 - 78
;    
;                  
Условия выполняются.

8                    Проверочный расчёт на усталостную выносливость.
1) По сборочному чертежу составляют расчётную схему вала, на которой представлены все внешние силы нагружения вала:
 - окружная составляющая,
 - радиальная,
 - осевая составляющая сил, действующих в зацеплении (из расчетов).
2) Определяют реакции в опорах в вертикальной и горизонтальной плоскостях  и ,  и . Реакции в опорах вычисляют, составляя уравнение равновесия сил и моментов действующих в каждой плоскости.
В горизонтальной плоскости:
, , откуда
, , откуда
В вертикальной плоскости:
, , откуда
, , откуда
3) Рассчитывают и строят, пользуясь методом сечений, эпюры изгибающих моментов.
В горизонтальной плоскости. На участке : , ,
при , ,
при , .
На участке : , ,
при , ,
при , .
Принимают .
В вертикальной плоскости. На участке : , ,
при , ,
при , .
На участке : , ,
при , ,
при , .
Суммарные изгибающие моменты:
на участке : ,
на участке .
4) Определяют общий коэффициент запаса прочности  который должен быть не менее допускаемого - . В общем машиностроении .
.
где  и  - коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям:

, где:
 - предел выносливости для материала вала при симметричном цикле изгиба, МПа. Назначают марку стали: сталь 45, вид термообработки – закалка, отпуск . Пусть . Пусть сталь легированная, тогда:
;
 - предел выносливости при симметричном цикле кручения, МПа
;
 и  - эффективные коэффициенты концентрации напряжений соответственно при изгибе и кручении,
,
;
 и  - коэффициенты, учитывающие масштабные факторы для нормальных и касательных напряжений:
,
;
 - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности;
 при . Назначают ;
 и  - коэффициенты, учитывающие соотношения пределов выносливости при симметричном и пульсирующем циклах изгиба и кручения: , ;
, , ,  - амплитуда и среднее напряжение цикла соответственно для нормальных и касательных напряжений, МПа:
, где:
 - суммарный изгибающий момент в опасном сечении:
; ;
, где:
Т – крутящий момент на валу, ;
,  - моменты сопротивления изгибу и кручению, поперечного сечения вала с учётом шпоночного паза, мм3
,
,
параметры  и  берут из таблицы.
Общий коэффициент запаса прочности n больше допускаемого .

9                    Проверочный расчёт подшипников выходного вала на долговечность.
1)                 Определяют полные реакции опор:
,
;
2)                 Параметр осевого нагружения:
;
3)                 Осевые составляющие реакций опор:
,
.
4)                 Результирующие осевые нагрузки на опоры:
,
;
5)                 Определение приведённой радиальной нагрузки: ,
где  - коэффициент вращения; при вращении внутреннего кольца ;
 - большее значение  и , Н;
 - коэффициент безопасности;  для подшипников зубчатых передач 7-8 степени точности;
 - температурный коэффициент;  при рабочей температуре ;
, следовательно, , ;
, следовательно, , ;
;
.
6)                 Вычисляют ресурс наиболее нагруженного подшипника:
, где:
 - динамическая грузоподъёмность, Н (справочные данные),
 - частота вращения выходного вала, об/мин.
7)                 Проверяют условие долговечности:
, т.е. условие долговечности выполняется.
10               Подбор и проверочный расчет соединительной муфты.
Муфты подбирают по таблицам из справочников в зависимости от диаметров валов, которые нужно соединить. Затем их проверяют по крутящему моменту: .
, где:
 - расчётный момент, Нм,
 - номинальный момент, Нм,
 - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации, ,
< 200 Нмм.
Подбираем муфту втулочно-пальцевую 250-32-2 ГОСТ 20761-80.

11               Смазывание редуктора.
Вязкость смазочного масла подбирают в зависимости от окружной скорости. Окружную скорость находят по зависимости:
, где:
 - частота вращения (об/мин) и делительный диаметр шестерни, мм.
Пользуясь параметрами контактного напряжения - , и окружной скорости , определяют кинематическую вязкость при температуре  ( ) по таблице. Принимаем .
Конкретную марку масла находят по таблице в зависимости от вязкости и температуры. Выбираем масло «Индустриальное - 20А».
Подшипники в редукторах могут смазываться как пластичными, так и минеральными жидкими маслами путём разбрызгивания в зависимости от условий их работы.
Эти условия выбираются по зависимости:
, где:
 - произведение среднего диаметра подшипника на частоту вращения его кольца, ,
 - частота вращения кольца подшипника, об/мин,
 - средний диаметр подшипника, мм: ,
 - внутренний и наружный диметр подшипника.
Так как , подшипник рекомендуется смазывать пластичным смазочным материалам: солидол С.
Для защиты подшипников от попадания в них жидкого масла устанавливают специальные мазеудерживающие кольца на валах рядом с подшипниками. Для предотвращения вытекания смазочного материала из подшипниковых узлов и попадания в них пыли, влаги в крышках подшипников устанавливают манжетные уплотнения.

12               Сборка и регулировка основных узлов редуктора
Перед сборкой внутреннюю полость корпуса редуктора тщательно очищают и покрывают маслостойкой краской. Сборку производят в соответствии со сборочным чертежом, начиная с узлов валов.
1)                 На ведущий вал насаживают мазеудерживающие кольца и роликоподшипники, предварительно нагретые в масле до , между подшипниками устанавливают распорную втулку. Подшипники ведущего вала монтируют в общем стакане;
2)                 В ведомый вал закладывают шпонку 14 х 9 х 63 и напрессовывают зубчатое колесо до упора в бурт вала, затем надевают мазеудерживающие кольца и устанавливают шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле;
3)                 Собранные валы укладывают в основание корпуса редуктора и надевают крышку корпуса, покрыв предварительно поверхность стыка крышки и корпуса спиртовым лаком. Для центровки устанавливают крышку на корпус с помощью двух конических штифтов; затем болты, крепящие крышку к корпусу;
4)                 После этого в подшипниковые камеры закладывают пластичную смазку (солидол С), ставят крышки подшипников с комплектом металлических прокладок для регулировки;
5)                 Перед установкой сквозной крышки в проточки заключаем манжетные уплотнения. Проверяем, проворачиванием валов отсутствие заклиниваний подшипников (валы должны проворачиваться от руки) и закрепляем крышки винтами;
6)                 Затем ввёртывают пробку маслоспускного отверстия с прокладкой и жезловый маслоуказатель.
7)                 Заливают в корпус масло «Индустриальное 20А» в количестве 1,5 л. и закрывают смотровое отверстие крышки с прокладкой из технического картона; закручивают крышку болтами.
Собранный редуктор обкатывают и подвергают испытанию на стенде по программе, устанавливаемой техническими стандартами.

13               Список используемой литературы:
1)                 Чернавский С. А. Курсовое проектирование деталей машин. М. Машиностроение, 1979.

14               Приложения:
1)                 Спецификация сборочного чертежа редуктора;
2)                 Спецификация общего вида привода;
3)                 Компоновка редуктора;
4)                 Прототип сборочного чертежа;
5)                 Прототип общего вида привода.