Расчет привода для курсовой по деталям машин пошаговая инструкция с примерами

С чего начинается расчет привода и как подготовиться к работе

Расчет привода — это не хаотичный поиск формул, а логичная и последовательная процедура. Не стоит его бояться. Главная цель — определить ключевые параметры всех элементов механизма, от электродвигателя до выходного вала, на который передается усилие к рабочей машине. Весь процесс можно разделить на два больших блока: кинематический и силовой расчеты.

Простыми словами:

• Кинематический расчет отвечает на вопросы «что?» и «с какой скоростью?«. На этом этапе мы определяем требуемую мощность двигателя, общую скорость понижения (передаточное число) и общий коэффициент полезного действия (КПД) всей системы.
• Силовой расчет отвечает на вопрос «с каким усилием?«. Здесь мы вычисляем крутящие моменты на каждом валу, которые и являются главной нагрузкой на детали.

Конечным итогом курсового проекта обычно становится расчетно-пояснительная записка (РПЗ) и комплект чертежей. Представленный здесь материал как раз и является основой для написания ключевого раздела такой записки. Перед началом работы соберите все исходные данные, выданные в задании (мощность на выходном валу, его частоту вращения, срок службы и тип приводимой машины), в одном месте. Это поможет держать их под рукой и не отвлекаться на поиски.

Теперь, когда мы понимаем общую цель и структуру работы, можно приступать к первому и самому главному этапу — кинематическому расчету.

Этап 1. Выполняем кинематический расчет и определяем ключевые параметры системы

Кинематический расчет — это фундамент всего проекта. На этом этапе мы определяем три важнейших параметра, которые лягут в основу всех последующих вычислений: общий КПД, требуемую мощность двигателя и общее передаточное число.

1. Определение общего КПД привода (η_общ)

   Любой механизм имеет потери энергии (например, на трение). Общий КПД показывает, какая доля мощности двигателя «дойдет» до конечного потребителя. Он рассчитывается как произведение КПД всех элементов, входящих в состав привода.

   ηобщ = η1 * η2 * ... * ηn

   Для примера, если наш привод состоит из клиноременной передачи, одноступенчатого цилиндрического редуктора и двух пар подшипников качения, формула будет такой: ηобщ = ηрем * ηцил.ред * η2подш. Используя справочные значения, получаем: 0.95 * 0.97 * 0.99² ≈ 0.90.

2. Расчет требуемой мощности двигателя (Р_треб)

   Двигатель должен быть достаточно мощным, чтобы компенсировать все потери и обеспечить заданную мощность на выходном валу (P_вых), которая дана в задании. Формула проста:

   Ртреб = Pвых / ηобщ

   Если по заданию P_вых = 3 кВт, то Р_треб = 3 / 0.90 = 3.33 кВт.

3. Определение общего передаточного числа (U_общ)

   Передаточное число показывает, во сколько раз привод уменьшает скорость вращения от вала двигателя (n_дв) до выходного вала (n_вых). Оно определяется как отношение этих скоростей. На этом этапе мы используем ориентировочную скорость двигателя, которую выберем на следующем шаге.

Мы получили требуемую мощность. Это абстрактное число. Следующий шаг — выбрать под это число реальный, существующий электродвигатель из стандартного ряда.

Этап 2. Подбираем реальный электродвигатель по каталогу

Электродвигатели не производятся на любую расчетную мощность, они выпускаются со стандартными, дискретными значениями. Наша задача — подобрать из каталога серийный двигатель, который удовлетворит наши требования. Для большинства приводов в деталях машин используются асинхронные трехфазные электродвигатели.

Алгоритм выбора следующий:

1. Берем рассчитанную нами требуемую мощность (в нашем примере Р_треб = 3.33 кВт).
2. Открываем каталог стандартных двигателей (например, общепромышленной серии АИР или 4А) и ищем двигатель, мощность которого является ближайшей большей к нашей расчетной.
3. Из каталога для нашего примера (Р_треб = 3.33 кВт) мы выберем двигатель со стандартной мощностью Р_дв = 4.0 кВт. Важно брать именно с запасом, чтобы гарантировать работоспособность привода при пиковых нагрузках.
4. Выписываем из каталога все параметры выбранного двигателя: мощность (Р_дв = 4.0 кВт), номинальную (синхронную) частоту вращения (например, n_с = 1000 об/мин), его собственный КПД и другие характеристики.

После выбора двигателя необходимо уточнить общее передаточное число привода, используя уже фактическую номинальную скорость двигателя. Крайне важно проверить, чтобы отклонение нового (фактического) передаточного числа от первоначально рассчитанного не превышало допустимый предел, который обычно составляет 3-4%.

Итак, у нас есть «сердце» привода — двигатель — и общее передаточное число. Теперь эту общую «скорость понижения» нужно грамотно распределить между отдельными ступенями привода.

Этап 3. Распределяем общее передаточное число по ступеням привода

Реализовать все понижение скорости в одной передаче (например, в одной паре шестерен) почти всегда нецелесообразно. Это приведет к огромным габаритам ведомого колеса, повышенному износу и шуму. Поэтому общее передаточное число (U_общ) разбивают на несколько ступеней. Оно является произведением передаточных чисел отдельных передач.

Uобщ = U1 * U2 * ... * Un

Для нашего примера с клиноременной передачей и редуктором: Uобщ = Uрем * Uред. Чтобы грамотно выполнить разбивку, нужно ориентироваться на рекомендуемые диапазоны передаточных чисел для каждого типа передач. Это компромисс между габаритами, весом и КПД.

• Клиноременная передача: U_рем = 2…4
• Цепная передача: U_цеп = 2…5
• Цилиндрический одноступенчатый редуктор: U_цил = 3…6.3 (не более 5-8)
• Конический одноступенчатый редуктор: U_кон = 2…4
• Червячный редуктор: U_черв = 8…80

Пример разбивки: Допустим, мы рассчитали, что U_общ = 15. Мы можем принять для клиноременной передачи U_рем = 3.0 (что укладывается в диапазон 2-4). Тогда передаточное число редуктора будет:

Uред = Uобщ / Uрем = 15 / 3.0 = 5.0

Полученное значение U_ред = 5.0 полностью укладывается в рекомендуемый диапазон для цилиндрического редуктора (3-6.3). Значит, разбивка выполнена корректно. Если бы значение не уложилось в диапазон, нам пришлось бы вернуться и изменить U_рем.

Теперь, когда мы знаем передаточные числа каждой ступени, мы можем рассчитать ключевые силовые и кинематические параметры на каждом валу нашей системы.

Этап 4. Проводим силовой расчет для всех валов системы

Этот этап систематизирует все наши предыдущие расчеты и позволяет увидеть полную картину распределения мощностей, скоростей и, главное, крутящих моментов по всей системе. Привод рассматривается как цепочка валов: вал двигателя -> быстроходный вал редуктора -> тихоходный вал редуктора -> вал исполнительного механизма.

Расчет ведется последовательно:

1. Частоты вращения (n, об/мин): Зная скорость двигателя (n_дв) и передаточные числа каждой ступени, мы последовательно «понижаем» скорость:
   • Скорость быстроходного вала редуктора: nб = nдв / Uрем
   • Скорость тихоходного вала редуктора (выходного): nт = nб / Uред
2. Мощности (P, кВт): Мощность также уменьшается от вала к валу из-за потерь, которые мы учли в КПД каждой ступени:
   • Мощность на быстроходном валу: Pб = Pдв * ηрем * ηподш
   • Мощность на тихоходном валу: Pт = Pб * ηцил.ред * ηподш
3. Крутящие моменты (M, Н*м): Это ключевой результат силового расчета. Момент на каждом валу вычисляется по универсальной формуле:

   M = (P * 9550) / n

   Чем ниже скорость вращения и выше мощность, тем значительнее крутящий момент на валу.

Все полученные данные крайне удобно свести в итоговую таблицу. Для таких расчетов часто используют Excel, что позволяет мгновенно пересчитывать все значения при изменении исходных данных.

Пример итоговой таблицы силового расчета

Вал	Мощность P, кВт	Частота n, об/мин	Момент M, Н*м
Вал двигателя	4.0	960	~40
Быстроходный (Б)	3.8	320	~113
Тихоходный (Т)	3.6	64	~537

Мы получили нагрузки (моменты) на валах. Это позволяет нам перейти к самому детальному этапу — конструированию и проверочному расчету конкретных элементов, начиная с передач.

Этап 5. Углубляемся в расчет и проектирование передач

После того как определены базовые кинематические и силовые параметры, начинается этап детального проектирования. Здесь для каждой передачи в приводе (ременной, цепной, зубчатой) проводится свой, отдельный расчет. Его цель — определить конкретные геометрические параметры деталей и проверить их на прочность.

В качестве примера рассмотрим логику расчета зубчатой цилиндрической передачи. Именно величины, найденные нами ранее (мощность на соответствующем валу, крутящий момент и передаточное число ступени), служат исходными данными для этого этапа. Расчет обычно включает две стадии:

1. Проектный расчет. На этом этапе определяются основные геометрические размеры передачи. Рассчитывается межосевое расстояние, после чего определяются модуль зацепления и числа зубьев шестерни и колеса. Цель — получить первичную геометрию.
2. Проверочный расчет. Здесь полученная геометрия проверяется по критериям прочности. Проводится расчет зубьев на контактную выносливость (чтобы предотвратить выкрашивание поверхностей) и на прочность при изгибе (чтобы предотвратить поломку зуба у основания).

Аналогичная логика применяется и к другим типам передач. Например, при расчете цепной передачи определяют шаг и число звеньев цепи, а также диаметры звездочек. При проектировании червячных передач особое внимание уделяют тепловому расчету из-за больших потерь на трение и более низкого КПД.

После того как передачи рассчитаны, мы знаем силы, действующие на валы. Это дает нам все необходимое для конструирования и проверки самих валов.

Этап 6. Конструируем и проверяем валы редуктора на прочность

Вал — один из самых нагруженных и ответственных элементов привода. Его поломка приводит к выходу из строя всего механизма. Поэтому расчет валов проводится особенно тщательно и состоит из трех ключевых этапов для обеспечения максимальной надежности.

1. Предварительный (проектный) расчет. На этом первом шаге диаметр вала определяется очень приблизительно, только на основании действующего крутящего момента и пониженных допускаемых напряжений. Цель этого этапа — получить не точный размер, а лишь ориентировочный диаметр, от которого можно отталкиваться при компоновке.
2. Разработка эскизной конструкции. На основе предварительного диаметра создается конструктивная схема (эскиз) вала. Определяются длины участков под установку подшипников, шестерен, уплотнений и муфт. Эти размеры принимаются конструктивно, исходя из габаритов сопрягаемых деталей и соображений технологичности сборки.
3. Проверочный расчет. Это самый важный и сложный этап. На готовую конструкцию вала прикладываются все реальные нагрузки: не только крутящий момент, но и изгибающие моменты от сил в зацеплении передач. Строятся эпюры изгибающих и крутящих моментов, определяются реакции в опорах (подшипниках). Затем в самых опасных сечениях (обычно там, где есть концентраторы напряжений — галтели, шпоночные пазы) выполняется полный расчет на сопротивление усталости.

Проверочный расчет подтверждает, что спроектированный вал сможет выдержать циклические нагрузки в течение всего срока службы привода без разрушения.

Расчет почти завершен. Осталось собрать все полученные результаты воедино и подвести итоги, чтобы работа имела законченный и структурированный вид.

Этап 7. Формируем итоговую таблицу и завершаем расчет

Хороший инженерный расчет завершается систематизацией полученных данных. Это не только требование к оформлению, но и способ еще раз проверить логику и корректность всей проделанной работы. Итоговая таблица кинематического и силового расчета — это «паспорт» вашего спроектированного привода.

Рекомендуется представить результаты в виде таблицы, где будут отражены все ключевые параметры, которые были найдены в ходе работы. Это наглядно демонстрирует ход ваших мыслей и полученные результаты.

Шаблон итоговой сводной таблицы

Параметр	Обозначение	Формула / Способ определения	Результат
Общий КПД	ηобщ	η1 * η2 * …	0.90
Требуемая мощность	Ртреб	Pвых / ηобщ	3.33 кВт
Выбранный двигатель	—	По каталогу (Рдв > Ртреб)	АИР… 4.0 кВт, 960 об/мин
…и так далее…	…	…	…

В эту таблицу последовательно заносятся все найденные параметры: передаточные числа (общее и по ступеням), а также мощности, частоты вращения и крутящие моменты для каждого вала.

В заключение расчетной части можно написать краткий вывод: «В результате выполненного кинематического и силового расчета был подобран электродвигатель марки АИР… мощностью 4.0 кВт, определены передаточные числа ступеней привода (U_рем = …, U_ред = …), а также рассчитаны силовые и кинематические параметры на всех валах системы. Полученные данные являются основой для последующего проектирования передач, валов и разработки конструкторской документации.«

Список использованной литературы

1. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для машиностроит. спец. учреждений среднего професси¬онального образования. — 5-е издание, дополн. — М.: Машиностроение, 2004. — 560 с.
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т. 2 — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1979. — 559 с.