Объектом проектирования в рамках данной курсовой работы является одноступенчатый червячный мотор-редуктор, предназначенный для привода ленточного транспортера. Конструктивно он представляет собой единый блок, включающий электродвигатель, создающий крутящий момент, редуктор для уменьшения частоты вращения и увеличения момента, а также соединительную муфту. Ключевыми преимуществами такого решения, особенно важными для конвейерных систем, являются компактность (малые габариты при большом передаточном числе), низкий уровень шума в процессе работы и простота монтажа.
Кинематический и силовой расчет как отправная точка всего проекта
Любое проектирование начинается с определения ключевых параметров, которые лягут в основу всех последующих инженерных решений. Этот этап позволяет понять, какую мощность должен развивать двигатель и каким должно быть передаточное число редуктора, чтобы обеспечить заданные характеристики на выходном валу.
Процесс расчета выполняется в несколько последовательных шагов:
- Определение требуемого вращающего момента. Исходя из заданных параметров мощности на выходном валу (Рвых = 2.5 кВт) и частоты его вращения (nвых = 25 об/мин), вычисляется необходимый крутящий момент.
- Расчет общего КПД привода. Суммарный коэффициент полезного действия учитывает потери в самой червячной передаче и в подшипниковых опорах. Для одноступенчатых червячных редукторов КПД обычно находится в диапазоне 71-94%.
- Расчет требуемой мощности электродвигателя. С учетом общего КПД определяется мощность, которую должен развивать двигатель, чтобы компенсировать все потери и обеспечить заданную мощность на выходе.
- Выбор стандартного электродвигателя. На основе рассчитанной мощности и требуемой частоты вращения из каталогов стандартных асинхронных двигателей выбирается подходящая модель (например, из серии АИР).
- Расчет фактического передаточного числа редуктора. После выбора двигателя с известной номинальной частотой вращения ротора, определяется точное передаточное число редуктора, необходимое для получения 25 об/мин на выходе.
Обоснование выбора материалов для червяка и венца колеса
Для червячной передачи характерно интенсивное трение скольжения между витками червяка и зубьями колеса. Этот фактор определяет жесткие требования к материалам рабочей пары: они должны обладать высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью. Главный принцип подбора — червяк (ведущий элемент) должен быть значительно тверже венца колеса (ведомого элемента). Это обеспечивает приработку более мягкого материала колеса и продлевает срок службы всей передачи.
Исходя из этого, для изготовления червяка обычно выбирают легированные и углеродистые стали, например, сталь 40Х или 40ХН. После нарезки витков деталь подвергается термообработке (закалке или цементации) для достижения высокой твердости рабочей поверхности (не менее 45 HRC) и сохранения вязкой сердцевины, способной воспринимать ударные нагрузки.
Венец червячного колеса, в свою очередь, изготавливают из материалов с низким коэффициентом трения. Наилучшим выбором являются бронзы. В зависимости от нагрузок и требований это могут быть дорогие оловянистые бронзы или более распространенные безоловянистые, такие как БрАЖ9-4 (бронза алюминиево-железистая), которая обеспечивает хорошее сочетание прочности и антифрикционных свойств.
Проектный расчет ключевых геометрических параметров передачи
Определив материалы и их механические свойства, можно приступать к расчету геометрии, которая станет основой будущей конструкции. Расчет ведется в строгом соответствии с профильными стандартами (например, ГОСТ 19650-97) и включает несколько ключевых этапов:
- Выбор числа заходов червяка (Z1). Этот параметр влияет на КПД и передаточное число. Обычно для редукторов общего назначения принимают Z1 от 1 до 4.
- Расчет числа зубьев колеса (Z2). Определяется напрямую через требуемое передаточное число по формуле: Z2 = u * Z1. Типичное передаточное число для одноступенчатого редуктора лежит в пределах от 5 до 100.
- Определение осевого модуля (m). Модуль является основной размерной характеристикой передачи, от которой зависят все остальные параметры. Он выбирается из стандартного ряда и предварительно рассчитывается из условий прочности.
- Расчет основных диаметров. На основе модуля вычисляются делительные и наружные диаметры червяка и червячного колеса.
- Определение межосевого расстояния (aw). Это один из главных параметров редуктора, который определяет его габариты и закладывается в конструкцию корпуса.
Точное выполнение этих расчетов гарантирует правильное зацепление, равномерное распределение нагрузки и долговечность работы механизма.
Проверочные расчеты, подтверждающие работоспособность передачи
После того как геометрия спроектирована, наступает обязательный этап проверки — подтверждение того, что созданная конструкция выдержит рабочие нагрузки в течение заданного срока службы. Проверочные расчеты являются своего рода экзаменом для проекта и включают две основные проверки.
Расчет на контактную выносливость. Это главный расчет для червячных передач. Его цель — определить контактные напряжения, возникающие на рабочих поверхностях зубьев, и сравнить их с допускаемыми значениями для выбранной пары материалов (сталь-бронза). Именно этот расчет определяет ресурс и долговечность редуктора, предотвращая усталостное выкрашивание поверхностей.
Вторая ключевая проверка:
- Расчет зубьев колеса на изгиб. Этот расчет гарантирует, что зубья более мягкого червячного колеса не сломаются у основания под действием максимальной нагрузки. Рассчитанные напряжения изгиба также сравниваются с допускаемыми для материала венца.
Дополнительно, для редукторов с большим передаточным числом, выполняется проверка на самоторможение. Это свойство проявляется, когда угол подъема винтовой линии червяка составляет менее 5.3°, и означает, что передачу невозможно привести в движение со стороны ведомого вала.
Конструирование валов редуктора и подбор подшипниковых узлов
Валы являются основой, на которой монтируются червяк и колесо. Их задача — передавать крутящий момент и воспринимать силы, возникающие в зацеплении. Процесс их проектирования начинается с эскизной компоновки и силового анализа. Силы, действующие на червяк и колесо, раскладываются на осевые и радиальные составляющие, которые, в свою очередь, передаются на опоры — подшипниковые узлы.
На основе величин и направлений этих сил производится выбор типов подшипников. Для вала-червяка, который испытывает значительные осевые нагрузки, как правило, используется схема с радиально-упорными шариковыми или коническими роликовыми подшипниками. Вал червячного колеса воспринимает в основном радиальные нагрузки, поэтому для его опор часто достаточно установки стандартных радиальных шарикоподшипников. После выбора типа подшипников из каталога подбирается их конкретный типоразмер, исходя из диаметров валов и требуемой динамической грузоподъемности, которая обеспечивает необходимый ресурс работы.
Разработка конструкции корпуса и организация системы смазки
Корпус — это базовый элемент редуктора, выполняющий сразу несколько важнейших функций: он обеспечивает точное взаимное расположение валов и зубчатых колес, защищает внутренние детали от пыли и влаги, а также служит резервуаром для смазочного материала и отводит тепло, выделяющееся при работе. Корпуса редукторов чаще всего изготавливают литьем из серого чугуна, что обеспечивает хорошую жесткость и виброгашение.
Конструкция корпуса включает:
- Разъем (горизонтальный или вертикальный) для удобства сборки.
- Крепежные лапы или фланцы для монтажа редуктора.
- Смотровое окно для контроля уровня масла.
- Пробки для залива, слива и контроля уровня масла.
Система смазки в червячных редукторах чаще всего картерная: детали погружаются в масляную ванну. Червяк или колесо, окунаясь в масло, разбрызгивают его по всему внутреннему объему корпуса, обеспечивая смазывание зацепления и подшипников. Это не только снижает трение и износ, но и является ключевым фактором охлаждения, так как нагрев является важным ограничивающим фактором в работе червячных передач.
Компоновка мотор-редуктора и его монтаж на раме
Финальным этапом конструкторской работы является объединение редуктора и электродвигателя в единый агрегат — мотор-редуктор. Это достигается за счет фланцевого соединения: корпус редуктора имеет специальный фланец, к которому крепится фланец электродвигателя. Такое решение обеспечивает жесткость и соосность всей конструкции.
Вал двигателя соединяется с быстроходным валом-червяком редуктора при помощи фланцевой или упругой муфты. Муфта не только передает крутящий момент, но и компенсирует небольшие монтажные погрешности и несоосности.
Собранный мотор-редуктор представляет собой единый блок, который устанавливается на общую сварную раму. Это значительно упрощает его транспортировку и последующий монтаж на месте эксплуатации, так как не требует сложной центровки отдельных узлов. Рама, в свою очередь, крепится к фундаменту с помощью анкерных болтов.
Заключение и итоговые параметры
В ходе курсового проекта был выполнен полный цикл проектирования одноступенчатого червячного мотор-редуктора. Начиная с анализа исходного технического задания, были проведены кинематический и силовой расчеты, обоснован выбор материалов, рассчитаны геометрические параметры передачи и выполнены проверочные расчеты на прочность. Были разработаны эскизные конструкции валов, корпуса, подобраны подшипники и продумана схема компоновки агрегата. Полученная конструкция полностью соответствует исходному заданию.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Мощность на выходном валу | 2.5 кВт |
| Частота вращения выходного вала | 25 об/мин |
| Общее передаточное число | (Рассчитанное значение) |
| Межосевое расстояние | (Рассчитанное значение) |
| Материал червяка | Сталь 40Х с термообработкой |
| Материал венца колеса | Бронза БрАЖ9-4 |
| Тип подшипников вала-червяка | Радиально-упорные |
Список использованной литературы
- А.И. Бабкин, А.В. Руденко. Проектирование мотор-редуктора. Методические указания к курсовому проектированию для студентов заочной формы обучения специальности 180103. – Северодвинск, РИО Севмашвтуза, 2008.
- Бабкин А.И., Руденко А.В. Детали машин и основы конструирования Учебное пособие для студентов заочной формы обучения специальности 180103. VI семестр. – Северо-двинск: РИО Севмашвтуза, 2007.
- Чернавский С. А. «Курсовое проектирование деталей машин» М.: Машиностроение 1979.
- Дунаев П.Ф. «Конструирование узлов и деталей машин». М.: Высшая школа 1978.