Курсовой проект по деталям машин — это не просто набор разрозненных расчетов, а комплексная инженерная задача. Ее главная цель — спроектировать с нуля реально работающий узел, который будет соответствовать заданным требованиям по мощности и долговечности. В центре этой работы находится редуктор — механизм, служащий для понижения угловой скорости и, соответственно, повышения крутящего момента, передаваемого от двигателя к рабочей машине. Это руководство последовательно проведет вас через все ключевые этапы проектирования, от выбора «сердца» привода — электродвигателя — до финального оформления чертежей и пояснительной записки.
Первый и самый ответственный шаг в проектировании любого привода — это определение его энергетических и кинематических параметров. С этого и начнем.
Этап 1. Кинематический и силовой расчет как фундамент вашего проекта
На этом начальном этапе закладываются все базовые параметры будущего механизма. Ошибка здесь может привести к необходимости полностью переделывать всю работу, поэтому важны точность и понимание логики каждого шага. Процесс строится на последовательном определении характеристик привода от двигателя к рабочему органу.
Алгоритм действий выглядит следующим образом:
- Выбор электродвигателя. На основе требуемой мощности и условий работы (например, сменности) из стандартных каталогов подбирается подходящий асинхронный электродвигатель. Фиксируются его номинальная мощность и частота вращения вала.
- Расчет общего передаточного числа. Зная требуемую частоту вращения на выходном валу привода и частоту вращения вала двигателя, определяется общее передаточное число (отношение) привода.
- Разбивка передаточного числа. Полученное общее число необходимо грамотно распределить между ступенями редуктора и открытой передачей (например, ременной). Это важный конструктивный шаг, так как от него зависят габариты и компоновка всего узла.
- Расчет ключевых параметров на валах. Последовательно, от вала двигателя к тихоходному валу редуктора, рассчитываются основные силовые и кинематические характеристики:
- Частоты вращения для каждого вала.
- Мощности, передаваемые валами (с учетом КПД каждой передачи).
- Крутящие моменты на каждом валу — ключевые значения для всех последующих прочностных расчетов.
Теперь, когда у нас есть полная картина по мощностям и скоростям, мы можем приступить к проектированию самого нагруженного элемента — зубчатой передачи.
Этап 2. Проектирование зубчатой передачи, сердца редуктора
Расчет зубчатых колес — центральная часть курсового проекта. Цель этого этапа — не просто подобрать геометрические параметры, а доказать, что спроектированная передача выдержит заданные нагрузки в течение всего срока службы. В большинстве случаев речь идет о проектировании цилиндрической косозубой передачи.
Процесс проектирования включает в себя несколько логических блоков:
- Выбор материалов и допускаемых напряжений. Для шестерни и колеса выбираются материалы, как правило, конструкционные стали (например, сталь Ст6). На основе их механических свойств и требуемого ресурса определяются допускаемые контактные напряжения [σ]H и напряжения изгиба [σ]F, которые являются критериями прочности.
- Проектный расчет. На основе крутящего момента, передаточного числа ступени и допускаемых напряжений определяется основная геометрия: межосевое расстояние, а затем модуль зацепления (m), числа зубьев (z) и ширина венцов (b).
- Проверочный расчет. Это обязательный этап, на котором необходимо доказать работоспособность передачи. Рассчитываются фактические контактные напряжения и напряжения изгиба, которые затем сравниваются с допускаемыми. Условие прочности должно выполняться с запасом.
- Расчет сил в зацеплении. Определяются окружная, радиальная и осевая (для косозубых передач) силы. Эти значения являются исходными данными для последующего расчета валов и подшипников.
Мы спроектировали внутреннюю передачу. Следующий шаг — рассчитать внешнюю, которая передает движение от двигателя к редуктору.
Этап 3. Расчет ременной передачи для связи с двигателем
Ременная передача (чаще всего клиноременная) — распространенное решение для связи двигателя и входного вала редуктора. Она обеспечивает плавность работы, защищает от перегрузок и компенсирует небольшие неточности монтажа. Расчет такой передачи имеет свою специфику.
Алгоритм расчета следующий:
- Выбор типа ремня и геометрии шкивов. Исходя из передаваемой мощности и передаточного отношения, по стандартным таблицам выбирается тип сечения ремня. Затем рассчитываются диаметры ведущего и ведомого шкивов.
- Проверка долговечности. Долговечность ремня напрямую зависит от скорости его движения и частоты пробегов (изгибов) в секунду. Эти параметры проверяются, чтобы они не превышали допустимых значений, гарантируя заданный ресурс работы.
- Расчет необходимого числа ремней. Мощность, которую может передать один ремень, ограничена. Поэтому рассчитывается необходимое количество ремней, способных передать полную мощность двигателя с учетом всех условий эксплуатации.
- Определение силы, действующей на вал. Для обеспечения сцепления ремни требуют предварительного натяжения. Суммарная сила натяжения создает значительную консольную нагрузку на вал редуктора, которую обязательно нужно учесть в дальнейших расчетах на прочность.
Теперь, когда известны все внешние и внутренние силы, действующие на валы, можно определить их предварительные размеры.
Этап 4. Предварительный расчет валов, или создание несущего скелета
Прежде чем приступать к детальной компоновке редуктора и сложным прочностным вычислениям, необходимо определить ориентировочные диаметры валов. Этот этап — быстрый и черновой, но он дает отправную точку для конструирования и позволяет избежать грубых ошибок на последующих стадиях.
Методика предельно проста: валы рассчитываются только на кручение. Зная крутящий момент (рассчитанный на Этапе 1) и выбрав материал для вала (обычно это конструкционная сталь с известным допускаемым напряжением на кручение), по простой формуле находится минимально допустимый диаметр вала. Этот расчет проводится как для быстроходного, так и для тихоходного валов. Полученные значения — это не окончательные размеры, а минимально возможные диаметры на самых ненагруженных участках, которые будут уточняться в дальнейшем.
Имея примерные диаметры валов и размеры зубчатых колес, мы впервые можем собрать все элементы вместе и увидеть будущий редуктор в виде эскиза.
Этап 5. Эскизная компоновка, или первый чертеж вашего редуктора
Эскизная компоновка — это критически важный этап, на котором числовые результаты расчетов впервые превращаются в наглядную конструкцию. Здесь вы, как инженер, визуализируете будущий редуктор, располагая рассчитанные детали в пространстве. На этом этапе на миллиметровой бумаге или в CAD-системе в масштабе вычерчивается схема редуктора.
В процессе компоновки решаются следующие задачи:
- Размещение зубчатых колес и шкивов на валах.
- Предварительное определение мест установки подшипниковых опор.
- Определение основных габаритов корпуса, исходя из размеров внутренних деталей и необходимых технологических зазоров.
Главная ценность этого этапа — раннее выявление проблем. Может оказаться, что детали мешают друг другу, подшипник не помещается на валу или корпус получается слишком громоздким. Внесение изменений на стадии эскиза несоизмеримо проще, чем на стадии готовых чертежей. Наш эскиз дал нам реальные расстояния между опорами и точками приложения сил. Теперь мы можем провести полный, уточненный расчет валов на прочность.
Этап 6. Уточненный расчет валов и подбор подшипников как единая задача
Это, пожалуй, самый трудоемкий и комплексный расчетный этап курсового проекта. Здесь вал рассматривается как сложная балка, работающая на совместный изгиб и кручение. Цель — не просто проверить прочность вала, но и определить реакции в опорах, чтобы на их основе подобрать стандартные подшипники качения и проверить их долговечность.
Процесс делится на несколько шагов:
- Построение расчетной схемы. На основе эскизной компоновки создается точная схема вала с указанием точек приложения всех сил (от зубчатого зацепления, от натяжения ремня) и положением опор.
- Определение реакций в опорах. Методами теоретической механики находятся вертикальные и горизонтальные составляющие реакций в подшипниковых опорах.
- Построение эпюр моментов. Строятся эпюры изгибающих моментов в двух плоскостях и эпюра крутящих моментов по всей длине вала. Это позволяет найти опасные сечения — точки, где напряжения будут максимальными.
- Проверочный расчет на усталостную прочность. В найденных опасных сечениях проводится расчет коэффициента запаса усталостной прочности. Он должен быть выше нормативного значения, что гарантирует длительную работу вала без разрушения.
- Подбор и проверка подшипников. На основе ранее найденных реакций в опорах и диаметров вала из каталога выбираются стандартные подшипники (например, радиально-упорные шариковые). Затем проводится их проверочный расчет на динамическую грузоподъемность, чтобы убедиться, что их ресурс соответствует требуемому сроку службы редуктора.
Основные силовые элементы — передача, валы и подшипники — рассчитаны. Пора «одеть» их в корпус и добавить необходимые вспомогательные детали.
Этап 7. Проектирование корпуса и других важных мелочей
Хотя основные силовые расчеты завершены, работа над конструкцией продолжается. Корпус, крышки, шпонки и уплотнения — это те элементы, которые обеспечивают целостность, герметичность и правильную работу всего механизма. Их проектирование ведется на основе конструктивных, а не прочностных соображений (в рамках курсовой работы).
Ключевые задачи этого этапа:
- Определение размеров корпуса. Назначаются толщины стенок и фланцев корпуса, размеры ребер жесткости. Главная цель — обеспечить жесткость конструкции и точность взаимного расположения валов.
- Выбор уплотнительных элементов. Для герметизации выходных концов валов и предотвращения утечки масла подбираются стандартные манжетные уплотнения, например, по ГОСТ 8752-79.
- Расчет и подбор шпонок. Для передачи крутящего момента с валов на зубчатые колеса и шкивы подбираются и проверяются на смятие стандартные призматические шпонки.
- Снижение шума и вибрации. Хотя отдельного расчета не проводится, на этом этапе важно помнить, что точность изготовления деталей корпуса и зубчатых колес напрямую влияет на уровень шума и вибрации работающего редуктора.
Механизм собран. Чтобы он работал долго и надежно, его необходимо правильно смазывать.
Этап 8. Выбор системы смазки и финальное оформление проекта
Завершающий технический этап — обеспечение долговечности трущихся пар через правильную систему смазки. После этого остается только грамотно оформить всю проделанную работу в соответствии с требованиями.
Смазка в редукторе решает две задачи:
- Смазывание зубчатых передач. Для цилиндрических редукторов чаще всего применяется картерная смазка окунанием. Зубчатое колесо частично погружается в масляную ванну на дне корпуса и при вращении разбрызгивает масло, которое попадает на другие детали.
- Смазывание подшипников. Они могут смазываться как тем же жидким маслом, что и передачи (разбрызгиванием), так и заложенной в них на весь срок службы пластичной смазкой. Выбор зависит от конструкции и условий работы.
Когда все технические решения приняты, формируется итоговый комплект документов. Как правило, курсовой проект включает:
- Пояснительную записку, содержащую все расчеты, обоснования и выводы.
- Чертеж общего вида редуктора — главный графический документ.
- Спецификацию к чертежу общего вида.
- Рабочие чертежи нескольких ключевых деталей (вал, зубчатое колесо, крышка подшипника).
Пройдя все эти этапы, вы выполнили комплексную инженерную работу. Осталось подвести итоги.
В ходе курсового проекта была решена целостная задача по проектированию механического привода. Начиная с исходных данных, был проведен кинематический и силовой расчет, на основе которого подобран электродвигатель. Были спроектированы и проверены на прочность ключевые передачи — зубчатая и ременная. На основе действующих нагрузок были рассчитаны на усталостную прочность валы и подобраны подшипники с требуемым ресурсом. Наконец, была разработана конструкция корпуса, решены вопросы уплотнения и смазки. В результате спроектирован полностью работоспособный узел, полностью соответствующий исходному техническому заданию.
Список использованной литературы
- Г.Л. Баранов Расчет деталей машин: Учебное пособие по курсам «Детали машин и основы конструирования» и «Механика». Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,2005, 172 с.
- П.Ф.Дунаев, О.П.Леликов Конструирование узлов деталей машин: Учеб. пособие для техн.спец.вузов. 6-е изд., исп. М.: Высш. шк., 2000, 447 с: ил.
- Методические указания по выполнению курсового проекта. Г.И.Казанский. Свердловск, УПИ., 1991, 28 с.