Проектирование механического привода — пошаговое руководство для курсовой работы

Проектирование механического привода для курсовой работы — это комплексная задача, требующая последовательного и точного выполнения расчетов. Начиная с общих кинематических параметров и заканчивая прочностью каждого отдельного элемента, каждый шаг опирается на предыдущий. Цель этого руководства — предоставить вам единый, структурированный алгоритм, который проведет вас через все ключевые этапы проектирования, объединив теорию с практическими примерами расчетов и ссылками на стандарты. Мы последовательно разберем все стадии: от кинематики и выбора двигателя до расчета передач, валов и подшипников.

Этап 1. Как определить ключевые параметры привода и выбрать двигатель

Первый и самый важный этап, от которого зависят все последующие шаги — это кинематический расчет. Его задача — определить требуемые характеристики привода и на их основе подобрать стандартный электродвигатель. Алгоритм действий следующий:

1. Определение общего КПД привода. Общий коэффициент полезного действия (КПД) системы равен произведению КПД всех ее составных частей. Например, для привода, состоящего из червячного редуктора, ременной передачи и подшипниковых опор, формула будет выглядеть так: ηобщ = ηч × ηрем × ηоп. Используя типовые значения (ηч ≈ 0.8, ηрем ≈ 0.95, ηоп ≈ 0.99 для каждой пары опор), получаем: ηобщ ≈ 0.8 × 0.95 × 0.99 ≈ 0.74.
2. Расчет требуемой мощности электродвигателя. Зная мощность на выходном валу (например, Pв = 4.9 кВт) и общий КПД, можно вычислить мощность, которую должен развивать двигатель, по формуле: Pэ.тр = Pв / ηобщ. В нашем примере: Pэ.тр = 4.9 / 0.74 ≈ 6.62 кВт.
3. Подбор стандартного электродвигателя. На основе расчетной мощности и заданной частоты вращения (например, 3000 об/мин) по каталогу выбирается ближайший по параметрам стандартный асинхронный двигатель. В данном случае подошел бы двигатель серии АИР, например, АИР112M2 мощностью 7.5 кВт.
4. Уточнение передаточных чисел. После выбора двигателя с его реальной, а не требуемой, частотой вращения (например, 2895 об/мин), необходимо скорректировать передаточные числа ременной и червячной передач, чтобы обеспечить заданную скорость на выходном валу.
5. Расчет моментов и скоростей. Финальным шагом этапа является полный расчет угловых скоростей и крутящих моментов для каждого вала привода (вала двигателя, промежуточного и выходного валов).

Теперь, когда у нас есть двигатель и известны точные моменты и скорости на валах, мы можем приступить к проектированию сердца нашего привода — редуктора.

Этап 2. Проектирование червячной передачи как ключевого узла редуктора

Червячная передача — один из самых сложных узлов в курсовой работе, требующий внимательного подхода к выбору материалов и определению геометрии. Достоинствами такой передачи являются компактность и возможность получения больших передаточных чисел, однако из-за значительного трения она имеет сравнительно низкий КПД.

Процесс проектирования включает следующие шаги:

• Выбор материалов. Для обеспечения высокой износостойкости и низкого трения материалы пары подбираются по принципу «твердый-мягкий». Червяк, как более нагруженный элемент, изготавливают из твердых углеродистых или легированных сталей (например, сталь 45, 40Х) с последующей термообработкой до твердости HRC ≥ 45. Венец червячного колеса выполняют из антифрикционных материалов, чаще всего из оловянистых бронзовых сплавов (например, БрОФ10-1).
• Определение допускаемых напряжений. На основе выбранных материалов, ресурса работы и условий смазки определяются допускаемые контактные напряжения [σн] и допускаемые напряжения изгиба [σf]. Эти значения являются критически важными для дальнейших расчетов прочности.
• Проектный расчет геометрии. Это ключевая часть, где определяются основные размеры передачи.
  1. Межосевое расстояние (a_w). Рассчитывается на основе крутящего момента на валу колеса (T2) и допускаемых контактных напряжений. Полученное значение округляется до стандартного по ГОСТ 2144-76.
  2. Основные параметры. Определяются модуль зацепления (m), число заходов червяка (z1) и число зубьев колеса (z2). Эти параметры взаимосвязаны и также стандартизованы.
  3. Размеры червяка и колеса. На основе рассчитанных параметров вычисляются все остальные размеры: диаметры делительный, вершин и впадин, ширина венца колеса и длина нарезной части червяка.

Мы спроектировали передачу, получив ее предварительные размеры. Но будет ли она работать надежно? Следующий шаг — убедиться в этом с помощью проверочных расчетов.

Этап 3. Проверочный расчет спроектированной передачи на прочность

После того как основные геометрические параметры определены, необходимо убедиться, что спроектированная передача выдержит рабочие нагрузки. Для этого проводятся проверочные расчеты, основной из которых — по контактным напряжениям, так как именно выкрашивание и заедание являются основными причинами выхода из строя червячных передач.

1. Проверка контактной прочности. Расчет ведется по формуле, основанной на теории Герца, и его цель — убедиться, что расчетное контактное напряжение (σн) не превышает допускаемого значения [σн], определенного ранее. Если условие σн ≤ [σн] выполняется, прочность по этому критерию обеспечена.
2. Проверка изгибной прочности зубьев. Этот расчет является второстепенным для червячных передач, но обязательным. Проверяется прочность зуба червячного колеса у его основания. Расчетное напряжение изгиба (σf) сравнивается с допускаемым [σf].
3. Расчет сил в зацеплении. На этом этапе определяются три ключевые силы, действующие в передаче: окружная сила на колесе (Ft2), равная ей осевая сила на червяке (Fa1), и радиальная сила (Fr). Эти значения являются критически важными для последующего расчета валов и подбора подшипников.
4. Уточнение КПД передачи. На основе полученной геометрии, скорости скольжения и коэффициента трения в зацеплении рассчитывается уточненное значение КПД червячной пары, которое, как правило, оказывается точнее предварительного.

Мы подтвердили, что передача прочна, и вычислили силы, действующие в ней. Теперь эти силы нужно «приложить» к реальным деталям — валам, на которых установлены червяк и колесо.

Этап 4. Эскизное проектирование и конструирование валов редуктора

Этот этап переводит абстрактные расчеты в конкретную геометрию. Задача — сконструировать валы, которые будут передавать крутящий момент и выдерживать нагрузки от зубчатой пары. Валы обычно выполняют ступенчатыми, что удобно для изготовления и сборки.

• Предварительный расчет диаметров. На основе крутящих моментов, действующих на входном (быстроходном) и выходном (тихоходном) валах, по упрощенной формуле на кручение определяются их минимально допустимые диаметры. Это отправная точка для конструирования.
• Разработка эскизной компоновки. Создается эскиз редуктора, на котором схематично располагаются червяк, червячное колесо, подшипниковые опоры и уплотнения. На этом шаге определяются основные осевые размеры: расстояния между опорами и до середины передачи. Это необходимо для последующего расчета реакций в опорах.
• Конструирование ступеней вала. Вал разбивается на участки (ступени) разного диаметра. Предусматриваются посадочные поверхности под подшипники, под ступицу колеса (или для нарезанного червяка), а также упорные буртики для осевой фиксации деталей. Диаметр каждой следующей ступени делают меньше предыдущей для удобства монтажа.
• Подбор шпоночных соединений. Для фиксации червячного колеса на валу и для соединения валов со шкивом или муфтой подбираются стандартные призматические шпонки. Их размеры зависят от диаметра вала и передаваемого крутящего момента.

Валы спроектированы, но они должны на чем-то вращаться. Следующий логический шаг — подобрать подшипники, которые выдержат действующие нагрузки в течение всего срока службы.

Этап 5. Как выбрать подшипники и проверить их долговечность

Выбор подшипников — ответственная задача, от которой напрямую зависит надежность и ресурс всего редуктора. Подбор осуществляется на основе нагрузок и требуемого срока службы.

1. Выбор типов подшипников. Тип подшипника зависит от направления действующих сил.
   • Для червячного вала, который воспринимает значительные осевые силы (Fa1), как правило, используют радиально-упорные шариковые или конические роликовые подшипники. Их устанавливают по специальным схемам для фиксации вала в осевом направлении.
   • Для вала червячного колеса, где осевые силы меньше, чаще всего достаточно радиальных шарикоподшипников.
2. Определение реакций в опорах. Используя эскизную компоновку валов (из Этапа 4) и силы в зацеплении (из Этапа 3), методами статики рассчитывают радиальные и осевые нагрузки, приходящиеся на каждый подшипник.
3. Расчет на заданный ресурс. Главный проверочный расчет — это расчет на динамическую грузоподъемность. По специальной формуле, учитывающей нагрузки, частоту вращения и требуемый ресурс в часах, определяется требуемая динамическая грузоподъемность [C]. Затем по каталогу подбирается стандартный подшипник, у которого каталожное значение C больше или равно требуемому.

Основные «внутренности» редуктора спроектированы и проверены. Теперь необходимо поместить их в защитную оболочку и обеспечить герметичность.

Этап 6. Завершающие штрихи — конструирование корпуса и крышек

Корпус и крышки объединяют все элементы редуктора в единый узел, обеспечивая их точное взаимное расположение, защиту и смазку. Конструкция корпуса разрабатывается на этапе эскизной компоновки, после того как определены размеры передач и валов.

• Конструирование корпуса. Корпуса редукторов чаще всего изготавливают литьем из серого чугуна (например, СЧ15). При конструировании определяют толщину стенок и ребер жесткости, которые придают конструкции прочность и улучшают теплоотвод. Также проектируются посадочные гнезда под наружные кольца подшипников.
• Проектирование крышек подшипников. Крышки закрывают подшипниковые узлы и служат для их фиксации. Различают глухие крышки (со стороны, где вал не выходит наружу) и сквозные (где вал выходит из корпуса). Сквозные крышки имеют отверстие для установки манжетного уплотнения.
• Выбор манжетных уплотнений. Для предотвращения утечки масла и защиты от попадания пыли в местах выхода валов из корпуса устанавливаются стандартные манжетные уплотнения. Они подбираются по диаметру уплотняемой поверхности вала.

Редуктор в сборе спроектирован. Финальным шагом является проверка самых нагруженных элементов — валов — на прочность в уже полностью определенной конструкции.

Этап 7. Финальная проверка валов на статическую прочность и выносливость

Это финальный и самый подробный проверочный расчет, который должен подтвердить, что валы будут работать надежно без поломок и деформаций. Расчет ведут на статическую прочность (для пиковых нагрузок) и на сопротивление усталости (для длительной работы).

1. Построение эпюр моментов. На основе сил от передач и реакций опор, найденных ранее, строятся эпюры изгибающих моментов (в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной) и крутящих моментов по всей длине каждого вала.
2. Определение опасных сечений. Анализируя эпюры, находят сечения, где действуют максимальные изгибающие и крутящие моменты. Как правило, это сечения под ступицами колес, у шпоночных пазов или возле подшипников, так как там возникают концентраторы напряжений.
3. Расчет коэффициента запаса прочности. Для каждого опасного сечения рассчитывается эквивалентное напряжение и определяется коэффициент запаса усталостной прочности. Полученное значение сравнивается с требуемым нормативным коэффициентом (обычно [S] > 1.5-2.5). Если условие выполняется, прочность вала считается обеспеченной.

Все элементы спроектированы и проверены. Работа практически завершена. Осталось подвести итоги и оформить результат.

Заключение

В результате проделанной работы был выполнен полный цикл проектирования механического привода. На основе исходных данных был произведен кинематический расчет и подобран асинхронный электродвигатель АИР112M2 мощностью 7.5 кВт. Была спроектирована и проверена на прочность червячная передача с межосевым расстоянием, стандартизированным по ГОСТ 2144-76, с использованием пары материалов сталь-бронза. Далее были сконструированы входной и выходной валы, определены их диаметры и подобраны соответствующие подшипники: радиально-упорные для вала червяка и радиальные для вала колеса. Финальная проверка валов на статическую прочность и выносливость подтвердила достаточный запас прочности. Представленный пошаговый алгоритм демонстрирует логичную и обоснованную последовательность действий, необходимую для успешного выполнения курсовой работы по проектированию привода.