Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование (редуктор)

1 ВВЕДЕНИЕ

Название и назначение проектируемого редуктора

В курсовом проекте проводится расчет и проектирование червячной передачи.
Червячная передача - это устройство, которое передает и преобразует крутящий момент между двигателем и приводом.
Червячные редукторы предназначены для передачи вращения между пересекающимися валами с уменьшением угловых скоростей и увеличением крутящих моментов при движении червяка.
Червяк - это винт, червячное колесо - это своего рода косозубое колесо. Червячные передачи классифицируются как зубчато-винтовые.
Червячная передача, в силу своих конструктивных особенностей, имеет как преимущества, так и недостатки.
Из преимуществ стоит отметить плавность хода, эффект самоторможения, низкий уровень шума, большое передаточное отношение с использованием всего двух деталей.
Среди недостатков следует обратить внимание на относительно низкий КПД, повышенный износ, заклинивание, большое тепловыделение из-за сил трения. Низкий КПД обуславливает использование таких механизмов при передаче относительно небольших мощностей до 100 кВт. Чтобы предотвратить быстрый износ и заклинивание, необходимо соблюдать требования к точности сборки и регулировать механизмы.
Разница между редукторами в основном сводится к различиям между червяками и шестернями, из которых собрана эта червячная передача.
Главным элементом механизма является винт, напоминающий червяка, отсюда и название этого редуктора. Достоинствами червячного редуктора являются возможность получить большое передаточное число в одной ступени, небольшие размеры, компактность и крутящий момент. Отметим также плавность хода и самоторможение при определенных передаточных числах без применения тормозных устройств. Есть и обратная сторона медали — подобные механизмы обладают небольшим КПД из-за потерь на трение скольжения в зацеплении
Архимедовый червяк в осевом сечении витка имеет трапецеидальный профиль, очерчен в торцовом сечении архимедовой спиралью; конволютный червяк имеет прямолинейные очертания витка в нормальном сечении; эвольвентный червяк имеет прямолинейный профиль при сечении витка плоскостью, касательной к основному цилиндру червяка, а при сечении плоскостью, перпендикулярной к оси, дает эвольвенту.

Краткое описание конструкции

Червячный редуктор - это механизм, служащий для понижения угловой скорости и увеличения вращающего момента и состоящий из одной червячной передачи, смонтированной в едином закрытом корпусе (картере). Червячная передача состоит из червяка (короткого винта с трапецеидальной или близкой к ней резьбой) и червячного колеса (зубчатое колесо с косыми зубьями дугообразной формы, охватывающими часть червяка, при этом возникает линейный контакт, следовательно, повышается нагрузочная способность). Червячная передача применяется для передачи вращательного движения между валами со скрещивающимися осями. Угол скрещивания осей составляет 900 .

Условия эксплуатации

Характер нагрузки – переменная спокойная. Окружающая среда не регламентирована.
Эксплуатация редукторов, заполненных синтетическим трансмиссионным маслом, допускается при температуре окружающей среды от +10˚С до +30˚С.
При работе редуктора допускается его нагрев до температуры +90˚С.
Для повышения износостойкость целесообразно наносить на рабочие поверхности ведущего и ведомого колес антифрикционные покрытия. Для увеличения адгезии покрытия нанесенного на червяк рекомендуется выполнять поперечные канавки на рабочих поверхностях зубьев ведомого и ведущего колес без выхода на торцевую поверхность зуба, при этом длина поперечной канавки должна быть меньше ширины зуба зубчатого колеса, а сами канавки выполнены на всю толщину износостойкого покрытия на расстоянии, не меньшем десяти толщин покрытия.


Определение ресурса редуктора


Срок службы (ресурс) L_h, ч, определяется по формуле:
L_h=Lt_"\г\о\д" K_"\г\о\д" L_"\с\м" t_"\с\м" K_"\с\м" ,
где L – срок службы привода, лет;
t_"\г\о\д" – количество рабочих дней в году (t_"\г\о\д" = 250 или 365 дней при пятидневной или семидневной рабочей неделе соответственно, в зависимости от характера производства);
K_"\г\о\д" – коэффициент годового использования (если не указан в задании, то K_"\г\о\д" = 1);
L_"\с\м" – количество смен (L_"\с\м" = 1, 2 или 3 смены);
t_"\с\м" – продолжительность смены (t_"\с\м" = 8 часов);
K_"\с\м" – коэффициент загрузки за смену.
Так как в задании не сказано о характере изменения тягового усилия F за время эксплуатации, считаем как самый неблагоприятный вариант, что режим нагрузки – постоянный, т.е. за все время работы привода рабочая нагрузка не меняется, и равна тяговому усилию F.
Lh = 3,525018=7 000 ч.
 
2 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.1 Определение требуемой мощности редуктора

Требуемая мощность электродвигателя [1, с. 5]
Nэ.тр = Nв/ηобщ,
где ηобщ = η1 η2 η3 ...
Здесь η1, η2, η3 ... - КПД отдельных звеньев кинематической цепи, ориентировочные значения которых с учетом потерь в подшипниках можно принимать по табл. 1.1 (1, с. 6).
Общий КПД привода
ηобщ = ηзηмηоп;
где ηз - КПД червячной передачи; ηрем - КПД ременной передачи; ηм - КПД соединительной муфты; ηоп - КПД опор редуктора.
По табл. 1.1: η_"\ч\п" =0,"\7\5" ; ηрем = 0.95; ηм = 0.98; ηоп = 0.992;
Тогда
ηобщ = 0,75∙0,95∙0,98∙0,992 = 0,68;
Частота вращения тихоходного вала редуктора (выходного вала редуктора):
ω_вых=(π×n_вых)/30=(π×15)/30=1,57сек-1
Мощность на выходном валу редуктора
Рвых=Мвыхω/1000=6501,57/1000=1,02 кВт
Требуемая мощность электродвигателя
Pэ.тр = 1,02 / 0,68 = 1,5 кВт;
Требуемую частоту вращения вала электродвигателя вычислим, подставляя в формулу для nэ.тр средние значения передаточных чисел из рекомендуемого диапазона для присутствующих передач.
nэ.тр = nв ∙ Uцил ∙ Uр = 15 ∙ 32 ∙ 3 = 1440 мин-1;
где Uцил - передаточное число червячного редуктора; Uр - пердаточное число ременной передачи.
По табл. 24.9 [1, с. 417] выбираем электродвигатель АИР 80В4: P = 1,5 кВт; n = 1390 мин-1.
После выбора n определяют общее передаточное число привода [1, стр. 8]
Uобщ = n/nв;
Uобщ =1390/15=92,7
Принимаем окончательно передаточное число редуктора [5, с.43]:
u_цп=32
Тогда передаточное число открытой ременной передачи:
u_оп=u_общ/u_чп =92,7/32=2,9,
что входит в рекомендуемые пределы.
Мощность на быстроходном валу редуктора (с учетом потерь на трение в подшипниках вала):
Р_бв=Р_эд×η_п=1,5×0,99×0,95=1,41кВт.
Мощность на выходном валу (с учетом потерь на трение в червячной передаче и подшипниках вала):
Р_вых=Р_бв×η_чп×η_п=1,41×0,75×0,99=1,05кВт.

2.2 Определение на каждом валу редуктора частоты вращения, угловой скорости, мощности и вращающего момента
2.2.1 Частота вращения и угловая скорость вала электродвигателя:
nэд=1390 об/мин; ω_эд=(π×n_эд)/30=(π×1390)/30=145,5сек-1
Частота вращения быстроходного вала редуктора:
nбв = 1390/2,9=479,3 об/мин; ω_бв=50,8сек-1
Частота вращения тихоходного вала редуктора (выходного вала редуктора):
ω_вых=(π×n_вых)/30=(π×15)/30=1,57сек-1
2.2.2 Вращающий момент на валу электродвигателя:
М_эд=(Р_эд×1000)/ω=(1,5×1000)/145,5=10,3 Н∙м.
Вращающий момент на быстроходном валу редуктора:
М_бв=(Р_бв×1000)/ω=(1,41×1000)/50,8=27,75 Н∙м.
Вращающий момент максимальный на тихоходном (выходном) валу:
М_вых=(Р_вых×1000)/ω=(1,05×1000)/1,57=668 Н∙м.

2.7 Таблица с результатами расчета

Результаты расчетов заносим в таблицу 2.2.
Таблица 2.2
Кинематические и силовые параметры привода
Вал Частота вращения n, об/мин Угловая скорость , сек-1 Мощность P, кВт Вращающий момент M, Нм
Вал двигателя 1390 145,5 1,5 10,3
Быстроходный вал 480 50,8 1,41 27,75
Тихоходный вал 15 1,57 1,02 650

 
3 РАСЧЕТ ЗАКРЫТЫХ ПЕРЕДАЧ

Исходные данные для проектирования
Вращающий момент на колесе M_("\к\р"2)=650 Н∙м;
Частота вращения колеса n_2=15 об/мин;
Передаточное число u=32;
Время работы передачи (ресурс) L_h=7000 ч;
Условия работы: реверсивность, средние динамические нагрузки.
Предварительная скорость скольжения:
ν_ск=0,45×〖10〗^(-3)×n_2×u×∛(М_кр2 )=0,45×〖10〗^(-3)×15×32×∛650=9,8м/сек.

3.1 Выбор материала и термообработки

По рекомендациям п. 3.6.1 [3], с учетом предварительной скорости скольжения v_"\с\к" =9,8 м/сек, выбираем материал венца червячного колеса из группы I – оловянная бронза БрО10Ф1, выбираем литье в кокиль. По табл. 3.1 [3] прочностные характеристики для бронзы БрО10Ф1: σ_в=245 МПа, σ_т=195 МПа.
По рекомендациям п. 3.6.2 [3], с учетом материала венца червячного колеса выбираем материал червяка – сталь 40ХН с поверхностной закалкой до твердости 48…53 HRC с последующей шлифовкой. Степень точности изготовления червяка – 8.
По рекомендациям п. 3.2 [3], с учетом характера передачи (среднескоростная силовая передача) и передаваемой мощности (свыше 2 кВт), выбираем эвольвентный червяк ZJ.


3.2 Определение допускаемых напряжений при расчете на контактную и изгибную усталостную прочность
3.2.1 Допускаемые контактные напряжения (для группы I):
Допускаемые контактные напряжения:
[σ]_H=K_"HL" C_v [σ]_"Ho" .