Введение

Курсовой проект по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» является важной самостоятельной инженерной работой студента, охватывающей вопросы расчта на прочность, жсткость, износостойкость, долговечность и другие виды работоспособности деталей машин. Выполнение проекта

базируется на знании физико-математических и общетехнических дисциплин: математики, механики, сопротивления материалов, технологии металлов, машиностроительного черчения. Курсовое проектирование неизбежно связано с использованием необходимой технической литературы, справочников и прикладных компьютерных программ по проектированию машин.

Умение правильно и эффективно пользоваться технической литературой, действующими государственными стандартами, а также прикладными компьютерными программами, дат студенту возможность быстрого использования полученных знаний в производственных условиях.

В процессе курсового проектирования студенты должны освоить единство конструктивных, технологических и экономических решений, компромиссный характер параметров конструкции любой машины, а также уяснить возможность многовариантности конструктивных решений, как отдельных узлов, так и машин в целом.

Основной тематикой курсового проектирования являются приводы машин и механизмов. Цель данного пособия — оказание помощи студентам в выполнении курсового проекта по указанной теме.

В пособии даны как методики расчетов зубчатых передач и передач гибкой связью, так и приведены примеры выполнения, различных разделов расчетнопояснительной записки курсового проекта.

В связи с ограниченным объемом пособия не ставилось целью дать подробную разработку курсового проекта, предполагая, что при решении этих вопросов студенты должны пользоваться атласами конструкций деталей машин. По тем же соображениям данные справочного характера из стандартов приводятся в сокращенном объеме.

Пособие построено таким образом, что его структура и содержание отвечают порядку работы студента над проектом и способствуют сокращению времени на поиск нужного материала. Терминология и обозначения соответствуют действующим стандартам. Все сведения, необходимые для выполнения очередного этапа расчетов и конструирования, расположены практически в одном месте.

Учебное пособие предназначено для студентов инженерных специальностей, обучающихся по направлению подготовки 110800 «Агроинженерия» (квалификация (степень) «бакалавр»).

~6~ 1 Основные положения курсового проектирования Разработка машин, отвечающих потребностям народного хозяйства, должна предусматривать их экономическую эффективность, высокие технические и эксплуатационные показатели.

Основные требования, предъявляемые к создаваемой машине: высокая производительность, надежность, технологичность, ремонтопригодность, минимальные габариты и масса, а также удобство эксплуатации, экономичность и техническая эстетика. Все эти требования учитывают в процессе проектирования и конструирования.

Проектирование — это разработка общей конструкции изделия.

Конструирование — это дальнейшая детальная разработка всех вопросов, решение которых необходимо для воплощения принципиальной схемы в реальную конструкцию.

Проект — это документация, получаемая в результате проектирования и конструирования.

Правила проектирования и оформления конструкторской документации стандартизованы. ГОСТ 2.103 - 68 устанавливает стадии разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей промышленности и этапы выполнения работ: техническое задание, техническое предложение (при курсовом проектировании не разрабатывается), эскизный проект, технический проект, рабочая документация.

Техническое задание на проект содержит общие сведения о назначении разрабатываемой конструкции, а также предъявляемые к ней эксплуатационные требования, режим работы и ее основные характеристики (технологические, геометрические, кинематические).

Эскизный проект (ГОСТ 2.119 - 73) разрабатывается обычно в одном или нескольких вариантах и сопровождается обстоятельным расчетным анализом, в результате которого отбирается вариант для последующей разработки.

Технический проект (ГОСТ 2.120 - 73) охватывает подробную конструктивную разработку всех элементов оптимального эскизного варианта с внесением ~7~ необходимых поправок и изменений, рекомендованных при утверждении эскизного проекта.

Рабочая документация — конструкторская документация, необходимая для изготовления всех ненормализованных деталей (чертежи деталей, сборочных чертежей, спецификации). Разрабатывается на заключительной стадии конструирования.

В условиях учебного заведения стадии проектирования несколько упрощаются, что будет указано при поэтапном выполнении работ.

Цель и задачи курсового проектирования деталей машин. Студенты инженерных специальностей, изучающие курс «Детали машин и основы конструирования» за период обучения выполняют, как правило, три проекта: общеинженерный по деталям машин, проект по специальности и квалификационный (дипломный) проект. К моменту выполнения дипломного проекта студенты должны обладать достаточными навыками проектирования и конструирования и прочными знаниями по специальности.

Цель курсового проектирования - формирование у студентов навыков конструирования машин.

Задачи курсового проектирования:

- систематизировать, закрепить и расширить теоретические знания, а также развить расчетно-графические навыки учащихся;

- ознакомить учащихся с конструкциями типовых деталей и узлов и привить навыки самостоятельного решения инженерно-технических задач, умения рассчитать и сконструировать механизмы и детали общего назначения на основе полученных знаний по всем предшествующим общеобразовательным и общетехническим дисциплинам;

- помочь овладеть техникой разработки конструкторских документов на различных стадиях проектирования и конструирования;

- научить защищать самостоятельно принятое техническое решение.

Работая над проектом, учащиеся выполняют следующее: дают анализ назначения и условий, в которых находится каждая проектируемая деталь, определяют наиболее рациональное конструктивное решение с учетом технологических, монтажных, эксплуатационных и экономических требований; производят кинематические расчеты, определяют силы, действующие на звенья узла, производят расчеты конструкций на прочность, решают вопросы, связанные с выбором материала и наиболее технологичных форм деталей, продумывают процесс сборки и разборки отдельных узлов и машины в целом. При этом они работают с действующими стандартами и нормалями, справочной литературой и приобретают навыки пользования ими при выборе конструкции и размеров детали.

Организация курсового проектирования. Курсовой проект по деталям машин должен отвечать программе курса и вместе с тем тематику курсового проектирования целесообразно увязывать с будущей специальностью учащихся.

Тематика технического задания на курсовой проект по деталям машин составляется так, чтобы студент мог освоить основы проектирования наибольшего числа общих элементов машин: передач, соединений, муфт, подшипниковых узлов и пр. Удовлетворению этих требований в наибольшей мере отвечают приводы, включающие одноступенчатый редуктор и открытую передачу (ременную, цепную).

Объем всех технических заданий (ТЗ) одинаков - проектированию подлежит механический привод, состоящий из двигателя, одноступенчатого редуктора, открытой передачи и муфты.

Работа по выполнению проекта состоит из последовательно решаемых задач. Содержание задач однотипно: условие (цель) задачи; ход ее решения; полученный ответ; справочные материалы приводятся по ходу решения задачи.

Все задачи проекта по их содержанию и характеру выполнения делятся на три категории: расчетные, графические и расчетно-графические. Возможные варианты технического задания на курсовой проект с типовым объемом проектной работы представлены ниже.

Для студентов дневной формы обучения номера заданий и вариантов определяет преподаватель.

Для студента-заочника номер технического задания (ТЗ) выполняемого проекта устанавливается по сумме двух последних цифр шифра, а вариант задания ~9~ — по последней цифре шифра. Например, учащийся с шифром 2967 выбирает для проектирования задание 13, вариант 7; учащийся с шифром 8500 выбирает задание 10, вариант 10 и т.п.

Самостоятельная работа над проектом определяет качественное и своевременное выполнение отдельных задач и проекта в целом. Можно рекомендовать следующий порядок ее подготовки и выполнения:

в соответствии с содержанием задачи тщательно проработать теоретический материал по учебнику и конспекту;

осмыслить цель, задачи и изучить последовательность их выполнения;

внимательно изучить характерные ошибки, которые возможны при решении разделов;

заготовить необходимые принадлежности для работы (тетрадь, карандаши, микрокалькулятор, миллиметровую бумагу и т.п.) подобрать и проанализировать таблицы, графики, схемы и т.п., необходимые для решения задачи.

Черновик проекта, толковый, четкий и разборчивый, имеет большое значение для правильного решения задачи, качественной консультации по разделу и ее оценки. При этом рекомендуется:

- черновик вести в тетради (блокноте) формата А4 (210297 мм), желательно в клеточку, четко и аккуратно;

- на внутренней стороне обложки черновика вычертить кинематическую схему машинного агрегата и выписать исходные данные для расчетов;

- решение задачи вести в последовательности, предложенной пособием, без пояснительного и описательного текста. Соответствующая формула выписывается в буквенных обозначениях, затем в числовых значениях входящих в нее величин с последующим вычислением;

- решение каждого раздела начинать с нового листа с указанием номера и названия, ее цели и исходных данных, а в конце давать полученный ответ;

- оборотную (левую) сторону листов черновика использовать для черновых набросков и вычислений;

- внимательно отнестись к вычислениям, помня о том, что допущенные ошибки в расчетах приводят к серьезным осложнениям, ибо ранее рассчитанные параметры могут являться исходными данными для последующих решений.

Методические указания к выполнению курсового проекта:

а) Решение разделов в рекомендуемой последовательности обеспечивает правильность процесса проектирования и постепенное накопление навыков конструкторской работы.

б) Все расчеты выполняются в единицах СИ. При этом для удобства расчетов используются производные единицы длины (мм) и напряжения (МПа). Точность расчетов зависит от определяемой величины и, как правило, не превышает одного-двух знаков после запятой; точность выполнения некоторых расчетов указывается отдельно.

в) Графическая часть проекта выполняется в соответствии с требованиями на составление и оформление чертежей по ЕСКД.

г) При выполнении курсового проекта используется не менее 40...50 таблиц и графиков. Для овладения навыками пользования ими рекомендуется:

- усвоить название, назначение и конструкцию таблицы, четко представлять искомую величину;

- уяснить, от каких известных величин или положений зависит искомая величина;

- таблицы, как правило, не дают искомую величину однозначно, предлагая ее диапазон от нижнего до верхнего предела. Если нет специальных указаний, следует выбрать одно из значений в предложенном диапазоне в соответствии с требованиями расчета; также следует внимательно изучить примечания к таблице, если таковые есть.

- использование большинства таблиц связано с применением линейного интерполирования, с помощью которого можно найти промежуточные значения искомой величины, не приведенные в таблице.

- параметры, характеризующие узел быстроходного (ведущего) вала редуктора или открытой передачи, имеют индекс «1», например Z1, Т1, НВ1, а тихоходного (ведомого) вала - индекс «2» (Z2, Т2, НВ2). При этом надо иметь в виду, что в проектируемых понижающих передачах быстроходный вал редуктора является одновременно тихоходным валом для ременной передачи, а тихоходный вал редуктора - быстроходным для цепной или открытой зубчатой передачи.

- в целях унификации и удобства расчетов отношение параметров ведущего и ведомого звеньев понижающих передач обозначено через U - передаточное число или через i - передаточное отношение (для угловых скоростей):

- прежде чем приступить к выполнению курсового проекта, следует внимательно и подробно изучить вопросы организации курсового проектирования.

Примеры технического задания на курсовой проект ~ 13 ~ ~ 14 ~ Эскизный проект. Разработка эскизного проекта предусмотрена техническим заданием на курсовое проектирование.

На этой стадии проектирования выбирают двигатель, производят кинематический расчет привода, определяют геометрические параметры зубчатой (червячной) передачи редуктора, размеры быстроходного и тихоходного валов, а также выбирают и рассчитывают подшипники.

Здесь же выполняют варианты расчета открытых передач, определяют и анализируют силы в зацеплении зубчатых (червячных) передач и силы со стороны элементов открытых передач и муфты.

В итоге эскизного проекта разрабатывается эскизная компоновка (общий вид) редуктора.

2 Выбор электродвигателя и кинематический расчет привода В общем машиностроении большинство машин приводят в движение от трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Эта разновидность электродвигателей отличается простотой конструкции (у них обмотка ротора замыкается в самом двигателе, что позволяет включать их в сеть без дополнительных устройств) и обслуживания, надежностью в эксплуатации и сравнительно низкой стоимостью.

Двигатель является одним из основных элементов машинного агрегата.

От типа двигателя, его мощности, частоты вращения и прочих параметров зависят конструктивные и эксплуатационные характеристики рабочей машины и ее привода.

Электродвигатели характеризуются номинальной мощностью Рном, которую они могут отдавать длительное время, не нагреваясь свыше допустимой температуры, и номинальной частотой вращения ротора пном. Частоту вращения ротора асинхронного двигателя определяет число пар полюсов обмотки статора и его нагрузка. Двигатели массового применения имеют р = 2; 4; 6; 8, что соответствует синхронным частотам вращения nс = 3000, 1500, 1000 и 750 мин-1. В паспорте (в каталоге) указывают номинальную частоту вращения nном, которую и принимают за расчетную при определении общего передаточного отношения привода.

Чем ниже частота вращения вала электродвигателя, т. е. чем больше число полюсов при данной мощности, тем больше его габариты, масса и стоимость. Высокооборотные двигатели, напротив, имеют меньшие габариты, массу, стоимость, чем тихоходные той же мощности. Например, электродвигатель номинальной мощностью Рном = 7,5 кВт при собственной частоте вращения пэд = 725 мин-1 имеет массу 123 кг, а при пэд = 2895 мин-1 - только 49 кг. Однако с увеличением частоты вращения электродвигателя растет общее передаточное отношение передачи, а, следовательно, и ее стоимость. Поэтому в механических приводах при нереверсивном вращении вала обычно применяют двигатели с nс = 1500 мин-1, а при реверсивном вращении чаще используют nс = 1000 мин-1. Применение тихоходных электродвигателей возможно только при достаточном обосновании.

При выборе электродвигателя может оказаться, что его мощность по паспорту отличается от требуемой мощности. В этом случае надо учитывать два обстоятельства: большой запас мощности электродвигателя приводит к повышению расхода электроэнергии, а перегрузка - к перегреву двигателя (допускается перегрузка не более 5%).

Для проектируемых машинных агрегатов рекомендуются трехфазные асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 5А и АИР. Эти двигатели наиболее универсальны. Закрытое и обдуваемое исполнение позволяет применить эти двигатели для работы в загрязненных условиях, в открытых помещениях и т.п.

Двигатели серии 5А и АИР применяют для приводов механизмов, имеющих постоянную или мало меняющуюся нагрузку при длительном режиме работы и большую пусковую нагрузку, вследствие повышенной силы трения и больших инерционных масс, например конвейеров, шнеков, смесителей, грузоподъемников и т.п. Эти двигатели работают при любом направлении вращения, обеспечивая при необходимости реверсивность машинного агрегата.

Исходными данными технических заданий на курсовое проектирование предусмотрено применение двигателей серии 5А и АИР с диапазоном мощностей от 1,5 до 11,0 кВт. Технические данные этих двигателей приводятся в табл.1.1, а основные размеры — в приложении 1.

2.1 Определение мощности и частоты вращения двигателя Мощность двигателя зависит от требуемой мощности рабочей машины, а его частота вращения - от частоты вращения вала рабочей машины.

1. Определить общий коэффициент полезного действия (КПД) привода где - коэффициенты полезного действия закрытой передачи (редуктор), открытой передачи (гибкой связи), подшипников качения и муфты. Значения КПД передач и подшипников принимается по таблице 1.2.

Таблица 1.1 - Электродвигатели асинхронные трехфазные, единой серии 5А, Синхронная частота вращения 3000 мин-1 Синхронная частота вращения 1500 мин- Синхронная частота вращения 1000 мин Синхронная частота вращения 750 мин- 2.Определить требуемую мощность двигателя Рдв, кВт Таблица 1.2 – Значения КПД механических передач Червячная передача при числе заходов червяка Z1=1 0,65…0,70 0,50…0, 1. КПД одной пары подшипников качения равен 0,99…0,995.

2. КПД муфты принимается равным 0,98 - 1.

3.Определить номинальную мощность двигателя РНОМ, кВт. Значение номинальной мощности выбрать из табл.1.1 по величине, ближайшей к требуемой мощности РДВ и в случае необходимости проверить выбранный двигатель на перегрузку:

РНОМ РДВ

Каждому значению номинальной мощности РНОМ соответствует в большинстве не одно, а несколько типов двигателей с различными частотами вращения. Выбор оптимального типа двигателя зависит от типов передач, входящих в привод, кинематических характеристик рабочей машины, и производится после определения передаточного числа привода и его ступеней. При этом надо учесть, что двигатели с большой частотой вращения (синхронной 3000 об/мин) имеют низкий рабочий ресурс, а двигатели с низкими частотами (синхронными об/мин) весьма металлоемки, поэтому их нежелательно применять без особой необходимости в приводах общего назначения малой мощности.

2.2 Определение передаточного числа привода и его ступеней Передаточное число привода U определяется отношением номинальной частоты вращения двигателя nном к частоте вращения приводного вала рабочей машины (выходного вала привода) nрм при номинальной нагрузке:

Определение и выбор передаточных чисел ступеней производится разбивкой передаточного числа привода для всех 4-х вариантов типа двигателя:

Разбивка передаточного числа привода должна обеспечить компактность каждой ступени передачи и соразмерность ее элементов.

Для того чтобы габариты передач не были чрезмерно большими, нужно водя их до наибольших, допускаемых лишь в отдельных случаях (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Рекомендуемые значения передаточных чисел Одноступенчатые цилиндрические и конические зубчатые редукторы (ГОСТ 2185-66) 1-ый ряд следует предпочитать 2-ому.

Одноступенчатые червячные редукторы (ГОСТ 2144-75) 1-ый ряд следует предпочитать 2-ому.

Открытые зубчатые передачи: 3… Цепные передачи: 2… Ременные передачи (без уточнения типа ремня): 2… В общем случае выбор кинематической схемы и разбивка общего передаточного отношения на частные множители допускают множество решений. Например, установка двухступенчатого редуктора позволяет освободиться от ременной или цепной передачи, а червячный редуктор дает возможность обойтись без той и другой. Однако КПД его значительно ниже, чем у зубчатого редуктора, уступает он последнему и в отношении долговечности. Практически при решении вопроса о предпочтительности того или иного варианта кинематической схемы привода следует принимать но внимание не только габариты, но и надежность, экономичность, удобство монтажа и эксплуатации.

2.3 Определение силовых и кинематических параметров привода Силовые (мощность и вращающий момент) и кинематические (частота вращения и угловая скорость) параметры привода рассчитывают на валах из требуемой (расчетной) мощности двигателя Рдв и его номинальной частоты вращения nном при установившемся режиме.

Частота вращения соответствующего вала находится отношением частоты вращения предыдущего вала на передаточное отношение данной ступени Вращающий момент на валу двигателя Вращающие моменты на следующих валах привода находят путем произведения вращающего момента предыдущего вала на передаточное число соответствующей ступени с учетом КПД промежуточных элементов (см. пример решения).

Контрольные вопросы:

1. Содержание технического задания на курсовой проект.

2. Понятия эскизного и технического проекта.

3. Основные параметры, характеризующие электродвигатель.

4. Как определяется номинальная мощность электродвигателя?

5. Каким образом осуществляется выбор передаточных ступеней привода?

6. Каков порядок расчета вращающих моментов на валах привода?

Пример 1.1 Кинематический расчет привода Привод состоит из одноступенчатого цилиндрического косозубого редуктора и цепной передачи (см. схему привода по заданию).

Определение общего КПД привода Общий КПД привода определяется по формуле где - КПД косозубой цилиндрической зубчатой передачи, - КПД открытой цепной передачи, - КПД пары подшипников качения, m - число пар подшипников качения По таблице 1.2 значения = 0,96; = 0,90…0,93;

Определение расчетной мощности электродвигателя Определение среднеквадратичной мощности электродвигателя где Ti - частные значения нагрузок на i-тых участках циклограммы нагружения;

Tчi - частные значения длительности нагрузок на i-тых участках циклограммы нагружения;

Tmax – наибольшее значение длительно действующей нагрузки;

tч – срок службы передачи.

Принимаем номинальную мощность трехфазного асинхронного электродвигателя серии 4А по ГОСТ 19523-81 Р = 2,2 кВт.

Если принимается электродвигатель с условием, что, то необходима проверка выбранного электродвигателя на перегрузку по условию В случае невыполнения этого условия необходимо принять электродвигатель следующей большей номинальной мощности.

Выбор электродвигателя и разбивка общего передаточного числа привода по ступеням По принятой номинальной мощности электродвигателя из каталога выбирают четыре электродвигателя серии 5А и АИР по ГОСТ 28330-89 с различной частотой вращения вала. Для них выполняем сравнительный расчет.

Расчеты сводим в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Разбивка общего передаточного числа привода по ступеням Определяемые параметры Общее передаточное число привода U0 = U1·U2 = Рекомендуемое передаточное число цепной передачи U Расчетное значение передаточного числа редуктора U Передаточное число редуктора U1 по ГОСТ 2185- Расчетное значение передаточного числа цепной передачи U2 = U0/U На основании анализа таблицы и с учетом рекомендаций принимаем электродвигатель марки AИР90L4 как наиболее подходящий по указанным характеристикам. В этом случае имеем:

- общее передаточное число привода U0 = 17,8125;

- передаточное число цепной передачи U2 = 2,509;

- передаточное число цилиндрического косозубого редуктора U1 = 7,1 по ГОСТ 2185-66.

Определение частоты вращения валов привода Вал электродвигателя (входной вал редуктора) Выходной вал редуктора Выходной вал привода Определение крутящих моментов на валах привода Ведущий вал (вал электродвигателя) Входной вал редуктора Выходной вал редуктора Выходной вал привода Пример 1.2 Кинематический расчет привода Определение общего КПД привода где 1 - КПД червячной передачи 2 – КПД клиноременной передачи п – КПД пары подшипников качения m – число пар подшипников качения, согласно схеме привода m = Принимаем по таблице 1.2 1 = 0,70; 2 = 0,95; п = 0,99; м = 0,99, тогда Определение расчетной мощности электродвигателя Определение среднеквадратичной мощности электродвигателя где Ti – частные значения нагрузок на i-тых участках циклограммы нагружения;

Tri – частные значения длительности нагрузок на i-тых участках циклограммы нагружения;

Tmax– наибольшее значение длительно действующей нагрузки;

tr– срок службы передачи.

Принимаем по таблице 1.1 номинальную мощность трехфазного асинхронного электродвигателя серии 5А и АИР по ГОСТ 19523-81 Рном = 5,5кВт. Проверяем выбранный электродвигатель на перегрузку по условию Поскольку перегрузка превышает допускаемые пределы в 3%, то принимаем электродвигатель следующей большей номинальной мощности Рном = 7,5кВт.

Выбор электродвигателя и разбивка общего передаточного числа по ступеням По принятой номинальной мощности электродвигателя из каталога выбираем четыре электродвигателя серии 5А и АИР по ГОСТ 28330-89 с различной частотой вращения вала. Для них выполняем сравнительный расчет.

Расчеты сводим в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Разбивка общего передаточного числа привода по ступеням Определяемые параметры 1.Частота вращения вала электродвигателя, nдв, мин- 2.Общее передаточное число привода 3.Рекомендуемое передаточное точного числа редуктора U На основании рекомендаций и результатов анализа таблицы приходим к выводу, что оптимальным является электродвигатель АИРМ112М2. В этом случае:

- общее передаточное число привода U0 = 52, - передаточное число редуктора U1= - передаточное число клиноременной передачи U2=2, Определение частот вращения валов привода Вал электродвигателя (ведущего шкива):

Входной вал редуктора:

Выходной вал редуктора:

Определение крутящих моментов на валах привода Вал электродвигателя:

Входной вал редуктора (вал червяка):

Выходной вал редуктора (вал колеса):