ІНЖЕНЕРНА МЕХАНІКА (ДЕТАЛІ МАШИН)

 

           Мета роботи: Закріплення знань та одержання навичок в проведенні орієнтовного розрахунку валів, як першої попередньої стадії визначення діаметра вала. Ознайомлення з основними принципами конструювання та визначення розмірів елементів корпусних деталей редукторів загального призначення. Оволодіння практичною методикою послідовного виконання етапів ескізного компонування редукторів різних типів, що мають різноманітні кінематичні та конструктивні особливості.

 

          Основні теоретичні відомості

         Вал має форму ступінчастого тіла обертання (рис. 1). Кожна ступень його поверхні виконує певні функції. Вхідні (вихідні) вали редукторів звичайно мають наступні елементи:

- хвостовик 1 використовується для монтажу півмуфти, шківа, зубчастого колеса, зірочки або інших деталей, через які вал сприймає обертаючий момент. Кріплення деталей, що змонтовані на хвостовику вала, може виконуватись за допомогою шпонкового, шліцьового (рідко – штифтового) з’єднання або посадки з натягом. Хвостовик може мати як циліндричну, так і конічну форму;

- ділянка 2 контактує з манжетним ущільненням і характеризується малою шорсткістю поверхні для зменшення зносу вала і ущільнення;

- шипи 3 і 7 використовуються для монтажу підшипників;

- зубчастий вінець шестірні 5, що виготовлений разом з валом, використовується для передачі обертаючого моменту з вала на колесо;

- вільні ділянки 4 та 6 забезпечують необхідні відстані між змонтованими на валі деталями та елементами корпусу.

 

1 – хвостовик; 2 – ділянка з манжетним

ущільненням; 3 – шип; 4, 6 – вільні ділянки;

5 – зубчастий вінець шестірні; 7 – шип

Рисунок 1 – Зовнішній вигляд вал-шестірні з позначенням

функціональних поверхонь

 

         Завдання для самопідготовки

         Під час підготовки до даного практичного заняття проробити матеріали лекції „Вали та осі“ [1], засвоїти основні положення навчальної літератури, що рекомендована [2-4]. В процесі ознайомлення з матеріалами лекцій звернути увагу на основну відмінність в термінології „вал“ або „вісь“ і спільні риси в призначенні і конструкції, які поєднують ці деталі, що обслуговують передачі.

        Класифікувати вали та осі за основними ознаками: за формою геометричної осі, за формою перетину, за загальним виглядом, за кількістю і розташуванням опор, за місцем валів у приводі, тощо.

       Звернути увагу на термінологію назв елементів валів найбільш поширеної ступінчастої форми (цапфи, шийки, шипи, п’яти і т.п.).

       З’ясувати критерії роботоздатності валів та осей, види їх руйнувань, основні вимоги, що пред’являються  до валів та осей, вимоги до матеріалів для їх виготовлення, порядок вибору матеріалів та їх обробки.

        Розглянути види та методи перевірочних та проєктних розрахунків валів та осей, їх етапи і доцільність використання у тих чи інших випадках.

       Ознайомитись з методикою найбільш поширеного простого розрахунку валів на міцність - орієнтовного розрахунку. Визначити умовні допущення, які лежать в основі цього розрахунку, переглянути та проаналізувати формули, за якими проводяться розрахунки.

        Встановити призначення, роль і місце ескізного компонування у процесі проєктування – підготовки до другого етапу, більш точного, розрахунку валів на міцність – наближеного розрахунку вала. 

       Ознайомитись з принципами і послідовністю ескізного компонування редукторів різних типів, видів з різними конструктивними особливостями.

 

Програма роботи

- видача індивідуального завдання, ознайомлення з основними вимогами до об’єму, змісту, оформлення завдання, графіком виконання;

- видача методичної літератури, ознайомлення з її особливостями, порядком користування довідковими даними;

- узгодження основних етапів методики розрахунку і побудови ескізного компонування, попередження про типові помилки, які зазвичай часто допускають студенти;

- виконання студентами прикладу ескізного компонування згідно з темою даного практичного заняття;

- аналіз проміжних етапів побудови ескізного компонування, які потребують прийняття конкретних конструктивних рішень;

- контроль викладача за ходом проведення заняття з аналізом виникаючих у його процесі помилок, допущених студентами;

- аналіз кінцевих результатів проведеного розрахунку і побудови ескізного компонування, формулювання висновків і рекомендацій;

- підведення підсумків практичного заняття, видача завдання на самостійну роботу студентів.

Завдання та вихідні дані для розрахунків

         1 Оформлення вихідних даних на розрахунок:

а) сформулювати задачу розрахунку з зазначенням основних етапів;

б) навести вихідні дані розрахунку:

- обертаючі моменти на валах редуктора;

- основні розміри елементів передач (зубчастих коліс, шківів, зірочок, напівмуфт, тощо), які потрібно встановити на валах;

- складові зусилля в зачепленнях (колові, радіальні, осьові).

Обертаючі моменти на валах редуктора, Н·м:

- ведучому (швидкохідному)                                  Т_Ш =

- проміжному                                                 Т_П =

- веденому (тихохідному)                              Т_Т =

Розміри елементів передач, мм:

- ділильні діаметри і ширина                        d_1Ш =              b_1Ш =

                                                             d_2Ш =              b_2Ш =

                                                             d_1Т =               b_1Т =

                                                             d_2Т =               b_2Т =

Зусилля в зачепленнях, Н:

- колові                                                F_tШ =               F_tТ =

- радіальні                                           F_rШ =               F_tТ =

- осьові                                                F_aШ =               F_aТ =

 

       Як правило, у якості завдання на практичне заняття використовується схема двоступінчастого циліндричного редуктора, тому, в залежності від схеми потрібно навести ділильні діаметри та ширину шестірень і коліс обох ступіней.

 Рисунок 2 – Кінематична схема редуктора

         2 Вибір матеріалу валів

         Для валів редукторів звичайно вибирають середньовуглецеві сталі 45, 50, 40Х з термообробкою нормалізація або поліпшування.

        Таблиця 1 – Механічні характеристики сталей, що застосовуються для виготовлення більшості валів редукторів

 

         3 Орієнтовний розрахунок валів

         Згідно з методикою розрахунку орієнтовний розрахунок виконується умовно тільки на деформацію кручення, а вплив на міцність вала деформацій згину, концентраторів напружень та характеру навантажень компенсується значно заниженими значеннями допустимих напружень. Діаметр вала визначається по формулі (1) [5] і повинен бути округленим до числа кратного п’яти.

                                (1)

         де     Т_i – обертаючий момент на валі, Н×мм;

[t]_кр – допустимі напруження, [t]_кр = 15…20 МПа.

         4 Вибір підшипників для валів

         На етапі попереднього ескізного компонування у якості опор валів рекомендують використовувати кулькові однорядні радіальні підшипники легкої або ж середньої серії. Основні розміри підшипників – діаметри внутрішнього і зовнішнього кілець і ширина визначаються за каталогом підшипників, за довідниками або за таблицею 2.

         Таблиця 2 – Розміри підшипників кулькових радіальних однорядних

                                                                                           У міліметрах

Номер підшипника d D B 204 20 47 14 205 25 52 15 206 30 62 16 207 35 72 17 208 40 80 18 209 45 85 19 210 50 90 20 211 55 100 21 212 60 110 22 213 65 120 23 214 70 125 24 215 75 130 25 216 80 140 26

          5 Розміри елементів корпусу редуктора

         Визначення основних розмірів корпусних деталей проводиться на прикладі литого чавунного роз’ємного корпусу. Основні розміри оформити у вигляді таблиці 1.

Таблиця 1 – Основні розміри елементів корпусу і кришки редуктора

У міліметрах

Найменування	Позначення	Прийняте значення
Товщина стінки корпусу редуктора	d
Товщина стінки кришки редуктора	d1
Товщина верхнього фланця корпусу	s
Товщина нижнього фланця корпусу	s2
Товщина фланця кришки редуктора	s1
Діаметр фундаментних болтів	dк1
Діаметр болтів, що стягують кришку і корпус	dк2
	dк3
Товщина ребер корпусу	dр
Товщина підйомної петлі	bп
Діаметр штифта	dш
Діаметр відривного гвинта	dвг
Ширина фланця	k1
	k2
	k3
Довжина опорної поверхні нижнього фланця корпусу	lф
Ширина опорної поверхні нижнього фланця корпусу	bф
Відстань від осі болта до стінки корпусу	с1
	с2
	с3
Діаметр отвору під болт	do.1
	do.2
	do.3
	hц2
	hц3

       6 Ескізне компонування редуктора

       Мета ескізного компонування – визначення розмірів валів по довжині, зокрема відстаней між серединами опор і серединами елементів передач, які базуються на даному валі. Ці розміри у подальшому будуть використовуватись при наближеному розрахунку вала (розрахунку на спільну дію кручення і згину).

        Ескізна компоновка редуктора звичайно виконується на міліметровому папері бажано в масштабі 1:1 олівцем в контурних лініях і повинна містити ескізне зображення редуктора і основний надпис. При комп’ютерному виконанні компоновку проводять на офісному папері формату А4 у будь-якому стандартному масштабі.

        Компонування циліндричного двоступінчастого редуктора проводиться у такій послідовності:

1) Вибрати масштаб і намітити розташування компоновки;

2) Провести осьові лінії валів на відстані a_WШ і a_WT одна від одної;

3) Побудувати швидкохідну ступінь у відповідності з розмірами, які було отримано при розрахунку зубчастих передач: d_а1Ш, d_а2Ш, b_1Ш, b_2Ш, d_1Ш, d_2Ш.

4) Побудувати тихохідну ступінь дотримавши зазор 0,8d між швидкохідним колесом і тихохідною шестірню за розмірами: d_а1Т, d_а2Т, b_1Т, b_2Т, d_1Т, d_2Т.

5) На відстані 1,2d від торця шестірень і кіл виступів зубчастих коліс провести контур внутрішньої поверхні корпусу редуктора.

6) Розташувати підшипники так, щоб торцем вони знаходилися на внутрішній поверхні корпусу, а їх вісь співпадала з віссю валів.

7) Викреслити вали діаметрами d_i, які були прийняті при орієнтовному розрахунку валів. Довжина ділянок валів: f_ш = k₃ + δ – B₁ +2d₁;   f_т = k₂ + δ – B₃ +2d₃.

8) Визначити графічно a, b, c – відстані між точками прикладення сил.

         Один з варіантів ескізної компоновки редуктора, розробленої в комп’ютерному виконанні, показаний на рисунку 3.

 

Рисунок 3 – Приклад виконання ескізної компоновки редуктора

 

Контрольні запитання

 

1 В чому основна відмінність вала від осі?

2 Наведіть класифікацію валів по призначенню.

3 Наведіть класифікацію валів по формі.

4 З якою метою використовують порожнинні вали?

5 Назвіть основні типи вихідних кінців валів.

6 Сформулюйте основні вимоги до матеріалів валів.

7 Які матеріали і види обробки найчастіше використовуються при виготовленні валів механічних приводів?

7 З якою метою при проєктних розрахунках вала виконують його ескізне компонування?

8 Поясніть основні терміни, якими характеризують елементи валів (цапфа, шийка, шип, п’ята, тощо).

9 Назвіть функціональні поверхні валів.

10 Як визначити відстані між точками прикладення сил на валі?