Інженерна механіка ч2

ПРАКТИЧНА РОБОТА

 

КОНСТРУЮВАННЯ ВАЛІВ РЕДУКТОРА

 

Мета роботи: Закріплення знань та одержання навичок в конструюванні валів редуктора. Проведення аналізу компонувальних схем сполучень вал-зубчасте колесо, підшипникових вузлів. Ознайомлення з основними принципами конструювання та визначення розмірів ступінчастих валів. Оволодіння практичною методикою послідовного виконання етапів конструювання валів редукторів різних типів, що мають різноманітні кінематичні та конструктивні особливості

 

1 ВКАЗІВКИ З САМОПІДГОТОВКИ ДО РОБОТИ

1.1  Завдання для самостійної підготовки

Під час підготовки до даного практичного заняття проробити матеріали лекції „Вали та осі“, засвоїти основні положення навчальної літератури, що рекомендована [1-3]. 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 матеріалів для їх виготовлення, порядок вибору матеріалів та їх обробки.

Конструкція валів визначається деталями, які на них розміщуються і розташуванням опор. При конструюванні валів і осей беруть до уваги технологію збирання та розбирання, механічну обробку, витрати матеріалу та ін.

При проєктуванні вхідних або вихідних валів редукторів чи коробок передач сусідньою до хвостовика шийкою є ділянка вала, на яку встановлюють підшипник. Тому висота  буртика циліндричної ділянки вала має бути узгоджена із внутрішнім діаметром підшипника. При цьому бажано передбачити можливість монтажу підшипника без демонтажу призматичної шпонки.

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 конструювання валів редукторів різних типів, видів з різними конструктивними особливостями.

 

1.2 Питання для самопідготовки

1.2.1 Класифікувати вали та осі за основними ознаками.

1.2.2 Критерії роботоздатності валів та осей.

1.2.3 Принципи конструювання валів редукторів різних типів.

 

1.3 Рекомендована література

1. Деталі машин : підручник : затверджено МОН України / А. В. Міняйло [та ін.]. - К. : Агроосвіта, 2013. - 448 с.

2. Павлище В. Т. Основи конструювання та розрахунок деталей машин: Підручник. – Афіша. – С. 560. – ISBN 966-8013-58-1.

3. Проектування привода транспортера в САПР КОМПАС. Курсове проектування з інженерної механіки (деталей машин): навч. посіб. / Укл. О.О. Дереза, С. М. Коломієць. – Мелітополь: ВПЦ «Люкс», 2019. – 197с.

 

2 ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

2.1 Програма роботи

– Визначитись з формою і розмірами всіх конструктивних елементів вала.

– Побудувати отвори та пази на ділянках вала.

– Побудувати перехідні ділянки вала.

– Визначити розміри вхідних та вихідних кінцівок вала.

– Зробити висновок.

Скласти звіт та захистити роботу.

2.2 Оснащення робочого місця

2.2.1 Методичні вказівки.

2.2.2 Навчальна та наукова література.

2.2.3 Комп’ютер з програмним забезпеченням.

 

2.3 Теоретичні відомості

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

- хвостовик використовується для монтажу півмуфти, шківа, зубчастого колеса, зірочки або інших деталей, через які вал сприймає обертовий 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;

- шипи використовуються для монтажу підшипників;

- зубчастий вінець шестірні, якщо він виготовлений разом з валом, використовується для передачі обертального моменту з вала на колесо;

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

Конструктивні елементи валів та осей представлено на рисунку 1.

Позначення конструктивних елементів валів та осей:

– цапфа (Ц) – ділянка вала (осі), якою він опирається на підшипник;

– заплечик (З) – перехідна торцева поверхня від одного перерізу вала (осі) до іншого, призначена для упору деталей, встановлених на валі або осі;

 

 

 

– буртик (Б) – кільцеві потовщення вала (осі), що становлять одне ціле з валом (віссю);

– канавка (К) – поглиблення на поверхні меншого діаметра між сусідніми ступенями валів: призначена для щільного прилягання посадочної деталі до заплечиків (буртика), виходу шліфувального круга, у випадку оброблення поверхні меншого діаметра, виходу різценарізного інструмента. Ці канавки підвищують концентрацію напружень;

– жолобник (Ж) – криволінійна поверхня плавного переходу від меншого діаметра перерізу вала (осі) до плоскої частини заплечика або буртика.

– фаска (Ф) – скошена частина бічної поверхні вала (осі) біля торця вала (осі), заплечика або буртика. Служить для полегшення складання та запобігання травмуванню людей. Радіуси заокруглень жолобників і розміри фасок приймають за ГОСТ 12080-66 залежно від діаметра вала;

– шпонковий паз (Ш) – поглиблення в валах для установки шпонок. Виконують на ділянках кріплення деталей, що передають обертальний момент. Розміри пазів шпонок приймають за ГОСТ 23360-78.

 

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);

Примітка: Як правило у якості завдання на практичне заняття використовується схема двохступінчастого редуктора: зубчастого (циліндричного, конічно-циліндричного) або ж комбінованого (циліндрично-черв’ячного, черв’ячно-циліндричного), тому, в залежності від схеми потрібно навести:

- для двохступінчастого циліндричного редуктора – ділильні діаметри та ширину шестерень і коліс обох ступеней;

- для конічно-циліндричного редуктора – зовнішні ділильні діаметри коліс і довжину зуба швидкохідної ступені, ділильні діаметри та ширину шестерні і колеса тихохідної ступені;

- для циліндрично-черв’ячного або черв’ячно-циліндричного – ділильні діаметри черв’ячної пари, довжину черв’яка і ширину черв’ячного колеса, ділильні діаметри та ширину шестерні і колеса циліндричної пари.

2 Конструктивне оформлення вала

Після наближеного розрахунку потрібно визначитись з формою і розмірами всіх конструктивних елементів вала. Як правило, визначальними розмірами при конструюванні вала є діаметри шийок під підшипники; вони повинні узгоджуватись, як з діаметром вала, одержаним в результаті наближеного розрахунку, так і з діаметром отвору підшипників – опор вала. Всі інші діаметральні розміри вала, а також довжина його шийок призначаються конструктивно, з урахуванням всіх правил компонування ступінчастих валів [1, 2].

В конструкції ступінчастого вала умовно виділяють наступні елементи: кінцеві ділянки; ділянки переходу від одного ступеня до іншого; місця посадки підшипників, ущільнень і деталей, що передають момент обертання.

Радіуси заокруглень галтелей, розміри фасок приймають за ГОСТ 12080-66, ГОСТ 12081-72 «Цилиндрические и конические концы валов» в залежності від діаметра вала. Тут слід зазначити, що для підвищення технологічності виготовлення вала розміри галтелей та фасок приймають однаковими по всій довжині вала і обираються залежно від найменшого діаметра вала. В місцях з недостатнім запасом міцності радіуси галтелей слід збільшувати. В особливих випадках слід застосовувати еліптичні галтелі або з двома радіусами.

3 Побудова отворів та пазів на ділянках валів

Для установки шпонок на валах виконують поглиблення - шпонкові пази. Виконують на ділянках кріплення деталей, що передають обертовий момент.

Розміри шпонкових пазів приймають згідно до ГОСТ 23360-78 «Призматические шпонки», ГОСТ 10748-79 «Призматические высокие шпонки» та ГОСТ 24071-80 «Сегментные шпонки». Сегментні шпонки, які передають обертаючий момент, припускається застосовувати лише з валами, що мають діаметри до 38 мм.

Для підвищення технологічності виготовлення вала шпонкові пази приймають однаковими по ширині і обирають згідно до діаметра меншої шийки вала.

Вихідні кінці валів виконують конічними, циліндричними або шліцьовими. Переважне поширення набуває конічна форма кінцевої ділянки валу, яка забезпечує точне і надійне з'єднання, можливість легкого монтажу і демонтажу встановлюваних деталей.

 Завдяки масовому застосуванню валів і осей в механізмах, для них розроблені нормативи на виконання різних конструктивних елементів.

4 Побудова канавок на валах

Переходи з канавкою застосовують лише у разі достатнього запасу міцності, оскільки канавки викликають більш високі місцеві напруження, ніж галтельні переходи. Канавки на валу виконують різних видів згідно до їх призначення: для посадки підшипників кочення, для виходу шліфувального круга при круглому шліфуванні.

Заплічки (уступи) для встановлення підшипників кочення на вал слід приймати по ГОСТ 20226-82 залежно від типу підшипника, його внутрішнього діаметра та серій діаметрів і ширини. Основні розміри канавок наведено у таблицях 1, 2.

Основні розміри підшипників – діаметри внутрішнього і зовнішнього кілець і ширину – визначаються за каталогом.

 

 

 

5 Побудова переходів на валах редуктора

Галтельні переходи на відміну від канавочних викликають меншу концентрацію напружень, тому такі переходи особливо бажано розташовувати в місцях, де запаси міцності малі.

В місцях розташування зубчастих коліс вал зазвичай зазнає найбільших навантажень, тому тут слід зберігати галтельні переходи. Для підвищення зручності монтажу і збереження галтельного переходу шийку вала роблять коротшою за довжину маточини колеса.

 

6 Конструювання вала редуктора

Конструювання вала редуктора проводять на офісному папері формату А3 у будь-якому стандартному масштабі. Бажано 1:1. Конструювання вала циліндричного двохступінчастого редуктора проводиться у такій послідовності:

1) Вибрати масштаб і намітити розташування осі вала;

2) Провести осьову лінію вала вище середини аркуша для можливості поставлення розмірів;

3) Побудувати контури вала згідно з попередніми розрахунками; 

4) Побудувати місця перехідних ділянок вала в залежності від розмірів розміщених на ньому елементів;

5) Викреслити вал діаметрами d_i, які були прийняті при наближеному розрахунку валів;

6) Побудувати місця під підшипниками так, щоб було достатньо місця для розміщення ущільнювачів та кришок підшипників;

7) Довжина ділянок вала визначається при компонуванні редуктора і уточнюється при кресленні виду загального редуктора. Розміри, які не було розраховано, приймаються конструктивно.

Варіанти виконання вала в залежності від типу редуктора, показано на рисунку 3.

 

 

7 Визначення розмірів вхідних та вихідних кінцівок валів

Розміри вхідних та вихідних кінцівок валів залежать від розмірів валів та елементів, що їх з’єднують. Просторова схема дає змогу встановити напрямки дії зусиль, які виникають в зачепленнях привода, і „прив’язати“ кожну цю силу та розміри до відповідного елемента зачеплення або до інших деталей, що базуються на даному валу, зокрема напівмуфт, шківів, зірочок.

8 Визначення необхідності виконання вала-шестірні

Шестірні часто виконують за одне ціле з валом, якщо відстань х_і від западини зуба до шпонкового паза менше 2,5m_t для циліндричних шестерень (рисунок 2).

 

Для обов’язкового (із умови міцності шестірні) виконання вала-шестірні в циліндричній передачі повинна виконуватись умова

 

 

Для обов’язкового (із умови міцності шестірні) виконання валу-шестірні в конічній передачі повинна виконуватись умова

 

9 Висновки по розрахунку

По результатах конструювання вала редуктора робляться висновки по зовнішньому вигляді вала, на якому будуть знаходитися елементи передач редуктора, які будуть використані у подальшому проектуванні.

 

Контрольні запитання

1 Під дією яких деформацій перебувають вал або ж вісь при роботі? В чому основна відмінність осі від вала?

2 Наведіть класифікацію валів по призначенню. Які види валів вивчають в курсі „Інженерна механіка (деталі машин)“?

3 Наведіть класифікацію валів по формі. Чому частіше застосовують ступінчасту форму валів?

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

5 Наведіть класифікацію валів по кількості і розташуванню опор. Чому частіше застосовують двохопорні вали з рознесеними опорами?

6 З якою метою використовують порожнинні вали?

7 Наведіть основні критерії працездатності валів і осей та поясніть, за якими параметрами їх оцінюють?

8 Які матеріали і види обробки найчастіше використовуються при виготовлення валів механічних приводів?

9 По яких основних критеріях проводять розрахунки валів?

10 З якою метою при проектних розрахунках вала виконують його ескізне компонування?