Методические рекомендации к курсовой работе по дисциплине "Детали машин и основы конструирования" (стр. 4 )

Необходимость индивидуальной подгонки каждой шпонки по пазу вала затрудняет обеспечение условия взаимозаменяемости, что объяс­няет применение призматических шпонок в индивидуальном и мелко­серийном производстве и делает неэкономичным их применение в крупносерийном и массовом производстве.

Основным критерием работоспособности шпоночного соединения является сопротивление смятий боковых поверхностей.

Выбранную шпонку проверяют на смятие:

,

где Т - передаваемый момент, Н×м; d - диаметр вала, мм; lp - расчет­ная длина шпонки, мм; при скругленных торцах шпонки lp = l - b, при плоских торцах lp = l; [s]см - допускаемое напряжение смятия, прини­маемое при стальной ступице 100, а при чугунной - 50МПа.

При перенапряжении соединения (sсм > [s]см) возможна установка двух шпонок меньшего сечения под углом 180° или шпоночное соедине­ние заменяют шлицевым - преимущественно эвольвентного профиля.

В последнее время передачу момента с колеса на вал все чаще осуществляют бесшпоночным соединением с натягом, методика расчета таких соединений широко приводится в различных справочных и учебных изданиях.

5. Конструирование валов, червяков, зубчатых и червячных колес

Валы. По своему функциональному назначению валы весьма ответственные детали, поэтому к ним предъявляется комплекс требований: прочность, жесткость, износостойкость трущихся поверхностей, технологичность конструкций, удобство изготовления и сборки. Эти требования могут быть обеспечены при условии правильного расчета и конструирования, а также обоснованного выбора материала, технологии изготовления и упрочнения их изнашиваемых участков.

Материалы валов. Для изготовления валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали в виде проката или поковок. Для большинства валов применяют термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 45Х, для высоко-нагруженных валов машин - легированные стали 40ХН, 20Х, 12ХНЗА. Применение легированных сталей дает возможность при необходимости ограничить массу и габаритные размеры вала, повысить стойкость шлицевых соединений, а также зубцов при выполнении конструкций вал - шестерня, червячный вал.

Входные (быстроходные) валы имеют концевые участки, участки для уста­новки подшипников и участки, на которых нарезают зубья шестерен цилиндри­ческих или конических зубчатых передач.

На входном валу цилиндрической передачи зубья шестерен нарезают на среднем участке. Диаметр его определен чаще всего размером dБП. значение которого на­ходят из условия надежного контакта торцов заплечника и внутреннего кольца под­шипника (см. рис. 2). Конструкция вала на среднем участке зависит от переда­точного числа и значения межосевого расстояния передачи. При небольших пе­редаточных числах и относительно большом межосевом расстоянии диаметр df1 окружности впадин шестерни больше диаметра dБП вала (Рис. 16, а). При боль­ших передаточных числах и малом межосевом расстоянии df1 < dБП (рис. 16, б), предусматривают участки для выхода фрезы, нарезающей зубья. Диаметр Dф фрезы принимают в зависимости от модуля т:

т, мм до 2,25 2,5...2,75 3...3,5 5...5,5 6...7

Dф, мм, при степени точности:

7

8..

а)

б)

Рис. 16

Длину lвых определяют графически.

Если наружный диаметр da1 шестерни оказывается меньше диаметра dБП, то обтачивают весь вал в средней части по наружному диаметру шестерни.

Участок выхода фрезы можно распространять на торец вала, по которому базируют подшипник качения (рис. 16, б).

Конструкцию входного вала конической передачи чаще всего выполняют по рис. 17, располагая шестерню консольно относительно подшипниковых опор. Регулирование подшипников проводят перемещением по валу правого по рис. 17 подшипника с помощью круглой шлицевой гайки 1. После регулирования гайку стопорят многолапчатой шайбой 2.

Для выхода инструмента при нарезании резьбы на валу предусматривают проточки. На валу выполняют паз под язычок стопорной шайбы.

Рис. 17

Промежуточные валы не имеют концевых участков. На рис. 18 показан про­межуточный вал двухступенчатого цилиндрического редуктора. На самом валу нарезаны зубья шестерни тихоходной ступени. Рядом расположено колесо быст­роходной ступени. Диаметры dБП и dБK определяют по рекомендациям п. 3.1. В зависимости от размеров шестерни конструкцию выполняют по рис. 18, а (df1 > dБK) или по рис. 18, б (df1 < dБK). Допустимо участок выхода фрезы распространять на торцы вала, контактирующие с колесом или внутренним кольцом подшипника (рис. 18, б).

Между подшипником и колесом на том же диаметре, что и подшипник, рас­полагают дистанционные кольца. Диаметральные размеры кольца определяют из условия контакта его торцов с колесом и с внутренним кольцом подшипни­ка. Поэтому кольцо имеет чаще всего Г-образное сечение.

а) б)

Рис. 18

Выходные (тихоходные) валы имеют концевой участок и в сред­ней части вала между подшипниковыми опорами размещают зубчатое колесо. Наиболеепростая конструкция вала показана на рис. 19. В сопряжении коле­са с валом использована посадка с большим натягом. Подшипники установле­ны до упора в заплечики вала. Иногда между подшипниками и колесом распо­лагают втулки (рис. 20). В этом случае вал может быть гладким одного но­минального диаметра, разные участки которого выполняют с различными от­клонениями для обеспечения нужного характера сопряжения с устанавливае­мыми деталями.

Рис. 19

Рис. 20

Валы следует конструировать гладкими, с минимальным числом уступов (рис. 19, 20). В этом случае достигают существенного сокращения расхода металла на изготовление вала, что особенно важно в условиях крупносерийно­го производства. Сборку колеса с гладким валом выполняют в сборочном при­способлении, определяющем осевое положение колеса. В индивидуальном и мелкосерийном производстве валы можно снабдить заплечиками для упора ко­лес (рис. 21).

Для повышения технологичности радиусы галтелей, размеры фасок и кана­вок для выхода инструмента на одном валу желательно принимать одинаковы­ми. Если на валу предусмотрено несколько шпоночных пазов, то для удобства фрезерования их располагают на одной образующей и выполняют одной шири­ны, выбранной по меньшему диаметру вала (см. рис. 21).

Рис. 21

Вал - шестерня. Если при расчете шпоночного или шлицевого соединения установлено, что толщина s шестерни между впадиной зуба и пазом для шпонки (шлица) s < 2,5т для цилиндрической шестерни (рис. 13, а) и s < 1,6mte для конической шестерни (рис. 22, б), то шестерню выполняют за одно целое с валом (рис. 16, 17).

Недостатком монолитной конструкции является необходимость изготовлять вал из того же материала, что и шестерню, часто более высококачественного и дорогого, чем требуется. Кроме того, при замене шестерни, например, вследствие изнашивания или поломки зубьев приходится заменять и вал. Несмотря на это, в редукторах шестерню часто выполняют заодно с валом и даже при толщине, значительно превышающей выше указанные нормы.

а) б)

Рис. 22

Это объясняется большей жесткостью и прочностью, а также техно­логичностью вала - шестерни, что в конечном итоге снижает его стоимость.

Червяки. Червяки (рис. 3) чаще всего выполняют за одно целое с валом. Заготовкой служит круглый прокат, поковка или штамповка.

Геометрические размеры червяка, в том числе длина нарезанной части b1 и ориенти­ровочное расстояние l между опорами, известны из расчетов. Поэтому при конструировании вала - червяка эти данные являются исходными.

Цилиндрические зубчатые колеса. Конструкцию стального зубчатого колеса выбирают в зависимости от его размеров, масштабов произ­водства и конкретных условий завода - изготовителя.

Основные параметры зубчатых колес (число зубьев, модуль, диаметр, ширина зубчатого венца) определяются при расчете передачи. Ниже рассматриваются вопросы, связанные с конструктивной формой зубчатых колес.

Форма зубчатых колес в большинстве случаев определяется главным образом способом получения заготовки, выбор которого связан с маркой материала, полученными из расчета размерами и типом производства (конкретных условий завода-изготовителя).

В индивидуальном и мелкосерийном производствах колеса малых размеров с наружным диаметром da< 150...200 мм изготовляют из круглого проката (рис. 23, а), а при da ³ 150...200 мм из поковок (23, б). Для уменьшения объема обработки базовых поверхностей на торцах колес выполняются небольшие проточки, глубиной 1...2 мм, которые обычно при da< 80 мм могут отсутствовать.

а) б) в)

Рис. 23

В среднесерийном, крупносерийном и массовом производствах заготовки колес небольших и средних размеров (da = 600 мм) получают преимущественно штамповкой в двухсторонних (рис. 23, б) подкладных или односторонних (рис. 23, в) штампах, а больших размеров - литьем. Штамповка обеспечивает высокую производительность и максимально приближает форму заготовки к форме готовой детали.

Длину lcm посадочного отверстия колеса (ступицы) принимают равной или большей ширины b2 зубчатого венца. Принятую длину ступицы согласуют с расчетной (см. расчет соединения вал-ступица) и с диаметром посадочного отверстия:

lcm = (1 … 1,5)dK.

Диаметр dcm ступицы назначают в зависимости от материала ступицы:

для стали dcm = (1,5 …1,55)dK;

чугуна dcm = (1,5 … 1,6)dK;

легких сплавов dcm = (1,6 … 1,7)dK.

Ширину торцов зубчатого венца принимают:

δ = 2,2m + 0,05b2,

где т – модуль зацепления, мм.

Толщина диска

С » 0,5(δ + δст) ³ 0,25b2, где δcm = 0,5(dcm – dK).

Конические зубчатые колеса. В одиночном и мелкосерийном произ­водстве конические колеса, при диаметре dae < 120 мм изготавливают за одно целое с валом (см. рис. 17), а при dae< 500 мм - из поковок (рис. 24, а). В крупносерийном и массовом производстве конические колеса изготовляют из штампованных заготовок (рис. 24, б). При больших диаметрах конические колеса выполняют литыми и сборными.

В целях экономии высококачественной дорогой стали колеса делают составными (рис. 24, в, г): ступица и диск - из стали 45, венец - из легированной стали. В зависимости от размера колеса венец крепят к стальному фланцу вала заклепками (рис. 24, г) или болтами (рис. 24, д). При этом следует учитывать, что осевая сила Fa, возникающая в зацепле­нии, должна быть направлена на опорный фланец. Центрирование венца следует выполнять по диаметру D, а не D0, так как первый способ технологичней и обеспечивает более высокую точность по сравнению со вторым, однако центрирование по диаметру D0 повышает жесткость стыка.

Толщина венца конического колеса S = 2,5mte + 2 мм .

Размеры основных конструктивных элементов конического колеса определяют по соотношениям для цилиндрических колес.

Червячные колеса. По условиям работы червячной пары зубья червячного колеса следует изготавливать из антифрикционных материа­лов (бронза, латунь). Обычно червячные колеса выполняют составными: диск и ступица колеса - из стали или из серого чугуна, а венец - из антифрикционного материала.

Принимают следующие способы соединения венца с диском.

а) б) в) г)

Рис. 24

Бандажированная конструкция, в которой бронзовый венец насажен на стальной чугунный диск с натягом (рис. 25, а). Конструкция проста в изготовлении и принимаются для колес относительно небольших диаметров, а также для колес передач, не испытывающих тепловые нагрузки. При нагреве до высокой температуре посадка может ослабнуть вследствие большего температурного коэффициента линейного расши­рения бронзы, чем чугуна.

Обычно применяют легкопрессовую, реже прессовую посадку. Для предотвращения взаимного смещения венца и ступицы в стыкуемые поверхности ввинчиваются 3...4 винта. Размеры винтов:

диаметр dв = (1,6…2) m,

длина lв= (2...3) dв .

а) б) в)

Рис. 25

Посадочную поверхность выполняют с упорным буртиком (рис. 25, а). Буртик предназначен для того, чтобы фиксировать относительное положение деталей при запрессовке, но в то же время он уменьшает посадочную поверхность.

В крупносерийном и массовом производстве зубчатые венцы соединяют с диском посредством литья в кокиль - такая конструкция колес называется биметаллической. Для улучшения сцепления бронзового венца с чугунным диском обод последнего выполняют по одному из вариантов, представленному на рис. 25, б, в. Предварительно очищенный диск подогревают до температуры 700...800 °С, закладывают в подогретый до температуры 150…200 °С кокиль и заливают бронзой. После остывания между бронзовым венцом и чугунным диском возни­кает механическое сцепление, обеспечивающее монолитность конст­рукции.

Размеры основных конструктивных элементов червячного колеса:

S » 2m + 0,5b2; S0 » 1,25S; C = (1,2 … 1,3)S0; h » 0,15b2; t » 0,8h.

6. Конструирование крышек подшипниковых узлов. Уплотнения

Крышки подшипников. Крышки подшипников изготовляют из чугуна марок СЧ15, СЧ18 и СЧ21. В малогабаритных редукторах при небольших осевых нагрузках наряду с чугуном можно применять низкоуглеродистые стали, стеклопластики и другие синтетические материалы, а при ограни­чении массы редуктора — легкие сплавы. Крышки конструируют привертными и закладными, глухими и с отверстиями для выхода выступающего конца вала.

Привертные глухие крышки показаны на рис. 26. Если торец вала не выступает за пределы подшипника, то наружную поверхность крышки выполняют плоской (рис. 26, а).

Рис. 26

При креплении подшипника гайкой или пружинной шайбой крышку выполняют выпуклой (рис. 26, б). Основной базовой поверхностью крышки является ее фланец, поэтому центрирующий поясок делают коротким, чтобы он не препятствовал установке фланца по торцу корпуса. Обычно принимают

с = (1,2 ... 1,5) l,

где l - ширина канавки (см. табл. 7).

Толщину δ (мм) стенки крышки, диаметр d и число z винтов креп­ления крышки к корпусу принимают по табл. 7 в зависимости от диа­метра D отверстия в корпусе под подшипник.

Размеры других конструктивных элементов крышек можно прини­мать следующими:

толщину фланца при креплении крышки болтами δ1 » 1,2δ ;

толщину центрирующего пояска δ2 = (0,9...1,0) δ;

диаметр флан­ца крышки Dф = D + (4,0 ... 4,4) d;

d - диаметр отверстия под винты.

Таблица 7.

Геометрические параметры крышек

Параметр	D, мм
50 … 62	63 … 95	100 … 145	150 … 220
δ, мм	5	6	7	8
d, мм	6	8	10	12
z, мм	4	4	6	6
l, мм	5	5	8	8

Для предотвращения просачивания масла между фланцами и корпу­сом устанавливают прокладки из технического картона или паронита. Если позволяет длина направляющей части крышки, то на ней выпол­няют канавку и в качестве уплотнения применяют резиновое бензо-маслостойкое кольцо круглого сечения (рис. 26, г). Профиль канавки показан на рис. 26, г, а размеры ее конструктивных элементов прини­мают следующими:

b = 5,6 мм, d1 = D - 7,4 мм.

Диаметр сечения рези­новых колец dK = 4,6 мм.

При небольшом межосевом расстоянии фланцы двух крышек подшипников могут перекрывать друг друга. Тогда у обеих крышек срезают их фланцы на размер до посадочного диаметра D крышки. Зазор между срезами оставляют в пределах 1...2 мм (рис. 26, в).

Врезные крышки подшипниковых опор не требуют специального крепления к корпусу. В связи с этим отпадает надобность в крепежных отверстиях в крышках, резьбовых отверстиях в корпусе, а также в винтах. Однако их можно применять только в корпусе, имеющем плоскость разъема по осям валов.

На рис. 27 изображены типовые конструкции врезных крышек. Наружный диаметр крышек выполняют для удерживания смазки по допуску h8. Сопряжение кольцевого выступа (по ширине) с канавкой в корпусе должно соответствовать посадке Hll/hll. Ширину паза вы­полняют примерно равной толщине стенки крышки, т. е. b » δ. Толщину стенки δ принимают как и для привертных крышек по данным, приведенным в табл. 7. Высоту выступа обычно принимают с » 0,5b. На рис. 27, в показана схема расположения двух закладных крышек. Чтобы обеспечить необходимый осевой зазор а, применяют компенса­торное кольцо 1.

а) б) в)

Рис. 27

При конструировании узлов подшипников качения не всегда обя­зательно разрабатывать конструкцию крышек, их можно принимать как готовые комплектующие изделия по ГОСТ 18511, ГОСТ 18512, ГОСТ 18514, ГОСТ 11641.

Конструктивные формы крышек с отверстиями для прохода вала зависят от типа уплотнений, при выборе которых учитывают вид сма­зывания, рабочую температуру, окружную скорость вала и характер внешней среды.

Наиболее распространены контактные уплотне­ния, в которых уплотняющие элементы соприка­саются по цилиндрическим или торцевым поверх­ностям. Особенно часто применяются манжетные армированные уплотнения из синтетической рези­ны. Они предназначены для работы в минераль­ных маслах, пластичных смазках и воде при избы­точном давлении до 50 МПа. Допускаемая темпе­ратура от 45 до 120° С и кратковременно (не более 2 ч) до 130°С.

Манжета (рис. 28 и табл. 8) состоит из корпуса 1, изготовленного из бензомаслостойкой резины, каркаса 2, представляющего собой сталь­ное кольцо Г-образного сечения, и браслетной пружины 3. Каркас придает корпусу манжеты жесткость и может находиться внутри корпуса или на поверхности. Браслетная пружина стягивает уплотняющую часть манжеты. Благодаря этому образуется рабочая кромка манжеты шириной b = 0,4...0,8 мм, плотно охва­тывающая поверхность вала. Нормальная работа манжеты возможна лишь при смазывании поверхностей трения.

Манжету устанавливают в крышку подшипника или корпуса редуктора в зависимости от направления действия давления р в соответствии с рис. 28.

Отверстие в крышке подшипника под манжету выполняют с допуском по Н8, с шероховатостью Ra = 3,2 мкм. Центрирующий поясок крышки выполняют с допуском по h8. Несоосность этого пояска относительно отверстия под манжету для валов диаметром 18...50 мм не должна превышать 0,015 мм; для валов диаметром 50...120 мм - 0,02 мм. Поверхность вала под уплотнением выполняется с допуском по h 11, с шероховатостью Ra £ 0,32 мкм, закаленной до твердости более 50 HRC. При большой шероховатости поверхности происходит быстрое изнашивание рабочей кромки манжеты, а при малой твердости вала — образование канавки, ослабляющей вал.

При высоком уровне масла (например, в глобоидных червячных редукторах) или запыленной внешней среде устанавливают рядом две манжеты или одну с пыльником (рис. 28, в). При этом свободное пространство между манжетами или рабочими кромками манжеты заполняют при сборке пластичной смазкой.

При использовании для подшипников жидкого смазочного материала обычно применяют уплотнения по торцовым поверхностям колец подшипников.

Контактные уплотнения оказывают сопротивление вращению, поэтому их применяют при небольших скоростях (v < 15 м/с). Бескон­тактные уплотнения не оказывают сопротивления вращению.

а) б) в)

Рис. 28

Для свободного просачивания масла при смазывании подшипников качения масляным туманом полость подшипника должна быть открыта внутрь корпуса, а для обеспечения лучшей циркуляции масла подшип­никовые гнезда желательно дренажировать.

При расположении рядом с подшипником шестерни, наружный диаметр которой меньше наружного диаметра подшипника, выжимаемое из зацепления масло при значительных скоростях обильным потоком выбрасывается в подшипник. Если подшипник необходимо защищать от излишнего количества масла, применяют внутреннее уплотнение в виде маслоотбойных шайб, изготовляемых механической обработкой или штамповкой. Толщина шайбы 1,2 … 2,0 мм, зазор между корпусом и наружным диаметром шайбы 0,2 … 0,6 мм.

В случае применения пластичной смазки (при ресурсном смазы­вании) подшипниковые узлы должны быть изолированы от внутренней полости воизбежание вымывания пластичной смазки жидкостной, применяемой для смазывания зацепления. В этом случае подшипниковый узел закрывают маслосбрасывающим кольцом.

Таблица 8.

Геометрические параметры манжеты

Диаметр вала, d	D	h	h	Диаметр вала, d	D	h	h
1-й ряд	2-й ряд	1-й ряд	2-й ряд
20	40	35	8	12	42	62	65	10	14
37		68
38		44	-	62
42		10	14	65
21		37	8	12	45	65	62
42		10	14	70
22		35	8	12	48	70	65
42		10	14	72
24		42	50	72
45		75
25	42	40	8	12	80	12	16
45	10	14	52	75	72	10	14
26	45	40	8	12	80	12	16
47	10	14	55	80	75	10	14
28			-	45	82	12	16
47			56	-	10	14
50			58	75
30			52	45	82	12	16
47			60	85	80	10	14
50			82
32			58	45	62	-	80
50				82
35				47	85
50				90	12	16
55				63	90	-	10	14
57				65	95
36				52	67	-	90	12	16
55				68	90
38				55	95
60				70	95	100	10	14
62				71	-
40			60	55	75	100	-
58			102	12	16
62

Примечание. Пример обозначения манжеты типа 1 для вала диаметром d = 50 мм с наружным диаметром D = 70 мм из резины 3-й группы (на основе нитрильного синтетического каучука): «Манжета 1-50´70-3 ГОСТ 8752-79».