Электромеханический привод машины разборки писем

Объектом данного курсового проекта является зубчатая передача (редуктор) электромеханического привода, предназначенная для преобразования вращательного движения. Такой выбор связан с большой распространенностью зубчатых передач в современной технике. Кроме этого в электромеханическом приводе с зубчатой передачей наиболее полно представлены детали, узлы и соединения, для закрепления знаний по курсу "Техническая механика".

Целью данного курсового проекта является проектирование редуктора в соответствии с прилагаемой кинематической схемой.

При проектировании редуктора необходимо наряду с конструкторскими решениями выполнить различные расчеты, позволяющие выбрать оптимальные варианты конструкции либо проверить правильность принятых конструктивных решений.

Основными задачами, которые необходимо выполнить в курсовом проекте, являются:

-ознакомление с научно-технической литературой по теме курсового проектирования;

-изучение известных конструкций аналогичных механизмов машин и приборов с анализом их достоинств и недостатков;

-выбор наиболее простого варианта конструкции механизма с учетом выполнения требований технического задания на проект;

-выполнение необходимых расчетов с целью обеспечения заданных технических характеристик устройства;

-выбор необходимой точности изготовления деталей и узлов проектируемого устройства;

-выполнение графической части курсового проекта в соответствии с требованиями стандартов (Единая система конструкторской документации) ЕСКД;

-составление необходимых описаний и пояснений к курсовому проекту.

1 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Механизм, изображенный на рис. 1, предназначен для применения в качестве привода машины разборки писем. От электродвигателя 1 крутящий момент через вал I посредством муфты 2 передается на червяк 3. В зацепление с червяком входит червячное колесо 4, закрепленное на промежуточном валу II вместе с шестерней 5. Через цилиндрическую прямозубую передачу, состоящую из шестерни 5 и зубчатого колеса 6, крутящий момент передается на выходной вал III.

III

Рисунок 1 – Механизм привода машины разборки писем

Привод – это устройство, посредством которого осуществляется движение рабочих органов механизма. Структурная схема привода включает двигатель того или иного типа и передачу. Последняя служит для передачи энергии двигателя к рабочим органам и может быть механической, электрической, гидравлической, пневматической и комбинированной.

В приборных устройствах широко применяются в качестве двигателей электродвигатели различных типов и механические редукторы и мультипликаторы для передачи движения к исполнительным органам механизма. Приводы такого типа называют электромеханическими (ЭМП).

В данном курсовом проекте необходимо спроектироватьв соответствии с прилагаемой кинематической схемой электромеханический привод машины разборки писем.

Исходные данные для выполнения курсового проекта приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные для выполнения курсового проекта

Параметр	Условное обозначение	Значение
Скорость вращения выходного вала редуктора	n_вых	25 об/мин
Момент нагрузки на выходном валу	М_н	45 Нм
Тип производства	единичное

2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Выбор электродвигателя заключается в подборе наиболее рационального типа (серии) и конкретного двигателя в намеченной серии в зависимости от требуемой мощности.

При выборе типа электродвигателя учитывают следующие факторы:

1.Характер работы (нерегулируемый электромеханический двигатель или регулируемый);

2.Назначение двигателя;

3.Режим работы оборудования. Для любого технологического оборудования рекомендуются следующие режимы работы:

- длительный режим работы;

- кратковременный;

- повторно-кратковременный;

- повторно-кратковременный с частыми пусками;

- повторно-кратковременный с частыми пусками и электроторможением.

4.Номинальное значение нагрузки и угловой скорости;

5.Максимальное ускорение и скорость;

6.Пусковые характеристики двигателя;

7.Характеристики сети питания (род тока, напряжение);

8.Механические характеристики двигателя;

9.Габариты, масса, ресурс, стоимость.

Чтобы выбрать электродвигатель необходимо рассчитать требуемую мощность.

1. Требуемую мощность электродвигателя определим по формуле:

(1)

где Р _вых– мощность привода на выходном валу, Вт;

– общий КПД привода;

1,05 – коэффициент запаса, учитывает возможные падения напряжения в сети, появление динамических воздействий, отклонение условий эксплуатации.

2. Общий КПД привода определим по формуле:

(2)

3. Мощность привода на выходном валу равна:

(3)

где - момент нагрузки на выходном валу, Нм;

, (4)

Произведем расчет:

³=0,4

Тогда требуемая мощность электродвигателя равна

На основании полученных данных подберем электродвигатель. Наиболее подходящим является двигатель 71А6/910 мощностью 0,37 кВт с частотой вращения 1000 об/мин.

Тогда

3 РАСЧЕТ РЕДУКТОРА

Процесс проектирования редуктора состоит в решении ряда вопросов, из которых основными являются:

- кинематический расчет редуктора,

- геометрический расчет редуктора,

- расчет приведенного момента инерции редуктора.

Кинематический расчет редуктора состоит в определении общего передаточного отношения и распределении его по ступеням.

Геометрический расчет редуктора заключается в нахождении числа зубьев колес, выборе модуля зацепления и определении основных размеров колес.

Расчет приведенного момента инерции редуктора состоит в определении инертности всех звеньев механизма, приведенной к одному звену.

3.1 Кинематический расчет

Кинематический расчет – разбивка общего передаточного отношения по ступеням. Учитывая, что тип передачи выбран, выбор кинематической схемы механизма состоит в определении числа ступеней.

При определении числа ступеней и распределении общего передаточного отношения по ступеням необходимо учитывать требования, предъявляемые к механизму и условия работы.

Необходимое передаточное число редуктора i_p_ед:

(5)

где n_дв - частота вращения вала электродвигателя, n_дв = 1000 об/мин;

n_вых - скорость вращения выходного вала, n_вых= 25 об/мин.

Передаточное число цилиндрической прямозубой передачи выбираем из условия i_пр.цил=3…5. Примем i_пр.цил=3,3.

Тогда передаточное число червячной передачи:

3.2 Геометрический расчет

Геометрический расчет состоит в определениимежосевых расстояний валов и геометрических размеров передач механизма.

Произведем геометрический расчет цилиндрической зубчатой передачи.

Основными параметрами зубчатой передачи, определяющими габариты редуктора, являются: число зубьев z зубчатых колес и модуль m.

Выбираем номинальный модуль m из ряда:

m=0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5 мм. Принимаем модуль m=2,5 мм.

1. Рассчитаем геометрические размеры прямозубой цилиндрической передачи.

Для пары зубчатых колес, образующих ступень с передаточным отношением i_1,2=z₂/z₁, необходимо назначить число зубьев малого колеса z₁, тогда число зубьев второго колеса найдется из соотношения z₂ =z₁×i_1,2.

Рекомендуемое минимальное число зубьев на меньшем колесе находиться в пределах 17≤z₁≥28, примем z₁ = 20. тогда z₂ =20×3,3=66.

Делительный диаметр шестерни:

d_д1 = m×z₁ = 2,5 × 20 = 50 мм.

Делительный диаметр ведомого колеса:

d_д2 = m×z₂ = 2,5 × 66 = 165 мм.

Диаметр основной окружности шестерни:

d_о1= d_д1×cos20°=50 × cos20°=47 мм

Диаметр основной окружности ведомого колеса:

d_о2= d_д2×cos20°=165 × cos20°=155 мм

Диаметр окружности выступов шестерни:

d_а1=m(z₁+2h*)=2,5(20+2×1)=55 мм

Диаметр окружности выступов ведомого колеса:

d_а2=m(z₂+2h*)=2,5(66+2×1)=170 мм

Диаметр окружности впадин шестерни:

d_f₁= d_д1- 2m(h*+c*)=50-5×(1+0,25)=43,8 мм

Диаметр окружности впадин ведомого колеса:

d_f₂= d_д2- 2m(h*+c*)=165-5×(1+0,25)=158,8 мм

Межосевое расстояние:

а₁₂= (d_д1+ d_д2)/2=(50+165)/2=107,5 мм

Высота зуба:

h_з=h*m+(h*+c*)m=2,5+(1+0,25) ×2,5=2,5+3,125=5,6 мм

Ширина венца ведомого колеса:

в_к=(3…15)m=14m=14×2,5=35 мм

Ширина венца шестерни:

в_ш= в_к +(0,5…1)=35+1=36 мм

2. Рассчитаем геометрические размеры червячной передачи.

Для червячных передач число зубьев z₂червячного колеса зависит от передаточного отношения i₁₂, числа заходов z₁червяка и определяется выражением z₂= z₁i₁₂. Число заходов червяка рекомендуется применять равным z₁= 1 при i₁₂ > 30 и z₁ = 2 при 10 ≤ i₁₂≤ 30. Минимальное число зубьев червячного колеса принимают равным 26...28.

Примем число заходов червяка z₁= 2, тогда число зубьев z₂=2×13=26.

Примем коэффициент диаметра червяка q=12. Тогда диаметр делительного цилиндра червяка:

d_д1=m×q = 2,5*12 = 30 мм.

Диаметр делительной окружности червячного колеса:

d_д2 = m×z₂ =2,5 × 26 = 65 мм.

Диаметр начальной окружности червяка:

d₁=m×q=30мм.

Диаметр начальной окружности червячного колеса:

d₂=d_д1=65мм.

Диаметр окружности выступов червяка:

d_а1=d_д1+2h*m=30+2×1×2,5=35мм.

Диаметр окружности выступов червячного колеса:

d_а2=d_д2+2m(h*+c*)=80+2×2,5(1+0,25)=71,3мм.

Диаметр окружности впадин червяка:

d_f₁=d_д1-2m(h*+c*)=30-2×2,5(1+0,25)=23,8мм.

Диаметр окружности впадин червячного колеса:

d_f₂=d_д2-2m(h*+c*)=65-2×2,5(1+0,25)=58,8 мм.

Межосевое расстояние:

a₁₂=(d_д1+ d_д2)/2=(30+65)/2=47,5 мм.

Угол подъема витка червяка к делительному цилиндру:

λ=arctg(z₁/q)= arctg(2/12)=9,5°

Длина нарезанной части червяка:

l=12m

3.3 Проверочный расчет

Расчет модуля (проверочный расчет) для прямозубой и косозубой цилиндрической передачи производят исходя из условия прочности зубьев наиболее нагруженного колеса на изгиб по следующей формуле:

(6)

где m- модуль зацепления, мм;

К_m- коэффициент, который принимается равным К_m= 1,4 для прямозубых колес и К_m= 1,12 для косозубых колес;

T_max-максимальный крутящий момент, действующий на рассчитываемое колесо, Н- мм;

К₁ - коэффициент концентрации нагрузки, характеризующий неравномерность распределения нагрузки по ширине колеса, принимают К₁ = 1...1,5, причем меньшие значения - для нешироких колес при симметричном расположении относительно опор. При постоянной нагрузке и колесах с неупрочненными зубьями при окружных скоростях меньше 15 м/с можно принимать К₁= 1;

К₂- коэффициент динамичности нагрузки принимают К₂=1...1,3 в зависимости от точности изготовления колес и окружных скоростей: меньшие значения коэффициента при более высокой точности изготовления и при меньших окружных скоростях;

z_к - число зубьев рассчитываемого колеса;

- коэффициент, равный отношению ширины венца зубчатого колеса к модулю: =b/m. Коэффициент принимает значения от 3 до 16, причем меньшие значения выбирают для малогабаритных колес невысокой точности;

у - коэффициент формы зуба, значения которого зависят от числа зубьев;

[σ_и] - значение допускаемого напряжения на изгиб. Значения [σ_и] в Мпа для некоторых материалов равны: для стали СтЗ - 200; для стали 35 - 390; для дюралюминия - 250; для бронзы и латуни - 135; для текстолита - 45; для капрона - 30.

Следовательно, m=2,5 выбран верно.

Проверим правильность выбора модуля для червячного колеса по формуле:

(7)

Это значит, что для червячного колеса модуль также выбран правильно.

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ВЫБРАННОГО ПРИВОДА

Коэффициент полезного действия (к.п.д.) редуктора зависит от числа ступеней и величины потерь, вызванных трением в опорах и в зацеплении зубчатых колес. Учитывая, что редуктор представляет собой кинематическую цепь с последовательным соединением звеньев, выражение для коэффициента полезного действия редуктора будет иметь вид:

(8)

где - к.п.д. зубчатых пар, входящих в состав редуктора;

- к.п.д. одной пары подшипников;

п - число ступеней передачи.

При проектировании передач можно пользоваться следующими значениями коэффициентов полезного действия для одной пары подшипников:

скольжения - = 0,96 ... 0,98;

качения -=0,99 - 0,995.

Коэффициент полезного действия для пары цилиндрических зубчатых колес определяется по формуле:

(9)

где f- коэффициент трения в зацеплении (для передач со смазкой f = 0,1, при несмазываемых передачах для пары сталь-сталь f = 0,12...0,15, для пары сталь-бронза или сталь-латунь f=0,08...0,12);

ε- коэффициент перекрытия пары зубчатых колес с числом зубьев z₁и z₂, (при определении к.п.д. можно принять ε- 1,5);

с - коэффициент, учитывающий влияние в малонагруженных передачах на значение к.п.д. собственных потерь на трение. При окружной силе F_f> 30 Н с = 1, а при F < 30 Н.

Значение коэффициента определяется по эмпирической формуле:

с = (2,92+ F_t/(0,174+ F_t). (10)

Таким образом,

При ориентировочных расчетах червячных передач с ведущим червяком можно принимать значения коэффициента полезного действия =0,70…0,80 для двухзаходнего червяка.

Коэффициента полезного действия муфты принимается равным =0,6.

Таким образом, коэффициент полезного действия выбранного привода будет равен:

5 ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Выбор электродвигателя по мощности заключается в установлении номинального значения мощности, которое должно быть больше или по крайней мере равно расчетному значению мощности на валу двигателя.

Мощность двигателя определяется из баланса мощностей в установившемся режиме работы.

(11)

(12)

где η – общий КПД привода,

К – коэффициент запаса, учитывает возможные падения напряжения в сети, появление динамических воздействий, отклонение условий эксплуатации. К=1,05…1,1.

Мощность же выбранного электродвигателя равна 0,37 кВт

Мощность двигателя больше требуемой мощности, следовательно, выбранный двигатель удовлетворяет поставленным требованиям.

6 СОСТАВЛЕНИЕ И РЕШЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Уравнением движения тела называют зависимость, связывающую параметры движения с инерциальными характеристиками тела и силовыми воздействиями на него.

При вращательном движении уравнение движения имеет вид:

(13)

где I– приведенный момент инерции электропривода;

М – приведенный момент сил электропривода.

Задачу о движении системы звеньев с одним начальным звеном (вал электродвигателя) сводят с помощью метода приведения к задаче о движении одного звена. Это звено называется звеном приведения. Обычно за звено приведения принимают вал электродвигателя. Звено приведения должно обладать динамическими мерами движения всей системы, т.е. приведенной массой (приведенным моментом инерции) и приведенной силой (приведенным моментом сил).

Динамическими мерами движения являются мощность и кинетическая энергия.

Приведенной силой или приведенным моментом сил называют условную силу или условный момент сил, которые будучи приложенными к звену приведения развивают мощность, равную мощности всех сил, действующих на составляющие звенья привода.

(14)

В данном случае действует только один момент.

(15)

Произведем расчет приведенного момента сил электропривода:

Нм

Таким образом момент приведения привода равен 0,7 Нм.

6.2 Расчет приведенного момента инерции электропривода

Приведенной массой (приведенным моментом инерции) называют условную массу (условный момент инерции), имея который звено приведения обладает кинетической энергией равной кинетической энергии всех звеньев системы.

(16)

где К_i – кинетическая энергия каждого звеня системы;

к – количество звеньев системы.

Для расчета воспользуемся кинематической схемой редуктора, изображенной на рисунке 2.

III

Рисунок 2 – Кинематическая схема редуктора

(17)

где I_пр - приведенный момент инерции электропривода;

I_рот - момент инерции ротора;

I_муфты - момент инерции муфты;

I_I - момент инерции на ведущем валу электропривода;

I_II - момент инерции на промежуточном валу электропривода;

I_III - момент инерции на ведомом валу электропривода;

ω₁ - угловая скорость на входном валу;

ω₂ - угловая скорость на промежуточном валу;

ω₃ - угловая скорость на ведомом валу.

Тогда

Рассчитаем моменты инерции:

1) входного вала:

(18)

где I_I_вал - момент инерции ведущего вала электропривода;

I_I_черв - момент инерции червяка.

кг м²

Итак кг м².

2)промежуточного вала:

(19)

где I_II_вал - момент инерции промежуточного вала электропривода;

I_II_{черв.кол} - момент инерции червячного колеса;

I_II_шест - момент инерции шестерни.

кг м²

Итак кг м²_.

3) ведомого вала:

(20)

где I_III_вал - момент инерции ведомого вала электропривода;

I_III_{зуб.кол} - момент инерции зубчатого колеса.

кг м²

Итак кг м².

Тогда

Следовательно,

кг м²

Тогда приведенный момент инерции равен

кг м²

6.3 Расчет времени разгона электропривода

В общем случае

(21)

Так каки

(22)

Решение дифференциального уравнения имеет такой вид:

(23)

где е- основание десятичного логарифма;

t – время;

T_м= электромеханическая постоянная времени.

(24)

где I_пр– приведенный момент инерции системы;

М_пуска – пусковой момент электродвигателя;

М_ном – номинальный момент электродвигателя;

ω_ном– номинальная угловая скорость электродвигателя.

Рассчитаем электромеханическую постоянную времени:

Время разбега t_р=4 Т_м=4*0,17=0,68 с.

Следовательно, решение дифференциального уравнения движения электропривода имеет вид:

7 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ РЕДУКТОРА

Для изготовления деталей механических устройств основным материалом являются различные металлы.

В данном курсовом проекте все передачи можно отнести а слабонагруженным, режим работы редуктора постоянный, нереверсивный, поэтому конструкционные и смазочные материалы можно выбирать из обычной номенклатуры без специальных требований к ним.

Червячное колесо изготавливаем из двух частей: венец – бронза БрОФ7-0,2 – обладает высокими механическими и хорошими антифрикционными свойствами, хорошо обрабатывается резанием и давлением; центр – сталь 45 ГОСТ 1050-88 – сталь углеродистая качественная конструкционная, обладает удачным сочетанием прочности и пластичности.

Материалом для червяка служит сталь 45 ГОСТ 1050-88.

В качестве материала для зубчатых колес цилиндрической прямозубой передачи принимаем сталь 45 ГОСТ 1050-88, обработанную закалкой ТВЧ до твердости 38…42 HRC.

Валы редуктора также изготавливаем из материала сталь 45 ГОСТ 1050-88.

В качестве материала для конструирования корпуса редуктора принимаем серый чугун марки СЧ-10 – легко плавится и хорошо обрабатывается резанием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данном курсовом проекте спроектирован привод машины для разборки писем, т.е. выполнены все расчеты, позволяющие обеспечить заданные технические характеристики устройства, а именно произведен кинематический и геометрический расчет редуктора, определен коэффициент полезного действия привода, произведен расчет необходимой мощности электродвигателя, рассчитаны приведенный момент сил и инерции электропривода, а также время разгона электропривода.

Также в данном курсовом проекте в качестве конструкторской документации представлен сборочный чертеж редуктора с деталировкой зубчатого колеса и ведомого вала редуктора.

ЛИТЕРАТУРА

1.Н.В. Вышинский «Техническая механика: Курсовое проектирование: Учеб. пособие». – Мн.: «Бестпринт», 2001.

2.С.А. Чернавский, К.Н. Боков, И.М. Чернин и др. «Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие». - М.: Машиностроение, 1988.

3.И.М. Чернин, А.В. Кузьмин, Г.М. Ицкович «Расчеты деталей машин. Справочник». – Мн.: «Вышэйшая школа», 1974.

4.В.А. Добровольский, К.И. Заблонский, С.Л. Мак и др. «Детали машин». - М.: Машиностроение, 1972.

5.Курсовое и дипломное проектирование: Правила компьютерного оформления текстовых и графических документов. СТП ВГКС 1.01-2005. Мн., 2004.