Пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Детали

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ
И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
Академия Государственной противопожарной службы
Пособие по курсовому
проектированию
по дисциплине «Детали машин»
Москва 2006
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ
И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
Академия Государственной противопожарной службы
Пособие по курсовому
проектированию
по дисциплине «Детали машин»
Под общей редакцией доктора технических наук,
профессора М.Д. Безбородько
Утверждено Редакционно-издательским советом
Академии в качестве учебно-методического пособия
Москва 2006
Содержание
Введение .................................................................................................................................... 3
1. Общие положения ................................................................................................................ 4
1.1. Задачи курсового проектирования ......................................................................... 4
1.2. Варианты заданий .................................................................................................... 4
1.3. Объем и последовательность выполнения курсового проекта ............................ 5
2. Проектирование и расчет редуктора .................................................................................. 8
2.1. Общие сведения о механических передачах и редукторах .................................. 8
2.2. Расчет зубчатых передач ....................................................................................... 10
2.3. Эскизное проектирование (первый этап) ............................................................. 11
2.3.1. Цель эскизной компоновки .......................................................................... 11
2.4. Расчет валов ............................................................................................................ 16
2.4.1. Выбор расчетных схем ................................................................................. 16
2.4.2. Определение реакций А и В ведущего вала ................................................ 17
2.4.3. Изгибающие моменты ведущего вала ......................................................... 18
2.4.4. Определение реакций в опорах А и В, а также изгибающих
моментов ведомого вала ........................................................................................................ 19
2.4.5. Расчет на прочность ...................................................................................... 19
2.5. Расчет подшипников качения ............................................................................... 20
2.6. Расчет шпоночных соединений ........................................................................... 25
3. Эскизная компоновка редуктора (второй этап)............................................................... 25
4. Конструирование редуктора ............................................................................................. 29
4.1. Конструирование корпуса редуктора ................................................................... 29
4.2. Конструирование зубчатых колес ........................................................................ 36
4.3. Конструирование валов ......................................................................................... 38
4.4. Конструирование подшипниковых узлов............................................................ 43
4.5. Конструирование крышек подшипников ............................................................ 44
4.6. Смазывание, смазочные устройства и уплотнения ............................................ 48
5. Требования к оформлению курсового проекта ............................................................... 52
5.1. Оформление основной надписи ........................................................................... 52
5.2. Оформление пояснительной записки................................................................... 54
5.3. Оформление спецификации .................................................................................. 58
5.4. Выполнение рабочих чертежей ............................................................................ 61
5.4.1. Общие требования ........................................................................................ 61
5.4.2. Простановка размеров .................................................................................. 61
5.4.3. Технические требования .............................................................................. 62
5.4.4. Рабочие чертежи зубчатых колес ................................................................ 63
5.4.5. Выполнение рабочих чертежей валов ........................................................ 65
5.5. Выполнение сборочного чертежа ......................................................................... 67
5.5.1. Общие положения......................................................................................... 67
5.5.2. Простановка размеров .................................................................................. 68
5.5.3. Дополнительные требования по оформлению сборочного чертежа ....... 68
Приложения ............................................................................................................................ 71
Литература .............................................................................................................................. 83
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования курс «Детали машин и основы
конструирования»
представлен
частью
общепрофессиональной
дисциплины (ОПД ф.02) «Механика». По определению в нем излагаются
основы расчета и конструирования простых деталей общего назначения.
Эти детали, за редким исключением, составляют основу конструкций всех
механизмов и агрегатов пожарной надстройки пожарных автомобилей и
систем пожаротушения.
Для инженеров специальности «Пожарная безопасность» (ПБ) этот
курс имеет особое значение, что обусловлено следующим.
Во-первых, инженеры ПБ назначаются на должности представителей
заказчика на предприятия, изготавливающие пожарную технику (ПТ), они
также привлекаются на приемку новых образцов ПТ, следовательно, им
необходимо иметь представления о конструировании машин и уметь
читать чертежи.
Во-вторых, инженеры ПБ эксплуатируют ПТ, оценивают надежность
ее механизмов, определяют необходимость постановки пожарных машин
(ПМ) на ремонт или обосновывают целесообразность их списания.
Следовательно, они должны уметь определять состояние деталей машин и
причины их изменения.
В-третьих, перед Государственной противопожарной службой (ГПС)
поставлена задача продления сроков службы ПМ, поэтому важно уметь
оценивать влияние условий эксплуатации на долговечность и надежность
деталей механизмов.
В-четвертых, от состояния многих деталей и их сопряжений зависят
расходы эксплуатационных материалов, утечки из сосудов ЛВЖ и ГЖ,
которые создают пожарную опасность и способствуют загрязнению
окружающей среды. Инженер ПБ, зная эту специфику, должен
предусмотреть аварийные ситуации и принять все необходимые меры для
их предотвращения.
Выполнение курсового проекта по дисциплине «Детали машин» будет
способствовать углублению знаний курса и решению ряда важных
практических задач.
Необходимость в написании пособия обусловлена тем, что в
библиотеке Академии ГПС МЧС России отсутствует в достаточном
количестве литература по проектированию. Поэтому были использованы
материалы учебного пособия Дунаева и Леликова [4] в сокращенном и
упрощенном варианте, так как слушатели Академии получают
специальность инженера пожарной безопасности и не занимаются
конструированием узлов и деталей машин.
1. Общие положения
1.1. Задачи курсового проектирования
Выполнение курсового проекта завершает общетехническую подготовку слушателей
(курсантов – далее слушателей). Это первая самостоятельная инженерная работа, при выполнении
которой используются знания теоретической механики, сопротивления материалов,
материаловедения и инженерной графики.
Выполнение курсового проекта – процесс творческий. Ясное понимание методов расчета
деталей на прочность, рациональный выбор материалов, тщательность обоснования опытных
расчетных коэффициентов в формулах позволят уяснить возможные пути обеспечения оптимальных
размеров деталей, их соединения и компоновки узлов. Поэтому перед началом выполнения расчетов
нужно прочитать необходимый материал в учебнике.
При выполнении курсового проекта слушатели должны приобрести
некоторый опыт расчета простых деталей общего применения и уяснить:
порядок выполнения проектов;
основы содержания конструкторской документации;
особенности оформления чертежей и пояснительной записки.
При выполнении проекта необходимо усвоить основы использования
стандартов, применения специальной технической литературы. Все
изложенное должно способствовать формированию инженерных знаний и
инженерного мышления.
1.2. Варианты заданий
Варианты заданий на выполнение курсового проекта представлены в
табл. 1.1  1.3.
Таблица 1.1
Параметр
1
Мощность
на
ведущем валу 14
редуктора
Р1,
кВт
Частота
вращения
970
ведущего вала
редуктора
n1,
-1
мин
Варианты
5
6
2
3
4
20
14
28
28
2920
1440
1450
2930
7
8
9
10
14
20
20
28
730
1450
970
975 2920
14
Исходные данные из табл. 1.1 выбираются по последней цифре справа
номера зачетной книжки.
Таблица 1.2
Параметр
1
2
3
4
Варианты
5
6
7
8
9
10
Сталь 45Х с термообработкой до
твердости НВ 241…285
термообработкой до твердости
НВ 217…240
Сталь 20Х с термообработкой до
твердости НRС 56…60
с
35ХГСА
Сталь
термообработкой до твердости
235
НВ
с
40ХНМА
Сталь
Сталь 40ХН с термообработкой
до твердости НВ 230…300
твердости НВ 163…269
с
12ХНЗА
Сталь
термообработкой до твердости
НRС
45Х с термообработкой до
Сталь56…60
Сталь 35ХМ с термообработкой
до твердости НВ 241…260
Сталь 40 с термообработкой до
твердости НВ 192…228
Сталь 40Х с термообработкой до
твердости НRС 49…51
и
колес
Материал зубчатых
термообработка
Исходные данные из табл. 1.2 выбираются по второй цифре справа номера
зачетной книжки.
Таблица 1.3
1
2
3
Косозубая
Косозубая
Прямозубая
Параметр
4
Варианты
5
6
7
8
9
10
Передаточное
отношение, i
Продолжител
ьность
работы, ч
Прямозубая
Прямозубая
Косозубая
Косозубая
Прямозубая
Прямозубая
Прямозубая
Тип передачи
1,9
2,3
2,7
3,1
2,3
2,7
3,1
2.3
3,1
2,7
4000
5000
6000
4000
5000
6000
4000
5000
6000
5000
Исходные данные из табл. 1.3 выбираются по третьей цифре справа
номера зачетной книжки.
1.3. Объем и последовательность выполнения курсового проекта
Проект является разработкой конструкции узла или механизма,
предоставляется в виде чертежей на 1,5-2 листах формата А1 (594841
мм). На первом листе дается конструктивная разработка редуктора в виде
сборочного чертежа, на втором листе – рабочие чертежи нескольких
деталей, входящих в него. Расчеты приводятся в пояснительной записке
25-35 страниц на бумаге формата А4 (297210 мм).
Успешное выполнение проекта возможно только в случае
систематической работы над ним. Для его выполнения требуется около 30
часов. Порядок и примерное распределение объема работ при выполнении
проекта приводится в табл.1.4.
Таблица 1.4
Содержание работы
1. Расчет основных деталей проектируемого узла или механизма:
1.1.Определение размеров шестерни и колеса цилиндрической
зубчатой передачи и усилий в зацеплении.
Эскизный проект
1.2. Расчет валов и выбор подшипников качения
1.3. Расчет основных деталей: муфт сцепления, шпонок
2. Разработка конструкции на миллиметровой бумаге
3. Вычерчивание согласованной конструкции в тонких линиях
4. Обводка чертежей
5. Оформление расчетно-пояснительной записки
Объем
работы, %
25
15
5
10
20
15
10
При выполнении проекта необходимо производить расчеты и
осуществлять эскизное и техническое проектирование первого и второго
этапов.
Качество курсового проекта и минимальные затраты времени на его
выполнение
во
многом
обусловлены
четким
уяснением
последовательности выполнения всего объема работ. Наиболее просто это
осуществляется при рассмотрении алгоритма выполнения проекта,
представленного на рис.1.1.
На подготовительном этапе следует четко уяснить цель и значимость
курсового проектирования в формировании инженера ГПС. Ясное
понимание цели – половина дела. Выбрав задание и усвоив алгоритм
выполнения проекта следует составить календарный план, ориентируясь
на табл.1.1.
Курсовой проект
Уяснение цели и
задач
Выбор задания
Составление календарного
плана
Расчет зубчатой
передачи
Эскизное
проектирование
Контроль 1
Расчеты
Валов
Подшипников качения
Соединений
Контроль 2
Разработка рабочих чертежей
общего вида
Оформление пояснительной
записки
Защита курсового проекта
Рис. 1.1
При выполнении курсового проекта основными источниками
информации являются учебники:
1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин. – М.: Высшая школа,
2003. – 408 с.
2. Иванов М.Н. Детали машин.– М.: Высшая школа, 2000. – 382 с.
Номера формул и рисунков в этих учебниках, за редким исключением, идентичны, а номера
страниц не совпадают. Для облегчения поиска необходимого материала в этом пособии будут
даваться ссылки в виде дроби. Номера в числителе будут относиться к источнику 1, а в
знаменателе – к источнику 2.
В некоторых подразделах разд. 2 пособия дается информация,
дополняющая материал учебника, упрощающая расчеты и особенно
эскизное проектирование. Поэтому, приступая к расчетам, внимательно
прочтите содержание этих подразделов.
Начиная разработку рабочих чертежей деталей и чертежа общего вида
редуктора, следует внимательно ознакомиться с требованиями,
предъявляемыми к их оформлению (см. п.5).
Пояснительная записка должна оформляться также в соответствии с
требованиями, изложенными в п.5 настоящего пособия.
2. Проектирование и расчет редуктора
2.1. Общие сведения о механических передачах и редукторах
Механической передачей называют механизм, который преобразует параметры движения
двигателя при передаче исполнительным органам машины. Необходимость введения передачи как
промежуточного звена между двигателем и исполнительными органами машины связана с решением
различных задач. Например, в пожарных автомобилях и других транспортных машинах требуется
изменять значение скорости и направление движения, а на подъемах и при трогании с места в
несколько раз увеличить вращающий момент на ведущих колесах. Сам автомобильный двигатель не
может выполнить эти требования, так как он работает устойчиво только в узком диапазоне изменения
вращающего момента и угловой скорости.
Согласование режима работы двигателя пожарного автомобиля с режимом работы его
специальных агрегатов осуществляется с помощью коробок отбора мощности (механических
передач), которые получили наибольшее распространение в пожарной технике.
В курсе «Детали машин» изучают только механические передачи общего назначения. Ниже
приведены основные параметры передач. В каждой передаче различают два основных вала: входной
и выходной, или ведущий и ведомый. Между ними в многоступенчатых редукторах располагаются
промежуточные валы.
Основные характеристики передач: мощность P1 на входе и P2 на выходе, Вт; частота
вращения n1 на входе и n2, об/мин, на выходе; угловые скорости ω1 и ω2, с-1. Эти характеристики
минимально необходимы и достаточны для проведения проектного расчета любой передачи.
Кроме основных различают производные характеристики: коэффициент полезного действия
(КПД):
η
 P2 / P1 ;
передаточное отношение определяется в направлении потока мощности:
i = ω1/ω2 = n1/n2.
Производные характеристики часто используют взамен основных. Например, передачу можно
определить с помощью P1, n1, i, η.
При i >1 – передача понижающая, или редуктор, при i < 1 – передача повышающая, или
мультипликатор.
При расчете передач часто используют выражение вращающего момента Т, H·м, через
мощность Р, Вт, и угловую скорость ω, с-1:
T  P / ω,
где ω = n/30, с-1.
Наибольшее распространение имеют редукторы цилиндрические благодаря их высокому КПД,
большому диапазону скоростей и нагрузок, долговечности и простоте. При малых передаточных
числах (не более 8…10, обычно до 6,3) применяют одноступенчатые редукторы. При передаточных
числах (8…40) применяют получившие наибольшее распространение двухступенчатые редукторы.
Многоступенчатые редукторы (три и более ступеней) применяют при больших передаточных
числах; в последнее время появилась тенденция замены их более компактными планетарными
редукторами. Редукторы могут быть общего или специального назначения. Редукторы специального
назначения допускается выполнять с нестандартными параметрами: межосевыми расстояниями,
передаточными числами и т.д. Однако нельзя принимать нестандартные модули.
Минимальное число зубьев шестерен (меньших колес) обычно ограничивается условием
неподрезания зубьев у основания и должно приниматься не менее 17. Для некорригированных
передач для ограничения номенклатуры корпусов редукторов межосевые расстояния выбирают из
стандартных рядов.
Прямозубые колеса применяют преимущественно при небольших и средних окружных
скоростях, при большой твердости зубьев, в открытых передачах, а также при необходимости осевого
перемещения колес для переключения скорости. Косозубые колеса применяют для ответственных
передач при средних и высоких скоростях. Угол наклона зубьев β = 8…18°, реже
до 25°. Для шестерен рекомендуется принимать направление зуба левое, для колес – правое. В
мощных редукторах применяют шевронные колеса
(β = 25…40°), не передающие на подшипники осевые нагрузки.
Наибольшее распространение в машиностроении имеют степени точности передач 6,7,8,9
(табл.8.2, с.125/119).
Валы, как правило, подвергают улучшению до твердости НВ 230…250; валы с диаметром до 80
мм допускается изготавливать из стали 45, валы с d = 80…125 мм – из стали 40Х. В случае
изготовления вала вместе с шестерней материал применяется по материалу шестерни.
Обычно в опорах валов устанавливают по одному подшипнику качения. При малых и средних
нагрузках применяют шарикоподшипники, при средних и больших нагрузках – роликоподшипники.
Смазка зацепления при окружных скоростях на зубчатых колесах
до 15 м/с обычно картерная. Вместимость масляной ванны 0,35…0,7 л
на 1 кВт передаваемой мощности. Зубчатые колеса погружают в масло на глубину 3…4 модуля.
Тихоходные колеса допускается погружать до 1/3 диаметра колеса.
Смазка подшипников качения наиболее просто осуществляется разбрызгиванием масла
зубчатыми колесами. Иногда используют консистентную смазку при малых скоростях зубчатых колес
до 4 м/с и принудительную смазку при высоких скоростях и нагрузках.
Расчет редукторов состоит из расчета элементов зубчатых передач, валов, подшипников, шпоночных
и шлицевых соединений и муфт, а также из теплового расчета быстроходных цилиндрических
передач.
2.2. Расчет зубчатых передач
Основные элементы эвольвентного зубчатого зацепления приведены на рис.8.4, с.122/116. Для
расчета зубчатых передач обычно задают:
мощность Р, кВт, или вращающий момент Т, Н·м;
частоту вращения n, мин-1, передаточное отношение i, т.е. отношение угловых скоростей двух
сопряженных колес;
срок службы, ч;
материал, его характеристики: предел прочности.
При расчете прямозубых передач можно ориентироваться на п.п.5…8 примера, изложенного на
с. 168/179.
В случае расчета косозубых передач необходимо ориентироваться на последовательность
расчета, как указано выше. Однако межосевое расстояние следует определять по формуле 8.31, а
контактные напряжения – по формуле 8.29, изложенных на с. 156/149.
Суммарное число зубьев колеса и шестерни в случае косозубых передач определять из выражения 
 2 аωсos / m.
Принимать, что колеса нарезают без смещения, поэтому рассчитывать, как указано на
с.123/117 при высоте зуба h = 2,25 m. В этом случае высота головки зуба h' = m, его ножки h˝ = 1,25
m.
По результатам расчета составляют таблицу основных размеров зубчатой передачи (табл.2.1).
Таблица 2.1
mn,
мм
z1
z2
d1,
мм
d2,
мм
aω,
мм
β1
bω1,
мм
bω2,
мм
2.3. Эскизное проектирование (первый этап)
2.3.1. Цель эскизной компоновки
Расчет зубчатых передач и последующий проектный расчет валов следует сопровождать
разработкой эскизной компоновки редуктора. Цель эскизной компоновки – определение
расположения деталей передачи, расстояния между ними, ориентировочные диаметры ступеней
валов; выбор типа подшипников и схемы их установки.
Эскизную компоновку производят в два этапа. Цель первого этапа
выявить приближенно расстояния между опорами и положение зубчатых
колес относительно опор для последующего определения опорных реакций
и подбора подшипников. Вычерчивание производится на миллиметровой
бумаге или ватмане желательно в масштабе 1:1. Эскизную компоновку
осуществляют на одной проекции, разрез по осям валов при снятой крышке
редуктора. Во втором этапе вычерчивается чертеж общего вида редуктора,
который включает в себя разрез по осям валов и вид спереди редуктора.
Чертеж для первого этапа эскизной компоновки вычерчивается в
тонких линиях, чтобы после расчета можно было произвести необходимые
изменения.
Перед вычерчиванием решается вопрос о способе смазки. Смазка
зубчатого зацепления обычно производится путем окунания зубчатого
колеса в масляную ванну. Смазка подшипников ввиду сравнительно
большой окружной скорости зубчатого колеса осуществляется тем же
маслом за счет разбрызгивания.
При вычерчивании компоновки редуктора можно пользоваться
следующими соотношениями, приведенными в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Наименование
Толщина
стенки
корпуса
одноступенчатого редуктора
Толщина
стенки
крышки
одноступенчатого редуктора
Минимальный зазор между колесом и
корпусом
Расстояние между поверхностью колеса
и дном редуктора
Обозначение
δ
Соотношения
δ = 0¸025aω + 1 ≥ 7
δ1
δ1 = 0¸02aω + 1 ≥ 7
a
a  L3
b
b = 3a
В этой таблице L есть величина, обозначающая расстояние между
внешними поверхностями зубчатых колес
L = d1 + d2+ 2m,
где d1 и d2 – диаметры начальных окружностей зубчатых колес, мм;
m - модуль зуба, мм.
Все величины размеров в табл.2.2 следует округлять до целых значений.
В любом масштабе на листе бумаги формата А4 изобразите в разрезе (рис.2.1) проектируемый
редуктор и укажите все размеры. Это начало эскизной компоновки. На рис. 2.1 показаны валы: 1 –
ведущий и 2 – ведомый.
аw
d2
d1
b

а
1
а
2
Рис. 2.1
Первый этап компоновки редуктора осуществляется в следующей последовательности,
особенность которой состоит в том, что ее выполнение сочетается с проектным расчетом вала и
предварительным выбором подшипников качения.
1. Определить масштаб чертежа, исходя из возможности размещения его на листе формата А1
(814×570 мм).
Как правило, должен использоваться масштаб 1:1. Если невозможно разместить на листе обе
проекции редуктора в масштабе 1:1, следует выполнять каждую проекцию на отдельном листе.
2. Провести на листе две вертикальные линии I-I и II-II – оси ведущего и ведомого зубчатых
колес. Расстояние между ними – межосевое расстояние аw, полученное при расчете зубчатой
передачи (рис.2.2).
3. Разместить на осях зубчатые колеса с размерами ширины зубьев b1 и b2 .
Рис.2.2
Рекомендуется учитывать b1 = b + 5 мм.
4. Определить размеры валов и их длину для проектирования редуктора. Проектирование
редуктора требует определения диаметров валов и их длины (см. Расчет валов, п.2.4).
Проектный расчет осуществляют, определяя диаметр вала и разработку его конструкции.
Рассмотрим это на примере быстроходного вала.
4а. Диаметр, мм, ведущего вала определяется по формуле 15.1, с.315/206:
d1 
3
T1
.
0,2[τ]
4б. Опорами вала являются подшипники качения. Их размеры невозможно определить, так как
неизвестны расстояния между опорами. Поэтому поступают следующим образом.
Уменьшают диаметр d1 так, чтобы его величина оканчивалась на цифры 0 или 5 (см. Расчет
подшипников качения, п.2.5). Установленный диаметр считается диаметром внутреннего кольца
подшипника d, мм. По его величине выбирают по каталогу (в проекте по прил. 9) шариковый
однорядный подшипник с размерами d×D×B. Таким образом, подбирают подшипники и для
ведомого вала.
В обоих случаях можно ориентироваться на подшипники средней серии. Таким образом,
становится возможным обозначить размеры D и В на компоновочной схеме (см. рис.2.2). Значение К
см. п.4.1 табл. 4.1.
5. Определить расстояние l между опорами вала, для этого необходимо разработать
конструкцию вала. Рассмотрим последовательность выполнения такой работы на примере ведущего
вала.
Схема эскизной компоновки ведущего вала представлена на рис.2.3. На рис.2.3, а изображена
конструктивная схема вала, а на рис. 2.3, б – его расчетная схема с указанием нагрузок.
На этом рисунке пунктирные линии КР обозначают внутренние поверхности стенок корпуса
редуктора.
D, d и B – размеры подшипников качения; d – диаметр вала;
а – зазор между зубчатым колесом и стенкой редуктора (см. табл. 2.2); Δ – углубление подшипника
качения в стенку редуктора (принимать 5мм). На длине размещается крышка подшипника К, а на
конце вала Р устанавливается соединительная муфта. В учебном проекте муфта не рассчитывается,
поэтому следует принимать К = 35…50 мм, а Р = 1,5 d1 , мм. И, следовательно,
C
B
K P.
2
Действительные нагрузки в опорах деталей, соединяемых с валом, рассматриваются как
сосредоточенные. Поэтому расстояние между опорами l, мм, легко определяется: l = b+ 2a + 2Δ + B.
КР
КР
К
а
а
В
Р
dk
d2
b
dn
l
c
а
Fr
Fl
d2
D
В
Fм
В
А
С
Т
а
а
с
l
б
Рис. 2.3
Расчетная схема для ведущего вала представлена на рис. 2.3, б.
На основании расчетной схемы определяют силы реакций А и В, действующих на подшипники
качения и изгибающие моменты, которыми нагружен вал.
2.4. Расчет валов
Для расчета валов необходимо знать места приложения нагрузки к валу, расположение опор.
Длина и диаметр вала неизвестны. Поэтому на практике расчеты валов выполняют в следующей
последовательности:
а) производят проектный расчет вала, определяют его средний диаметр из расчета на кручение
при пониженных допускаемых напряжениях (формула 15.1, с. 315/296)
d  3 T / 0,2[ τ ] ,
где d – диаметр вала, мм; Т – крутящий момент, Н·м;
б) разрабатывают конструкцию вала, пример которой показан
на рис. 2.3, а;
в) производят проверочный расчет валов.
При этом следует учитывать, что диаметр вала является одним из основных размеров,
определяющих размеры и нагрузочную способность подшипников. Поэтому расчеты вала и
подшипников взаимосвязаны.
2.4.1. Выбор расчетных схем
Расчетные схемы составляют в соответствии с эскизным проектом вала (см. рис. 2.3 а, б).
Вал нагружается силами, действующими в зацеплении зубчатых колес (см. п.2.2).
Окружная Ft, радиальная Fr и осевая Fa силы приложены в зацеплении зубьев на расстоянии
d1
d
или 2 соответственно для ведущего и ведомого зубчатого колеса (d1, d2  диаметры начальных
2
2
окружностей зубчатых колес). Окружная сила Fм на ведущей и ведомой муфтах определяется по
указаниям, изложенным на с.317/298.
Fr
Fa
Ft
d1
2
A
а
Fм
С
B
а
с
Fr
AВ1
BВ1
Fа
AВ2
BВ2
Ма
Ft
ВГ1
AГ1
ВГ2
AГ2
FМ С
FМ
FМС
2
Рис. 2.4
2.4.2. Определение реакций А и В ведущего вала
Вертикальная плоскость
от силы Fr
AВ1  АВ2 
от момента
M a  Fa 
Fr
2
d1
2
AB2  BB2 
Ma
.
2a
Суммарные реакции
AB  AB1  AB2
BB  BB1  BB2 .
Горизонтальная плоскость
Ft
2
от силы Ft
AГ1  ВГ1 
от силы Fм
АГ2  ВГ2  Fм  0
 М АГ  ВГ2  2а  Fм (С  2а)  0
ВГ2  Fм 
С

 1 ;
 2а 
АГ2  ВГ2  Fм  Fм
С
.
2а
Суммарные реакции
АГ  АГ1  АГ2 ,
ВГ  ВГ1  ВГ2 .
Реакции опор
А  АВ2  АГ2 ;
В  ВВ2  ВГ2 .
2.4.3. Изгибающие моменты ведущего вала
Вертикальная плоскость
от силы Fr
МВ1=
Fr
a;
2
Ma = Fa 
от момента
M B2 
d1
;
2
Ma
.
2
Горизонтальная плоскость
от силы Ft
от силы Fм
Mt 
Ft
a;
2
М Fм  Fм  с .
Изгибающие моменты в сечении I-I
М B  М B1  М B2
вертикальная плоскость
горизонтальная плоскость
М Г  М t  M FM .
Изгибающий момент в сечении I-I
М  М В2  М Г2 .
Эпюры изгибающих моментов необходимо строить на миллиметровой
бумаге, выбрав удобный масштаб. В этом случае возможно измерять
изгибающие моменты в любом сечении вала, используя изложенную выше
процедуру.
2.4.4. Определение реакций в опорах А и В, а также изгибающих
моментов ведомого вала
Для ведомого вала производится разработка его конструкции (по
образцу, изложенному в п.2.4.3) и выполняется расчетная схема (рис.2.5).
Аналогично изложенному в п.2.4.3 вычисляют реакции опор и изгибающие
моменты.
Ft
Fa
FМ
А
d2
2
Fr
Fr
В
Т2
с
а
а
Рис. 2.5
2.4.5. Расчет на прочность
Расчет на прочность ведущего и ведомого валов производить по
сечению I-I (середина зубчатого колеса). В обоих случаях следует
определить запасы их сопротивления – усталость (формулы 15.3-15.7, с.
319/299) и осуществить проверку статистической прочности (формулы
15.9/15.8,
с. 322/301).
В Н И М А Н И Е!
При использовании учебника [2] расчеты произвести так, как они
изложены в этом учебнике.
При использовании учебника [1] расчеты производить по формулам
15.4…15.7. Однако входящие в формулы 15.4 коэффициенты КD и KD
рекомендуется определять более простым способом, чем изложено в
учебнике.
Для определения КD и KD используются зависимости [3]
Kσ
 KF 1
ε
K σD 
Kv
и
K τD
Kτ
 KF 1
ε
.

Kv
В этих формулах К и K – эффективные коэффициенты концентраций
напряжений при изгибе и кручении, соответственно. Их выбирают по
табл.15.1, 15.2 учебника [1] на с.321. Коэффициент, учитывающий
поверхностное упрочнение Kv, следует определять по табл.15.4 учебника
[1] на с.322.
В случае, если поверхностное упрочнение не производится, то
принимают Kv = 1.
Коэффициент KF, учитывающий влияние шероховатости на запас
сопротивления усталости при обработке точением, принимают по
рекомендациям
В, МПа
400
600
1200
КF
1,05 1,1
1,25.
При шлифовании КF = 1.
Значение коэффициента  влияния абсолютных
зависимости от диаметра вала определять по формуле
ε  1
размеров
d
,
Bi
где d – диаметр вала, мм; Bi – коэффициент, учитывающий состав стали.
Для углеродистой стали Вi = 270, а для легированной стали при
К ≤ 2 принимать Вi = 200.
2.5. Расчет подшипников качения
в
Подшипники качения не проектируют и не рассчитывают на
прочность. Их типы и размеры обосновывают по критериям долговечности
с учетом действия сил в опорах валов.
Наиболее часто применяемые типы подшипников качения
представлены в учебниках на с.349/326.
Все подшипники качения обозначают (рис.2.6) рядом цифр. Первые
две цифры справа, умноженные на 5, характеризуют диаметр внутреннего
кольца подшипника d = XX · 5, мм .

5
0 - радиальный
ХХ 5 = d
×5 = dвн
1 - особолѐгкая
6
1 - двурядный
2 - лѐгкая
8
2 - роликовый
3 - средняя
6 – радиальноупорный
шариковый
7 – роликовый
упорный
4 - тяжелая
12
3
26
4
36
6
а
8 - упорный

B
d
D
а
36309
а
50309
c
b
Рис. 2.6
Его величину, a также диаметр наружного (внешнего) кольца D и
ширину В подшипниках (рис. 2.6, с) указывают в каталогах (прил. 9-13).
При разработке эскизной компоновки подшипники качения следует
изображать, как показано на рис.2.6, с.
Третья цифра справа указывает серию подшипника. При одинаковом
внутреннем диаметре d с увеличением номера серии подшипника
различаются величинами В и D (прил. 9 - 13).
Четвертая цифра указывает тип подшипника.
Пятая цифра характеризует конструктивные особенности радиальных
шариковых подшипников. Так, цифра 5 указывает, что на наружном
кольце шарикового подшипника имеется канавка для его стопорения
(рис.2.6, b). Цифры 6 и 8 указывают, что подшипники имеют одну или
соответственно две уплотнительные шайбы. Такие подшипники (особенно
8) заправлены смазкой на весь срок их эксплуатации.
Радиально-упорные шариковые подшипники характеризуются еще
величиной угла α (рис.2.6, а).
Необходимые размеры подшипников, а также значения динамической
С и статической С0 грузоподъемности даны в прил. 9  13.
Расчет
подшипников.
Его
производят
в
следующей
последовательности:
1. При эскизном проектировании был выбран подшипник со
значениями С и С0. Это базовые значения.
2. Определим потребные (для данных условий работы) значения С' и
С0' .
Условия подбора
С' ≤ С и С0' ≤ С0 (с.356/332).
3. Для определения С' необходимо определить эквивалентную
динамическую нагрузку Рr (формулу 16.29, с. 358/335)
Pr  ( XVFr  УFa ) К б К т .
Радиальная Fr и осевая Fa силы – это реакции опор, которые были
определены при расчете валов (Fr – это суммарные реакции опор А или В;
Fa – осевая сила; см. п.2.4). Расчет выполняют для опоры, в которой Ρr
окажется максимальной.
Коэффициенты радиальной Х и осевой У сил определяют следующим
образом:
а) устанавливают отношение
Fa
;
C0
б)
по
табл.16.5
(с.360/335)
по
установленному
коэффициент осевого нагружения ℮. Например, если
Fa
C0
находят
Fa
= 0,11, то ему
C0
будет соответствовать величина ℮ = 0,3 (в учебниках опечатка!);
в) в случае, если
В случае, если
Fa
 ℮ , то Х = 1, а У = 0.
VFr
Fa
 ℮ , то Х = 0,56, а У = 1,45;
VFr
г) определение потребного значения С (формула 16.27, с.356/334)
C  P L , H
p
(в формуле 16.27 [1,2] принимать а1 = а2 = 1),
где р = 3 – для шариковых подшипников и р = 3,33 – для роликовых
подшипников.
Ресурс L подшипника ,млн. оборотов,
L
Lh
,
10  60n
6
где Lh  заданный ресурс подшипника, ч.
Проверить условие подбора
С
потребная
 Сбазовая .
(а)
Если это условие не выполняется, изменяют серию, номер или тип
подшипника качения.
Проверка по статической грузоподъемности. Проверку производят
по условию
Р0  С0 .
(б)
Эквивалентную нагрузку Р0 определяют по формуле 16.31/16.32
(с.361/337).
Если условия (а) и (б) выполнены, то записывают для каждой опоры
тип подшипника, серию и размеры d, D и В.
Установка подшипников качения на валах. Внутренние кольца
подшипников на вращающихся валах устанавливают с натягом. Наружные
их кольца в корпусах монтируют с зазором.
В большинстве случаев валы должны быть зафиксированы от осевых
перемещений. По способности фиксировать осевое положение вала опоры
разделяют на фиксирующие и плавающие.
В фиксирующих опорах ограничено осевое перемещение вала в одном
или обоих направлениях. Фиксирующая опора выдерживает радиальную и
осевую силы, а плавающая – только радиальную.
На рис.2.7 показаны основные схемы осевого фиксирования валов.
1а
2а
2б
1б
Рис. 2.7
Схемы 1а и 1б применяют при любом расстоянии между опорами, а 2а
и 2б – для закрепления коротких валов.
В схемах 2а и 2б вал зафиксирован в двух опорах, причем в каждой
опоре в одном направлении. Эти схемы применяют с определенными
ограничениями расстояния между опорами, и связано это с изменением
зазоров в подшипниках вследствие нагрева деталей при работе. При
нагреве самих подшипников зазоры в них уменьшаются; при нагреве вала
его длина увеличивается.
Из-за увеличения длины вала осевые зазоры в подшипниках схемы 2а,
называемой схемой «враспор», также уменьшаются. Чтобы не
происходило закручивание вала в опорах, предусматривают при сборке
осевой зазор а. Значение зазора должно быть несколько больше ожидаемой
тепловой деформации подшипников и вала. Из опыта эксплуатации
известно, что в узлах с радиальными шарикоподшипниками а = 0,…0,5 мм.
Схема установки подшипников «враспор» конструктивно наиболее
предпочтительна. Ее широко применяют при относительно коротких
валах. При установке в опорах радиальных шариковых подшипников
отношение l / d  8…10.
В опорах схемы 2а могут быть применены и радиально-упорные
подшипники. Так как эти подшипники более чувствительны к изменению
осевых зазоров, то соотношение между величинами l и d для них является
более жестким и не должно превышать отношение l / d = 6…8. Меньшие
значения относятся к роликовым, большие – к шариковым радиальноупорным подшипникам.
2.6. Расчет шпоночных соединений
Соединения зубчатых колес с валами в редукторах чаще всего
осуществляется призматическими или сегментными шпонками.
Основные размеры шпонок стандартизованы, поэтому шпонки не
рассчитывают, а подбирают по размеру вала, а затем проверяют на смятие.
Размеры призматических шпонок приводятся в приложении 15. Там
же даны примеры их обозначений.
Шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков.
Допускается применение любых конструкционных сталей (с.6,45,59 и др.).
Допускаемые напряжения смятия чаще всего принимают в пределах
от 60 до 90 МПа (см. разд. 6.2, с.94/90).
Длина призматической шпонки выбирается по длине ступицы
соединяемой детали (на 8…10 мм меньше) из стандартного ряда по
приложе-нию 15.
Выбранная шпонка проверяется на смятие по формуле 6.1 (с.92/88).
Для шпонки с плоскими торцами ее полная и рабочая длина
совпадают. Для шпонки с закругленными концами ее рабочая длина
определяется, как показано на рис. 6.2 на с.92/88.
Если по результатам расчета шпоночного соединения получают длину
ступицы lст = 4d (где d – диаметр вала), то вместо шпонки целесообразно
применять шлицы.
При превышении рабочими напряжениями смятия допускаемых
значений возможна установка двух шпонок на противоположных сторонах
вала.
Сегментная шпонка является разновидностью призматической
шпонки. Ее проверку на смятие проверяют по формуле 6.3 на с.93/89.
3. Эскизная компоновка редуктора (второй этап)
Второй этап эскизного проектирования (как и первый этап)
осуществляется параллельно с проведением расчетов.
Эскизный проект второго этапа – это, по существу, продолжение
первого этапа, его дополнение и совершенствование.
В нем конструктивно оформляются зубчатые колеса, валы, элементы
корпусных деталей. Выполненный эскизный проект – основа чертежей
проектируемого редуктора.
В некоторых случаях возможно упрощение расчетов некоторых деталей.
Целью второго этапа является конструктивное оформление механизма
редуктора (шестерни, зубчатого колеса, валов, корпуса, подшипников) для
последующей проверки прочности валов, шпонок и других деталей.
Приняв неизменным расположение зубчатых колес, оформляют их
конструктивно (разрез).
При конструировании зубчатых колес рекомендуется использовать
следующие соотношения (рис.3.1, а, б):
а) длина ступицы колеса l = (0,7…1,8)d, чаще l = (1,0…1,3)d, где d –
диаметр вала, причем меньшие значения относят к посадкам с малым
натягом, большие – с малым зазором;
б) наружный диаметр ступицы
D = (1,5…1,7)d;
в) толщина обода
S = (2,5...4)m;
г) толщина диска для цилиндрических колес С = (0,2…0,3)b;
д) фаска по торцам зубчатого венца f = 0,5m ;
е) радиус закруглений R ≥ 6 мм.
ж) штамповочные уклоны γ ≥ 7º.
Рис. 3.1
Подробно о конструкции зубчатых колес см.п.4.2.
Вычерчиваем подшипники, сохраняя при этом ранее принятые зазоры
между торцами зубчатых колес и внутренней стенкой корпуса и принятые
ранее углубления подшипников внутрь их гнезд.
Для экономии времени вычерчиваем конструкцию лишь одной
половины зубчатого колеса и подшипника, а вторую изображаем
схематично.
При вычерчивании подшипников следует соблюдать следующие
соотношения (рис.3.2, а, б, в).
а
б
в
Рис. 3.2
Одновременно с этим вычерчиваем валы. Для фиксации шестерни и
зубчатого колеса с одной стороны вала делаем буртик, а с другой – втулку,
которая одновременно будет фиксировать и положение подшипников.
Вычерчиваем крышки подшипников и один из болтов крепления
крышки на одном из валов. Для экономии времени вычерчиваем лишь
одну половину крышки. Пунктиром вычерчиваем бобышки под болты и
наружные очертания стенки корпуса. Наносим ширину верхнего пояса.
На всех валах вычерчиваем шпонки. Предпочтительно применять
призматические шпонки с округленными торцами. Длины шпонок
принимаем на 5…10 мм меньше длин ступиц зубчатых колес, указывая их
длину с данными стандарта.
Уточняем расстояние между опорами и положение зубчатых колес
относительно опор. Если эти расстояния отличаются на 2…5 мм, пересчет
полученных ранее опорных реакций, изгибающих моментов, а также
требуемых коэффициентов работоспособности подшипников не
производим.
Пример эскизной компоновки второго этапа представлен на рис. 3.3.
На основании эскизной компоновки и произведенных расчетов
вычерчиваем общий вид редуктора в двух проекциях на листе формата А1
(рис. 5.11).
Рис.3.3
4. Конструирование редуктора
4.1. Конструирование корпуса редуктора
85
Корпус служит для размещения в нем деталей редуктора и для
обеспечения смазки зубчатой передачи и подшипников. Кроме того,
корпус воспринимает усилия, возникающие при работе; он должен быть
достаточно прочным и жестким, так как его деформации могут вызвать
перекос осей валов и вследствие этого неравномерное распределение
нагрузки по длине зубьев зубчатых колес, что, в свою очередь, приводит к
повышенному износу или даже поломке зубьев.
Для повышения жесткости корпуса его снаружи обычно усиливают
ребрами, располагаемыми у приливов под подшипниками.
Для удобства монтажа деталей редуктора корпус обычно выполняется
разъемным. Плоскость разъема проходит через оси валов.
Для корпуса с одной плоскостью разъема основными его деталями
являются основание и крышка (иногда основание корпуса называют
картером редуктора, а крышку – кожухом). Корпус обычно
изготавливается из чугунного литья марок СЧ 12-28 и СЧ 15-32.
При серийном производстве применение литых корпусов
экономически целесообразнее.
При конструировании корпуса редуктора рекомендуется использовать
следующие эмпирические соотношения для определения размеров
основных элементов его основания и крышки (табл.4.1  4.6 и рис. 4.1 
4.3).
Наименование
Толщина верхнего фланца корпуса
Толщина фундаментных лап
Ширина фланца
Расстояние от оси болта до стенки корпуса
80
Таблица 4.1
Обозначения
Соотношения
s
δф
K
C
1,5 δ*
2,35 δ
см.табл.4.2
см.табл.4.2
Толщина фланца крышки редуктора
Диаметр фундаментных болтов
Диаметр
болтов,
стягивающих
крышку
и корпус
Ширина опорной поверхности нижнего фланца
корпуса редуктора
Толщина ребер корпуса
Высота центров
*
S1
dф
d
d1
m
1,5 δ1
см.табл.4.6
0,75 dф
0,6 dф
k + 1,5 δ
δр
Н0
(0,8  1,0) δ
1,06 аw
– размер δ определяется по табл. 2.2.
Размеры, мм, элементов K, C, dотв, D, R в зависимости от dф
представлены в табл.4.2.
Таблица 4.2
dф
K
C
dотв
D
R
М8
М10
М12
(М14)
24
28
33
35
10
14
16
18
9
11
13
15
20
24
26
30
3
3
3
3
М16
(М18)
М20
(М22)
М24
40
46
48
52
55
20
22
22
25
25
17
20
22
24
26
24
36
40
42
45
5
5
5
5
5
В табл.4.3 даны размеры, мм, гнезд подшипников с крышкой на винтах.
Таблица 4.3
D1H7
D4
D5
d2
Количество болтов,
n
h
47
52
62
72
80
85
90
100
110
120
60
65
75
88
96
102
106
120
130
140
75
80
90
108
115
120
125
145
155
165
М6
М6
М6
М8
М8
М8
М8
М10
М10
М10
4
4
4
4
6
6
6
6
6
6
6
6
7
7
8
8
8
10
10
10
Соотношения размеров, мм, гнезд подшипников с врезной крышкой
представлены в табл.4.4.
Таблица 4.4
D1H7
D2
D3
f
e
До 50
50-90
90-170
D1H7+6
D1H7+6
D1H7+8
1,45 D1H7
1,4 D1H7
1,4 D1H7
5
5
8
7
7
10
Размеры, мм, элементов сопряжений литых корпусов представлены в
табл.4.5.
Таблица 4.5
Δ
x
y
R
10-15
15-20
20-25
3
4
5
15
20
25
5
5
5
В табл.4.6 даны размеры, мм, фундаментных болтов:
Таблица 4.6
Редуктор
Одноступенчатый
аw
dф
Количество болтов
До 100
160
200
250
315
355
М12
М16
М16
М20
М24
М24
4
4
4
4
6
6
Для размещения болтов d предусматриваются специальные приливы
(бобышки) у гнезд под подшипники (см. рис. 4.1;4.3 разрез по А-А и вид
Б), причем, чтобы уменьшить деформации корпуса и крышки, болты
стараются разместить ближе к оси вала. Расстояние от края расточки до
оси болта d0 e ≈ (1… d0. Этот размер проверяется графически, чтобы
было обеспечено отсутствие пересечения болтов d и болтов крышки
подшипников d2.
Рекомендуемые размеры бобышки под болты d (см. рис.4.3 и табл.4.2)
h – высота бобышки выбирается конструктивно так, чтобы размещалась
гайка болта d.
Ширина гнезда под подшипник уточняется конструктивно по условию размещения в нем
центрирующего выступа крышки ведомого вала или закладной крышки.
Для удобства механической обработки торцов бобышек и проверки
отсутствия перекоса осей отверстий ширина гнезд под подшипники
принимается для всех подшипников одинаковой. Обязательно должно
соблюдаться условие l1 > к (на 2…3 мм).
Диаметры D2, D3, D4 и D5 выбираются в зависимости от диаметров
подшипников, принятых конструкций
крышек подшипников.
S S
Рис.4.2
А–А
Рис. 4.1.
Вариант гнезда подшипника
с крышкой под винты
Вариант лапы корпуса
с бобышкой
Б
В–В
Вариант фланца корпуса
с бобышкой
Рис. 4.3
На поясе крышки редуктора часто устанавливают два отжимных болта для облегчения
отделения крышки от основания корпуса при разборке редуктора. Размеры болтов приведены в
табл.4.3.
Для осмотра и заливки масла на крышке корпуса имеется смотровое
окно, закрываемое крышкой. Размеры крышек и крепящих ее болтов даны
на рис.4.4. Крышки крепят винтами, располагая их на расстоянии ~ (1...2)
d.
На рис.4.4 приведены конструкции литых крышек прямоугольной, а,
и круглой, б, формы. Их изготавливают из чугуна, алюминиевого сплава,
пластмассы.
Толщину δк стенок и высоту Н принимают для крышек:
чугунных –
δк  (0,7...0,8) δ  6мм; Н  0,08L (Dк);
из алюминиевого сплава и пластмассы –
δк  (0,5...0,6) δ  5мм; Н  0,05L (Dк);
где δ – толщина стенки корпуса редуктора (коробки передач).
Толщина δк стенок в любом сечении крышки должны быть по
возможности одинаковой. Крышки усиливают ребрами жесткости. Чтобы
радиальные ребра в круглых крышках не соединялись в общий узел,
выполняют кольцевое ребро диаметром d 0  5 δк (рис.4.4, б).
Dк
В крышках люков удобно располагать пробковые отдушины (рис. 4.5, а, б, в).
Dк
а
б
Рис.4.5
в
Для подъема крышки корпуса, а также в случае легких редукторов для
подъема их в собранном авиде служат проушины, которые
б отливают заодно
с крышкой (рис.4.6, а, б, в).
Рис. 4.4
Рис.4.6
4.2. Конструирование зубчатых колес
Ширина зубчатых колес определена в результате расчета зубчатого
зацепления.
Полученную расчетную ширину зубчатых колес округляют в сторону
увеличения до стандартных значений.
Форма и размеры части колеса, соединяемой с валом, зависят от
конкретных размеров вала, от способа передачи и величины вращающего
момента. Если зубчатое колесо выполняют заодно с валом в виде валашестерни, то эта часть колеса практически отсутствует.
Такую конструкцию используют в том случае, если расстояние от
впадины зуба до шпоночного паза меньше 2 m. Иногда шестерни делают
заодно с валом при несколько большем значении указанного размера.
При небольшом превышении диаметра зубчатого колеса над
диаметром вала колесо выполняют сплошным. Зубчатое колесо большого
диаметра выполняют с диском и ободом.
При конструировании зубчатых колес рекомендуется использовать
следующие соотношения (табл. 4.7 и рис.4.7, см. рис.3.1).
Таблица 4.7
Наименование параметра
Обозначе
ние
Толщина обода
Формула расчета
(2…3) m
S
Толщина диска
º
Размер фаски, мм 45
Диаметр ступицы
C
f
fст
fоб
dcт
Внутренний диаметр обода
Диаметр центров отверстий в диске
Dк
Dо
(0,2…0,3)b
(0,5…0,6) m
(0,03…0,5)dв
0,5 m
dcт = (1,6…1,7) dв – стальные колеса
dcт = (1,7…1,8) dв – чугунные колеса
Dк = d – 2S  2,5m
Dо = 0,5(Dк  dcт)
Диаметр отверстий в диске
dо
Длина ступицы
Радиусы скруглений
lcт
R
Dк  d cт
2,5...3,0
lcт = (0,8…1,5)dВ
R = 3…6мм
dо =
b
b
f
f
R
dв
d
dв
d
fст
lст
b
S
f
fоб
R
dо
С
R
fст
Dк
lст
Dо
dв
dcт
d
fст
Рис. 4.7
В диске выполняют 4 – 6 отверстий dо.
dв – диаметр отверстия в ступице определяется, исходя из прочности
вала.
4.3. Конструирование валов
При эскизном проектировании ориентировочно были намечены конструкции валов и
определены диаметры и длины отдельных участков.
Перед отработкой конструкции вала необходимо решить способ
крепления деталей от осевого перемещения.
Валы могут быть выполнены в виде отдельной детали или заодно с
зубчатым колесом. Экономически монолитная конструкция вала с
зубчатым колесом выгодна, только если диаметр детали ненамного
превышает диаметр вала (см. разд. 4.2.).
Очень часто для фиксации положения колеса на валу изготавливают
заплечик. Это упрощает установку колеса на вал – при сборке колесо
доводят до упора в торец заплечика. При коротких (lcт/d  0,7) ступицах
торец заплечика определяет не только положение колеса, но и точность его
расположения относительно вала (рис. 4.8).
Рис. 4.8
На рис. 4.9 показано осевое фиксирование колеса заплечиком вала,
распорной втулкой и торцом внутреннего кольца подшипника. Между
уступом вала и торцом ступицы колеса предусматривают зазор С для
гарантии контакта.
Рис. 4.9
Размеры участков валов зависят от их назначения, т.е. от размеров
деталей, с которыми они сопрягаются (контактируют) или от размеров
элементов деталей, которые выполняются заодно с валом, например,
шестерни зубчатой передачи, а также от расстояний между зубчатыми
колесами и корпусом редуктора.
Входной и выходной валы редукторов, коробок отбора мощности
имеют цилиндрические (по ГОСТ 12080-66) или конические (по ГОСТ
12081-72) концевые участки (прил. 8, 16) для установки полумуфт,
шкивов, звездочек или зубчатых колес.
В курсовом проекте рекомендуется выполнять концы валов
цилиндрическими по ГОСТ 12080-66 (прил. 8). Деталь, устанавливаемую
на цилиндрическом конце вала, доводят до упора в заплечик высотой t
(рис. 4.10).
Рис. 4.10:
dП – диаметр участка вала для установки подшипника;
dБП – диаметр заплечика быстроходного вала;
dр – диаметр резьбы длиной lр;
lКБ – длина промежуточного участка быстроходного вала;
lМБ – длина участка быстроходного вала для установки муфты.
Высоту tцил (tкон) заплечика, координату r фаски подшипника и размер
f фаски колеса принимают в зависимости от диаметра d, мм, по табл. 4.8:
d
tцил
tкон
r
f
17-22
3
1,5
1,5
1
24-30
3,5
1,8
2
1
32-38
3,5
2,0
2,5
1,2
40-44
3,5
2,3
2,5
1,2
45-50
4
2,3
3
1,6
52-58
4,5
2,5
3
2
Таблица 4.8
60-65
67-75
4,6
5,1
2,7
2,7
3,5
3,5
2
2,5
Соседним с концевым является участок вала для установки
подшипника. Поэтому высота t заплечика концевого участка должна быть
согласована с посадочным диаметром подшипника. При этом желательно
предусмотреть возможность установки подшипника без съема
призматической шпонки. Ориентировочно диаметр вала, мм, в месте
установки подшипника (рис. 4.11):
d п  d  2t 2  1 ,
где t2 – глубина паза в ступице (прил. 15).
Рис. 4.11
Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшего
стандартного для подшипников размера. Выполнение условия установки
подшипника без съема шпонки приводит, как правило, к значительной
разности диаметров dп и d. В тех случаях, когда расстояние l (рис. 4.12)
больше ширины В внутреннего кольца подшипника, отличие в размерах dп
и d можно уменьшить за счет обхода шпонки. Последовательность
монтажа подшипника в этом случае показана на рис. 4.12.
Рис. 4.12
Входные (быстроходные) валы (рис. 4.13) цилиндрического редуктора
имеют концевые участки, участки для установки подшипников и участки
для установки шестерен или для нарезания зубьев шестерен.
Рис. 4.13
Выходные валы также имеют концевые участки. В средней части вала
между подшипниковыми опорами размещают зубчатое колесо (рис. 4.14).
Для упора колеса на валу конструируют заплечик диаметром dБК.
Диаметры dБП и dБК определяют по следующим рекомендациям:
d БП  d к  3 f ,
d БП  d П  3r ,
где f – размер фаски; r – координата фаски.
С другой стороны между подшипником и колесом располагают
втулку (см. рис. 4.14).
Рис.4.14
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. 4.14).
Шероховатость посадочных поверхностей в местах установки
подшипников на валах и в корпусе должна соответствовать ГОСТ 2789073
Ra = 1,25…3,2 мкм. Такую шероховатость целесообразно получить
шлифованием. Для выхода шлифовальных кругов выполняют канавку: по
рис. 4.15, а,б – при шлифовании поверхности вала; по рис. 4.15, в – при
шлифовании отверстия в корпусе. Размеры канавок, мм, приведены в табл.
4.9.
Таблица 4.9
d
свыше 10 до 50
свыше 50 до 100
свыше 100
b
3
5
8
H
0.25
0,5
0,5
R
1,0
1,6
2,0
R1`
0,5
0,5
1,0
Рис.4.15
При высокой напряженности вала переходную поверхность
выполняют галтелью постоянного радиуса (рис. 4.16). Радиус r1 галтели
принимают меньше координаты фаски r кольца подшипника:
r, мм
r1 max, мм
1,0
0,6
1,5
1
2,0
1
2,5
1,5
3,0
2
Рис. 4.16
Рекомендуемые значения твердости, точности и шероховатости
участков вала или оси приводятся в табл. 4.10.
Таблица 4.10
Поверхности
Цилиндрическая поверхность под зубчатое колесо
Цилиндрическая поверхность под полумуфту, шкив
Твердость,
HRC
Допуск
Шероховат
ость, Ra
-
k6
0,8
1,25
Цилиндрическая поверхность под подшипник
качения нормального класса точности
-
k6
js6
h6
0,63
1,25
1,25
Торцевая поверхность прилегания зубчатого колеса,
подшипника качения, полумуфты, шкива
-
-
2,5
Окончание табл. 4.10
Поверхности
Твердость,
HRC
Допуск
Шероховат
ость, Ra
Поверхность под манжетное уплотнение
45...51
56...62
h8
h7
0,32 полир
0,16полир
Поверхность под войлочное уплотнение
45...51
hl0
Боковая поверхность зубьев эвольвентного соединения
45...51
56...62
-
8h
8k
d9
0,63
0,32
1,25
0,63
1,25
-
P9
R,20
N9
Р9
R,20
-
Поверхность под дистанционную втулку
Поверхность призматического шпоночного паза
Поверхность сегментного шпоночного паза
Поверхности канавки для упорного кольца
-
Поверхность крепежной резьбы
-
Поверхность канавок для стопорной шайбы, а также все
свободные поверхности: цилиндрические
несопрягаемые торцевые несопрягаемые, проточки для
выхода инструмента )
-
2,5
6g
Н 12, h12,
2,5
IT 12 Rz40...Rz80
2
(для механизмов
приборов
Н10, h10,
IT10
)
2
После определения конструктивных размеров участков вала (длин,
диаметров) производят расчет вала на сопротивление усталости
(см. гл. 2.4).
4.4. Конструирование подшипниковых узлов
После подбора и расчета подшипников необходимо конструктивно
оформить опоры.
На рис. 2.7 были приведены основные схемы установки подшипников.
Конструкции подшипниковых узлов удобно рассматривать для каждой
схемы, отдельно для фиксирующей и плавающей опор.
Регулирование зазоров в подшипниках проводят осевым
перемещением наружных колец. На рис. 4.17 показано регулирование