В проектируемых приводах конструируются открытые зубчатые цилиндрические и конические передачи с прямыми зубьями, а также ременные и цепные передачи, определяющие консольную нагрузку на выходные концы валов. Кроме того, консольная нагрузка вызывается муфтами, соединяющими двигатель с редуктором или редуктор с рабочей машиной.
Схема сил в зацеплении открытых зубчатых прямозубых передач такая же, как и для закрытых (исключая силу Fa в цилиндрическом прямозубом зацеплении).
Консольные силы для выходных участков валов от открытой ременной или цепной передачи Fоп назначается согласно заданной кинематической схеме привода.
Консольная сила от муфты Fм перпендикулярна оси вала. Её направление зависит от монтажных неточностей при сборке привода. Для расчёта валов рекомендуется принять самый неблагоприятный вариант сочетания направлений– когда сила Fм направлена противоположно силе Ft.
Величины консольных сил можно определить по таблице 2.
Силовая схема нагружения валов имеет целью определить направление сил в зацеплении редукторной пары, консольных сил со стороны открытых передач и муфты, реакций в подшипниках, а также направление вращающих моментов и угловых скоростей валов.
Рекомендуется следующий порядок выполнения силовой схемы:
1 Наметить расположение элементов силовой схемы в соответствии с кинематической схемой привода.
2 Произвольно расположить и разноцветно вычертить аксонометрические оси X, Y, Z (под углом 120°); векторы сил в зацеплении, консольных сил и реакций в подшипниках изобразить цветом соответствующей оси.
3 Вычертить в произвольных размерах валы и, установленные на них подшипники, редукторную пару, элемент открытой передачи и муфту в соответствии с условными обозначениями по ГОСТ 2.770-68. Обозначить подшипники: А и В – на быстроходном валу, С и D – на тихоходном.
4 Выбрать направление винтовой линии колес. В цилиндрических косозубых передачах принять шестерню с левым зубом, колесо – с правым.
5 Определить направление вращения быстроходного и тихоходного валов редуктора (w1, и w2) по направлению вращения двигателя.
Направление вращения двигателя выбрать в соответствии с направлением вращения приводного вала рабочей машины.
Если привод реверсивный, то направление вращения двигателя можно выбрать произвольно.
Таблица 2 Определение консольных сил
Вид открытой передачи
Направление сил
Значение силы
на шестерне
на колесе
Цилиндрическая прямозубая
Окружная
Радиальная
Коническая
прямозубая
Окружная
Радиальная
Осевая
Плоскоременная
Радиальная
Клиноременная
Радиальная
Цепная
Радиальная
Муфта
Радиальная
На быстроходном валу
На тихоходном валу
Рисунок 10 – Пример схемы нагружения валов цилиндрического одноступенчатого редуктора с муфтой и цепной передачей
6 Определить направление сил в зацеплении редукторной пары в соответствии с выбранным направлением винтовой линии и вращения валов: на шестерне – Ft1, Fr1, Fa1 и на колесе Ft2, Fr2, Fa2. Силы Ft1 и Ft2 направлены так, чтобы моменты этих сил уравновешивали вращающие моменты T1 и Т2, приложенные к валам редуктора со стороны двигателя и рабочей машины: Ft1 направлена противоположно вращению шестерни, Ft2 – по направлению вращения колеса.
7 Определить направление консольных сил на выходных концах валов:
а) Направление сил в открытых зубчатых передачах определить так же, как в редукторных парах.
б) Консольная сила от ременной (цепной) передачи Fоп перпендикулярна оси вала и в соответствии с положением передачи в кинематической схеме привода может быть направлена вертикально, горизонтально или под углом к горизонту. Если проектным заданием предусмотрено наклонное положение передачи под углом θ, то силу Fоп нужно разложить на вертикальную Fy, и горизонтальную Fx составляющие (рисунок 92) и определить их значение (таблица 2).
в) Консольная сила от муфты Fм перпендикулярна оси вала, но ее направление в отношении окружной силы Ft может быть любым (зависит от случайных неточностей монтажа муфты). Поэтому рекомендуется принять худший случай нагружения – направить силу Fм противоположно силе Ft, что увеличит напряжения и деформацию вала.
8 Определить направление радиальных реакций в подшипниках.
Радиальные реакции в подшипниках быстроходного и тихоходного валов направить противоположно направлению окружных (Ft1 и Ft2) и радиальных (Fr1, и Fr2) сил в зацеплении редукторной передачи. Точка приложения реакции – середина подшипника. При этом считать, что реакции от действия консольных нагрузок геометрически сложены с реакциями от сил зацепления. Реакции обозначить буквой R с индексом, указывающим данный подшипник и соответствующее направление координатной оси (RAx, RCy, и т. п.).
9 Определить направление суммарных реакций в подшипниках геометрическим сложением радикальных реакций в вертикальной и горизонтальной плоскостях методом параллелограмма. Индекс обозначения суммарной реакции указывает данный подшипник (RA, RB и т. п.).
3 Определение геометрических параметров ступеней валов
Основными критериями работоспособности проектируемых редукторных валов являются прочность и выносливость. Они испытывают сложную деформацию – совместное действие кручения, изгиба и растяжения (сжатия). Но, так как напряжения в валах от растяжения небольшие в сравнении с напряжениями от кручения и изгиба, то их обычно не учитывают.
Расчет редукторных валов производится в два этапа: 1-й – проектный (приближенный) расчет валов на чистое кручение; 2-й – проверочный (уточненный) расчет валов на прочность по напряжениям изгиба и кручения.
В проектируемых редукторах рекомендуется применять термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х, одинаковые для быстроходного и тихоходного вала.
Механические характеристики сталей для изготовления валов (σв, σт, σ-1) определяют по таблице ??????.
Проектный расчет валов выполняется по напряжениям кручения (как при чистом кручении), т. е. при этом не учитывают напряжения изгиба, концентрации напряжений и переменность напряжений во времени (циклы напряжений). Поэтому для компенсации приближенности этого метода расчета допускаемые напряжения на кручение применяют заниженными.
Редукторный вал представляет собой ступенчатое цилиндрическое тело, количество и размеры ступней которого зависят от количества и размеров установленных на вал деталей (рисунок 1).
Проектный расчет ставит целью определить ориентировочно геометрические размеры каждой ступени вала: ее диаметр d и длину l. Геометрические размеры легче всего задать используя графоаналитический метод предварительной компоновка редуктора.
Компоновка редуктора выполняется после завершения прочностных расчетов зубчатых передач и определения диаметров валов на миллиметровой бумаге карандашом в масштабе 1:1 (1:2).
Цели компоновки редуктора: получить минимальные внутренние размеры редуктора; проверка, не накладываются ли валы (зубчатые колеса) одной ступени редуктора на валы (зубчатые колеса) другой ступени; определения расстояния между опорами валов и длин консольных участков; определения точек приложения сил, нагружающих валы.