Изучение конструкции, регулировка и оценка нагрузочной способности конического редуктора: Методические указания к лабораторной работе №4

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра деталей машин и прикладной механики

Р.Н. УЗЯКОВ, С.Ю. РЕШЕТОВ, Г.А. КЛЕЩАРЕВА

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ, РЕГУЛИРОВКА И ОЦЕНКА НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ КОНИЧЕСКОГО РЕДУКТОРА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2003

ББК 34.44 У 89 УДК 621.83.05 (07)

Рецензент доктор технических наук, профессор В.М. Кушнаренко

У 89

Узяков Р.Н., Решетов С.Ю., Клещарева Г.А. Изучение конструкции, регулировка и оценка нагрузочной способности конического редуктора: Методические указания к лабораторной работе № 4. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - с.

Методические указания содержат классификацию, область применения и описание конструкции конического редуктора, порядок разработки, определения параметров, а также методику определения нагрузочной способности редуктора. Предназначены для выполнения лабораторной работы по курсам «Прикладная механика», «Детали машин», «Основы конструирования машин» для студентов всех специальностей.

ББК 34.44

© Узяков Р.Н., 2003 © Решетов С.Ю., 2003 © Клещарева Г.А., 2003 © ГОУ ОГУ, 2003

1 Правила техники безопасности 1.1 Разрешается начинать работу только после ознакомления с методикой её проведения и следующими правилами. 1.2 Запрещается работать неисправным инструментом. 1.3 Прежде чем начать какое–либо действие, убедитесь, что оно не принесет вреда окружающим. 1.4 Снятые детали и узлы редуктора следует положить на стол или подставку таким образом, чтобы они не могли упасть от случайного толчка. 1.5 Передавая детали для осмотра другому студенту убедитесь, что он её держит, прежде, чем отпустить деталь самому. 1.6 При сборке редуктора не подкладывайте пальцы под детали и особенно под крышку.

2 Цель работы 2.1 Ознакомиться с классификацией, конструкцией, узлами и деталями конических редукторов. 2.2 Выяснить назначение всех деталей редуктора. 2.3 Определить параметры зацепления. 2.4 Выяснить от чего зависит нагрузочная способность конического редуктора и оценить нагрузочную способность изучаемого редуктора. 2.5 Выяснить назначение регулировок узлов редуктора и произвести регулировку подшипников и зацепления при сборке редуктора. Работа выполняется в течение 4-х часов. Для выполнения работы необходимы: гаечные ключи, отвертки, штангенциркуль, транспортир, линейка, микрокалькулятор.

3 Подготовка к выполнению работы 3.1 В процессе подготовки студент должен изучить по лекциям и учебникам следующие разделы: «Механические передачи», «Зубчатые передачи» и «Конические редукторы». Пользуясь настоящим пособием студент должен: 3.2 Уяснить цель, содержание и порядок выполнения работы. 3.3 Подготовить бланк отчета (по форме, представленной на с. 21). 3.4 Подготовить ответы на все контрольные вопросы (см. с. 18).

4 Теоретическая часть Конические редукторы применяют для передачи движения между валами, оси которых пересекаются. Межосевой угол (в соответствии с рисунком 1) может быть равен Σ=10…170°, однако передачи с углами отличными от 900, встречаются редко. Конические передачи сложнее цилиндрических в изготовлении и монтаже. Для нарезания конических колес требуются специальные станки и инструмент, а при монтаже необходимо обеспечить совпадение вершин 4

конусов. Из–за пересечения осей валов одно из колес, как правило, шестерня, располагается консольно, что отрицательно сказывается на распределении нагрузки по длине зуба. Осевые нагрузки, возникающие в передаче, вызывают необходимость применения более сложных опор. Все это приводит к увеличению шума и снижению КПД конической передачи. Несмотря на указанные недостатки, конические передачи применяются широко, так как условия размещения элементов машин и механизмов часто вынуждают располагать валы под углом друг к другу. При передаточном числе u до 6,3 применяют одноступенчатые конические редукторы, из которых наиболее распространены редукторы с валами, расположенными в горизонтальной плоскости (рисунок 1а). На схемах входной (быстроходный) вал обозначен Б, выходной (тихоходный) – Т и промежуточные валы – П. Реже встречаются редукторы с валами, расположенными в вертикальной плоскости (рисунок 1б), это связано с тем, что условия смазки подшипников вертикального вала не одинаковы, и с необходимостью дополнительных конструктивных решений, предотвращающих вытекание масла через нижнюю опору. При необходимости получения больших передаточных чисел применяют коническо – цилиндрические редукторы (рисунок 1 в, г). Наиболее употребимый диапазон двухступенчатых коническо цилиндрических редукторов u = 8….15, трехступенчатых u до 31,5. Эти редукторы независимо от числа ступеней и компоновки выполняют с быстроходной конической ступенью. На рисунке 1в показана схема горизонтального коническо-цилиндрического редуктора, а на рисунке 1г – редуктора с вертикально расположенным быстроходным валом.

5

Σ

Σ

Рисунок 1 6

Т1, ω1

Рисунок 2 При работе в зацеплении возникает сила нормального давления Fn, которую считают приложенной в середине зуба. Для удобства расчетов ее раскладывают на три составляющие: окружную Ft , осевую Fa и радиальную Fr (в соответствии с рисунком 2). Окружные силы определяются по формуле:

Ft = Ft1 ≈ Ft 2 =

2 ⋅ T1 . d1

Для прямозубых конических передач осевая сила на шестерне равна радиальной на колесе: Fa1 = Fr 2 = Ft ⋅ tg α ⋅ sin δ1 = 0,364 ⋅ Ft ⋅ sin δ1 , где α = 20˚ - угол зацепления передачи. Осевая сила на колесе равна радиальной на шестерне: Fa 2 = Fr1 = Ft ⋅ tg α ⋅ cos δ1 = 0,364 ⋅ Ft ⋅ cos δ1 . Сила нормального давления: Fn1 = Fn 2 =

Ft . cos α

7

Конические колеса редукторов выполняют с прямыми, косыми (тангенциальными), круговыми и другими криволинейными зубьями (в соответствии с рисунком 3). β β

а)

б)

в)

Рисунок 3 Зубья конических колес в зависимости от изменения размеров сечения по длине зуба выполняются трех форм (в соответствии с приложением А). Прямозубые конические колеса как наиболее простые в монтаже применяют при окружных скоростях V = 2…3 м/с , Vmax < 8 м/с. При более высоких скоростях применяют колеса с круговыми зубьями, обеспечивающими более плавное зацепление, меньший шум, большую несущую способность и большую технологичность. С увеличением угла наклона зуба увеличивается плавность работы, но одновременно растет осевая сила в зацеплении, что приводит к увеличению габаритов подшипниковых узлов и потерь в них. Для силовых передач наибольшее распространение при круговых зубьях имеет угол β = 35º, при тангенциальных β = 20…30º. Для удобства измерения размеры конических колес принято определять по внешнему торцу. Максимальный модуль зубьев – внешний окружной модуль получается по внешнему торцу. Он обозначается me для прямозубых колес и mte – для колес с круговыми зубьями. Для прямозубых колес стандартизован внешний окружной модуль me, а для колес с круговыми зубьями средний нормальный модуль, который определяется в середине зубчатого венца: b m n = m te ⋅ (1 − 0,5 ⋅ ) ⋅ cos β. Re В конических передачах допускается применение нестандартных модулей, если это не связано с применением специального инструмента. Для конических редукторов кроме модуля стандартизованы передаточные числа u и внешний делительный диаметр колеса de2 (в соответствии с рисунком 4). 8

Рисунок 4 Значения модуля m, мм по ГОСТ 9563-60: 1-й ряд (предпочтительный): 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0. 2-й ряд: 1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 3,5; 4,5; 5,5; 7,0; 9,0. Номинальные передаточные числа u в соответствии с ГОСТ 12289-76: 1-й ряд (предпочтительный): 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3. 2-й ряд: 1,12; 1,4; 1, 8; 2,24; 2,8; 3,55; 4,5; 5,6. Внешний делительный диаметр колеса de2 (мм) в соответствии с ГОСТ 12289-76: 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 280; 315; 355; 400; 450; 500 Передаточное число конической передачи: u=

n 1 z 2 d m2 d e2 = = = = tg δ 2 = ctg δ1 , n 2 z 1 d m1 d e1

где δ 2 = arctg u ; δ1 = 90ο − δ 2 - углы делительных конусов колеса и шестерни соответственно. В конических передачах, также как и в других передачах зацеплением, 9

основным геометрическим параметром является модуль m e , через который определяют все остальные размеры (в соответствии с рисунком 4).

Внешние делительные диаметры, мм: d e1 = m e ⋅ z 1 ; d e2 = m e ⋅ z 2 . Внешние диаметры окружностей выступов, мм: d ae1 = d e1 + 2 ⋅ m e ⋅ cos δ1 ; d ae1 = d e1 + 2 ⋅ m e ⋅ cos δ1 . Внешнее конусное расстояние, мм: m R e = e ⋅ (z 1 ) 2 + (z 2 ) 2 . 2 Ширина зубчатого венца: b = ψ bR e ⋅ R e = 0,285 ⋅ R e , где ψ bR e =

b = 0,285 , в соответствии с ГОСТ 12289-76. Re

Среднее конусное расстояние: R m = R e − 0,5 ⋅ b . Средние длительные диаметры: d m1 = (1 − 0,5 ⋅ ψ bR e ) ⋅ d e1 ; d m 2 = (1 − 0,5 ⋅ ψ bR e ) ⋅ d e 2 ; Высота зуба на внешнем торце: h e = 2,2 ⋅ m e - для прямозубых передач; h e = 2,25 ⋅ m te - для передач с круговыми зубьями. Конструктивное оформление одноступенчатого конического редуктора показано на рисунке 5: 1 – основание корпуса; 2 – крышка корпуса; 3 – шестерня коническая; 4 – колесо коническое; 5 – вал (ведущий, входной) быстроходный; 6 – вал (ведомый, выходной) тихоходный; 7 , 8 – подшипники качения; 9 – стакан; 10 – втулка распорная; 10

11, 15 – крышка подшипника сквозная; 12, 17 – уплотнение вала (манжета); 13, 14, 18 – прокладки регулировочные; 16 – крышка подшипника глухая; 19 – винты крепления крышек и стаканов; 20, 21, 22 – болты стяжные, шайбы пружинные, гайки крепежные; 23, 24, 25 – шпонки; 26 – пробка для слива масла; 27 – игла масломерная (маслоуказатель); 28 – смотровая крышка; 29 – отдушина; 30 – штифт конический; 31 – пресс-масленка. Корпус редуктора выполнен из серого чугуна с разъемом в плоскости расположения валов. Он состоит из основания 1 и крышки 2, которые соединяются между собой болтами 20 и гайками 22. Взаимное расположение крышки и корпуса фиксируется коническими штифтами 30. Шестерня 3 установлена на быстроходном валу 5 при помощи шпонки 24, передающей вращающий момент, и шайбы с винтами. Коническое колесо 4 установлено на тихоходном валу 6 и опирается одной стороной в бурт вала, а другой поджимается внутренним кольцом подшипника через втулку. Вал установлен на конических радиально-упорных подшипниках. Для регулировки подшипников тихоходного вала и зацепления между корпусом и крышками установлены металлические прокладки 18. Быстроходный вал установлен в стакане 9, что облегчает регулировку зацепления до совпадения вершин начальных конусов шестерни 3 и колеса 4. Совпадение вершин конусов контролируют по пятну контакта на зубьях (в соответствии с таблицей 2). Осевое положение стакана с быстроходным валом и шестерней фиксируют металлическими прокладками 13, установленными между корпусом и фланцем стакана 9. Осевую регулировку колес производят после регулировки подшипников (см. раздел 6). Смазка колес производится окунанием в масляную ванну. Назначение остальных деталей изучено вами в лабораторных работах № 2 и № 3.

11

Рисунок 5 12

5 Порядок выполнения работы 5.1 Убедитесь, что редуктор закреплен на стойке и собран: крышка закрыта и закреплена болтами. 5.2 Возьмитесь одной рукой за быстроходный (меньший по диаметру) вал, другой за тихоходный. Вращая на 0,3…0,6 оборота один из валов, а другой удерживая неподвижно, убедитесь, что прикладывая момент к быстроходному валу, вы не можете удержать тихоходный и, наоборот, удерживая быстроходный вал, вы не можете провернуть тихоходный. Это говорит о том, что редуктор – это механизм, предназначенный для увеличения вращающего момента. 5.3 Отметив мелом положение тихоходного вала, поверните быстроходный столько раз, сколько необходимо для полного оборота тихоходного. Полученное число будет ориентировочно равно передаточному числу редуктора. Таким образом, вы убедитесь, что редуктор – это механизм, служащий для уменьшения частоты вращения. Рычаг Архимеда дает выигрыш в силе, но проигрыш в расстоянии. Редуктор – это то же самое, но для вращательного движения; он дает выигрыш в моменте, но проигрыш в частоте вращения. Необходимость редукторов обусловлена тем, что рабочие органы машин обычно требуют больших моментов при малых частотах вращения, а двигатели обычно имеют большие частоты вращения при малых моментах. Редуктор выполняет роль согласующего элемента между двигателем и рабочим валом машины. 5.4 Выяснив назначение и роль редуктора, приступают к изучению его конструкции: 1) откручивают и снимают болты крепления крышки корпуса с основанием. Винты крепления крышек подшипников ослабляют, и полностью вывинчивают те из них, которые установлены в крышку корпуса; 2) снимают крышку корпуса; 3) осматривают редуктор при снятой крышке; 4) медленно вращая быстроходный вал изучают принцип зацепления конических колес. 5.5 Измерения проводят в следующей последовательности: 1) Отметив мелом по одному зубу на шестерне и колесе, вращая их, считают числа зубьев шестерни z1 и колеса z2; 2) Измеряют внешний диаметр вершин зубьев колеса dae2 и ширину зубчатого венца b2; 3) На внешнем торце колеса измеряют высоту зуба he и окружной шаг Pe на внешней делительной окружности de2; 5.6 Производят расчеты: 1) определяют передаточное число редуктора, по формуле: z u= 2 ; z1

13

2) вычисляют углы делительных конусов: δ2 = arctg u; δ1 = 90˚ - δ2; 3) определяют внешний окружной модуль me и сравнивают его со стандартными значениями: me =

Pe d ae 2 h = = . π 2,2 z 2 + 2 ⋅ cos δ 2

Незначительная разница результатов, полученных по трем формулам, связана в основном с погрешностью измерений; 4) определяют внешний делительный диаметр колеса: d e2 = m e ⋅ z 2 . Данная величина для конических редукторов определяет функцию, аналогичную функции межосевого расстояния a w для цилиндрических и червячных редукторов. При одинаковых материалах колес и передаточном отношении u определяет нагрузочную способность и габариты конического редуктора. 5.7 Оценка нагрузочной способности редуктора Также как и цилиндрические передачи, закрытые конические рассчитываются на выносливость по контактным напряжениям, чтобы не допустить усталостного выкрашивания рабочих поверхностей зубьев. Номинальный вращающий момент на валу колеса из условия контактной прочности зубьев, Н·м: d 3e 2 ⋅ [σ]н2 . Т2 = u ⋅ 5,6 В данной формуле d e 2 в метрах (м), [σ]н в МПa, а коэффициент 5,6 измеряется в м²/Н. Мощность на тихоходном валу редуктора: Р 2 = Т 2 ⋅ ω 2 (Вт) или Р 2 = Т 2 ⋅ так как

14

π ⋅ n1 , 30 ⋅ u

ω2 =

ω1 u

и

ω1 =

π ⋅ n1 . 30

Для окончательного уяснения вопроса о нагрузочной способности конического редуктора студентам необходимо заполнить таблицу 1 для различных материалов колес. Таблица 1 – Мощность на тихоходном ходу вала редуктора, кВт Марка стали

Вид термической обработки

35 нормализация 45 улучшение 40ХН закалка ТВЧ 12ХНЗА цементация

Твердость 174 НВ 240 НВ 50 НRСэ 60 HRCэ

[σ]н , МПa

Т Н⋅м

Частота вращения быстроходного вала, мин-1 750 1000 1500 3000

380 500 875 1150

В связи с тем, что часть подводимой к редуктору мощности расходуется на трение в зацеплении, подшипниках и перемешивание масла, мощность, снимаемая с тихоходного вала, всегда меньше мощности, подводимой к быстроходному валу. Р2 = η - коэффициент полезного действия (КПД) редуктора; Р1 η ≈ 0,96 - для одноступенчатого конического редуктора.

В связи с тем, что на валы редуктора может действовать радиальная консольная нагрузка от открытых передач (в соответствии с рисунком 7), диаметры выходных концов валов делают больше, чем необходимо только для передачи вращающего момента. Величина номинальной радиальной нагрузки приводится в паспортных данных редуктора.

15

M

Рисунок 7

6 Регулировка конических редукторов Регулировка конических редукторов осуществляется в два этапа: 6.1 На первом этапе производится регулировка подшипников. Для быстроходного вала между крышкой подшипника 11 и стаканом 9, а для тихоходного – между корпусом и крышками подшипников 16, 17 устанавливается такое количество металлических прокладок 14, 18, которое обеспечивает отсутствие люфтов и свободное (от руки) проворачивание валов при затянутых винтах крепления крышек 19. 6.2 На втором этапе производится регулировка зацепления до совмещения вершин начальных конусов, которое контролируется по пятну контакта зубьев (таблица 2).

16

Таблица 2 – Регулировка конического зацепления Положение пятна контакта на зубьях колеса 1

Необходимые действия 2 Шестерню подвинуть к колесу – убрать часть прокладок между корпусом и стаканом

Шестерню отодвинуть от колеса – добавить несколько прокладок между корпусом и стаканом

Колесо подвинуть к шестерне – переложить часть прокладок из под одной под другую крышку подшипника тихоходного вала – сохраняя общее число прокладок Колесо отодвинуть от шестерни – переложить часть прокладок из под одной под другую крышку подшипника тихоходного вала – сохраняя общее число прокладок

Правильное расположение. Размеры пятна контакта зависят от степени точности передачи и составляют: a = (0,4…0,8) · b h ср = (0,6…0,9) · h

17

7 Контрольные вопросы 7.1 Что такое конический редуктор? 7.2 Область применения конических и коническо-цилиндрических редукторов. 7.3 Основные недостатки конических редукторов. 7.4 Область применения конических редукторов с прямыми и круговыми зубьями. 7.5 Основные формы зубьев конических зубчатых колес. 7.6 Силы в коническом зацеплении. 7.7 Назовите наиболее распространенные углы наклона зубьев в конических передачах и какие характеристики передачи зависят от величины данного угла. 7.8 Какие параметры конических редукторов стандартизованы? 7.9 Передаточное число конической передачи. 7.10 Основные детали конического редуктора и их назначение. 7.11 Для чего быстроходный вал конического редуктора установлен в стакане? 7.12 Назначение и роль редуктора в приводе. 7.13 Основной параметр зацепления. 7.14 От чего зависит нагрузочная способность конического редуктора? 7.15 Может ли один и тот же редуктор передавать различную мощность? 7.16 Что такое КПД редуктора? 7.17 На каком валу больше крутящий момент? 7.18 На каком валу больше мощность? 7.19 Что регулируется в коническом редукторе и для чего? 7.20 Из каких соображений определяются диаметры выходных концов валов редуктора?

18

Список использованных источников 1 ГОСТ 12289. Передачи зубчатые конические. Основные параметры. 2 Гузенков П. Г. Детали машин – 4-е изд. –М.: Высшая школа, 1986. – 360 с. 3 Решетов Д. Н. Детали машин – 4-е изд. –М.: Машиностроение, 1989. – 496 с. 4 Кудрявцев В. Н. и др. Курсовое проектирование деталей машин. –Л.: Машиностроение, 1984. – 400 с. 5 Чернавский С.А., Боков К.Н., И.М. Чернин и др. Курсовое проектирование деталей машин: Учебное пособие для учащихся машиностроительных специальностей техникумов – 2-е изд., перераб. и доп. –М.: Машиностроение, 1988. – 416 с.: ил.

19

Приложение А (обязательное) Характеристики основных форм зубьев конических зубчатых колес (ГОСТ 19326-73) Форма зубьев

I

II

Эскиз

Характеристика Пропорционально понижающиеся зубья. Вершины конусов делительного и впадин совпадают. Высота ножки зубьев пропорциональна конусному расстоянию

Понижающиеся зубья. Вершины конусов делительного и впадин не совпадают.

Область применения Зубчатые колеса с прямыми зубьями. Зубчатые колеса с круговыми зубьями при m n = 2 − 2,5 мм ; R e = 60 − 650 мм ;

β n = 0 − 45 ο ; z c = 20 − 100 . Зубчатые колеса с тангенциальными зубьями. Зубчатые колеса с круговыми зубьями при m n = 0,4 − 25 мм ; R e = 6 − 700 мм ;

β n = 0 − 15 ο (допускается β n до 45 ο );

z c = 24 − 100 .

III

20

Равновысокие зубья. Образующие конусов делительного, впадин и вершин параллельны. Высота зуба постоянна по всей длине.

Зубчатые колеса с круговыми зубьями при m n = 2 − 25 мм ; R e = 75 − 750 мм ;

β n = 25 − 45 ο ; z c > 40 .

Приложение Б (обязательное) Отчет по лабораторной работе №4 «Изучение конструкции, регулировка и оценка нагрузочной способности конического редуктора» 1 Цель работы. 2 Кинематическая схема редуктора. 3 Эскиз шестерни и колеса с указанием размеров. 4 Мощность на тихоходном валу (смотри таблицу 1). 5 Основные параметры редуктора. Таблица Б1 – Основные параметры редуктора Наименование Число зубьев шестерни Число зубьев колеса Передаточное число Угол делительного конуса: - шестерни - колеса Внешний делительный диаметр: - колеса; - шестерни Ширина зубчатого венца Внешний окружной модуль Внешняя высота зуба Вращающий момент на тихоходном валу Мощность на тихоходном валу при скорости быстроходного вала ω = 150 рад с .

Обозначение z1 z2 u

Размерность -

Величина

?1 ?2

град град

de2 de1 b me he

мм мм мм мм мм

T

Н · мм

формула

P

к Вт

формула

6 Выводы. Исполнитель – студент ______________ Ф.И.О., подпись Принял _______________ Ф.И.О., подпись 21