Факультет экономики и управления в машиностроении.
Кафедра инженерных наук и технологий.
Курсовая работа.
Тема: Проектирование механической системы промышленного робота манипулятора
Санкт - Петербург
2007 год.
Содержание
Введение
1) Часть №1: Проектный расчет вала редуктора
2) Часть №2: Конструирование вала
3) Часть №3: Приложения
Приложение №1
Приложение №2
Приложение №3
Приложение №4
Список литературы
Введение
Редуктором называют механизм, состоящий из зубчатых или червячных передач, выполненный в виде отдельного агрегата, и служащий для передачи вращения от вала двигателя к валу рабочей машины. Кинематическая схема привода может включать, помимо редуктора, открытые зубчатые передачи, цепные или ременные передачи.
Назначение редуктора - понижение угловой скорости и соответствен но повышение вращающего момента ведомого вала по сравнению с ведущим. Механизмы для повышения угловой скорости, выполненные в виде отдельных агрегатов, называют ускорителями или мультипликаторами. Редуктор проектируют либо для привода определенной машины, либо по заданной нагрузке и передаточному числу без указания конкретного назначения.
Редукторы классифицируют по следующим признакам: типу передачи, (зубчатые, червячные или зубчато-червячные), числу ступеней (одноступенчатые, двухступенчатые), типу зубчатых колес (цилиндрические, конические, коническо-цилиндрические), относительному расположению валов редуктора в пространстве (горизонтальные, вертикальные), особенностями кинематической схемы (развернутая, соосная, с раздвоенной ступенью).
Возможности получения больших передаточных чисел при малых габаритах обеспечивают планетарные и волновые редукторы.
Сборку редуктора производят в соответствии со сборочным чертежом редуктора, начиная с узлов валов: на ведущий вал насаживают шпонку и напрессовывают зубчатое колесо до упора в бурт вала; затем надевают удерживающие кольца и устанавливают шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле.
Собранные валы укладывают в основание корпуса редуктора и надевают крышку корпуса, покрывая предварительно поверхности стыка крышки и корпуса спиртовым лаком. Для центровки устанавливают крышку на корпус с помощью двух конических штифтоф; затягивают болты, крепящие крышку корпуса.
Таким образом мы видим, что одной из важнейших составляющих редуктора является вал. В этой курсовой работе нам как раз предстоит спроектировать и сконструировать вал редуктора.
Предварительная конструктивная проработка вала и подшипниковых узлов выполняется на стадии эскизного проекта редуктора. Окончательное конструктивное исполнение этих узлов определяется по результатам расчета вала и подшипников по критериям их работоспособности. При известных нагрузках на вал эти расчеты можно произвести, составив расчетную схему вала.
Рассчитаем необходимый нам вал в соответствии с требованиями, изложенными в задании к курсовой работе.
Часть №1: Проектный расчет вала редуктора
Ft = 2200H Ft – окружная сила
Fa = 770 H Fa – осевая сила
Fr = 836 H Fr – радиальное усилие
l = 0,16 м
D = 0,11 м
I. Силу Fa и Ft переносим к центру тяжести вала
Момент Ма вызывает изгиб в вертикальной плоскости XOY.
Сила Fa вызывает растяжение, и в расчетах мы ее учитывать не будем.
Момент Mt вызывает кручение вала относительно оси OX.
II. Изобразим пространственную схему вала
Схема представляет собой балку, лежащую на двух опорах.
Внешние силы лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, поэтому составляющие реакции определим в тех же плоскостях, а затем подсчитаем результирующие реакции.
А) Чертим расчетную схему в вертикальной плоскости XOY и определяем составляющие реакции.
Ray → ∑Mв = 0
–Ray ∙ 2l + Fr ∙ l – Ma =0
Rву → ∑Mа = 0
Rвy ∙ 2l – Fr ∙ l – Ma =0
Проверка: ∑Y = 0
Ray – Fr + Rву = 0
285,66H – 836H + 550,34H = 0H =>Решение верно!
Б) Чертим схему вала в горизонтальной плоскости XOZ и определим составляющие реакции в этой плоскости.
–Raz ∙2l + Ft ∙l = 0
Rвz → ∑Mа = 0
Rвz ∙2l – Ft ∙l = 0
Проверка: ∑Z = 0
Raz – Ft + Rвz = 0
1100H – 2200H + 1100H = 0H =>Решение верно!
В) Определим суммарную радиальную реакцию в опорах.
III.Строим эпюру изгибающих моментов
А) В вертикальной плоскости XOY.
1-й участок 0 ≤ X1 ≤ 0,16 м
Mz = Ray ∙ X1
При X1 = 0 м Mz1 = 0 H ∙м
При X1 = 0,16 м Mz1 = 45,71 H ∙м
2-й участок 0 ≤ X2 ≤ 0,16 м
Mz = Rвy ∙ X2
При X2 = 0 м Mz2 = 0 H ∙м
При X2 = 0,16 м Mz2 = 88,06 H ∙м
Б) В горизонтальной плоскости XOZ.
1-й участок 0 ≤ X1 ≤ 0,16 м
My = Raz ∙ X1
При X1 = 0 м My1 = 0 H ∙м
При X1 = 0,16 м My1 = 176 H ∙м
2-й участок 0 ≤ X2 ≤ 0,16 м
My = Rвz ∙ X2
При X2 = 0 м My2 = 0 H ∙м
При X2 = 0,16 м My2 = 176 H ∙м
A)
Б)
IV.Определение суммарных изгибающих моментов в сечении С
- Слева:
- Справа:
V. Строим эпюру Мкр. Мкр = -121 Н*м
VI.Используя III и IV теории прочности, определяем эквивалентные (приведенные) моменты характерных сечений
VII.Определим опасное сечение и выпишем величину моментов в этом сечении
Опасное сечение в точке С.
Мизг = 196,8 Н ∙м
Мкр = 121 Н ∙м
VIII. Вычисляем диаметр вала d
[σ] = 70 МПа
σmax = ≤ [σ]
28 мм округляем до 30 мм.
Из таблицы нормальных линейных размеров выбираем d = 30 мм.
Ориентировочное значение диаметра вала редуктора определено из полного проектного расчета вала на статическую прочность с учетом работы вала на изгиб и кручение. d = 30 мм принимаем в качестве выходного диаметра вала.
Часть №2: Конструирование вала
При конструировании вала необходимо выполнять следующие основные требования:
Конструкция вала должна обеспечивать его легкое изготовление.
Необходимо обеспечить простоту сборки и разборки деталей, сидящих на валу. Необходимо помнить, что многие элементы и размеры являются стандартными и по возможности должны быть выбраны из ряда нормальных линейных размеров ГОСТ 6636-69 (Приложение 1).
I.Подбор подшипника для вала
В качестве опор валов используют подшипники – устройства, предназначенные для направления относительного движения вала, а так же для передачи нагрузок на корпус машины.
В современном машиностроении подшипники качения являются основными видами опор валов. Подшипники качения представляют собой наружные и внутренние кольца, с расположенными между ними телами качения (шарики и ролики).
Для предотвращения соприкосновения тел качения их отделяют друг от друга сепаратором.
Самый распространенный в машиностроении подшипник – шариковый радиальный однорядный подшипник ГОСТ 8338 – 78 (Приложение 2).
Диаметр вала под подшипник качения применяется на 5 - 8 мм больше чем dвала.
d вала под подшипник = 30 мм + 5 мм = 35 мм
d вала под подшипник должен заканчиваться на 0 или 5 и должен быть целым числом.
По ГОСТ 8338-78 выбираем подшипник №207:
d = 35 мм
D = 72 мм
B = 17 мм
r = 2 мм
II. Определение d вала под колесо
d вала под колесо = dподшип +3r = 35 мм + 2 мм ∙3 = 41 мм
r – радиус фаски, применяемый при выборе подшипника.
Полученное значение округляем до ближайшего стандартного нормального значения.
d вала под колесо = 42 мм
Dколеса ≥ d вала под колесо
(110 мм ≥ 42 мм + 9 мм) => колесо надевается на вал и изготовляется отдельно.
III. Определение диаметра буртика вала
Буртик – участок вала (утолщение), который служит для ограничений перемещений колеса вдоль оси вала.
dбуртика ≥ d вала под колесо + 8мм => dбуртика ≥ 50мм.
Полученное значение округляем до ближайшего стандартного нормального значения. => dбуртика = 50мм.
IV. Подбор шпонки
Для передачи крутящего момента от вала до ступицы колеса и фиксации детали на валу используется шпоночное соединение. Основная деталь соединения – шпонка, устанавливается в паз вала и соединяемой детали.
Размеры шпонок стандартизованы. Наиболее часто применяемые шпонки – призматические шпонки ГОСТ 22360-78 (Приложение №3). Размеры стандартной призматической шпонки (в, h, l) выбирают в зависимости от диаметра вала под колесо и длины ступицы под колесо.
l ступицы = (0,8мм…1,5мм) от диаметра вала под колесо
l шпонки = l ступицы – (5мм…10мм)
в = 12мм
h = 8 мм
t1 = 5мм (паз вала)
l ступицы = 0,8 ∙ d вала под колесо = 0,8 ∙ 42мм = 33,6мм ≈ 34мм
l шпонки = 34мм ∙ (5мм…10мм)= от 24мм до 29мм
Выбираем l шпонки =28мм
l шпонки рабочая = l шпонки – в = 28мм – 12мм = 16мм
При действии на вал крутящего момента на шпонку действует напряжение смятия. После выбора размеров шпонки необходим проверочный расчет шпоночного соединения на прочность по напряжению смятия (сжатие в зоне контакта).
σсмятия ≤ [σ]
[σ] = (110Мпа … 190МПа)
120,04МПа ≤ 190МПа => Условия прочности на смятие шпонки выполняются.
V. Определение длины концевого участка вала
d = 30мм (из первой части расчета).
В соответствии с ГОСТ 12080 – 66 выбираем d = 30мм, l = 80 мм.
I. Приложение №1
Нормальные линейные размеры, мм (ГОСТ 6636-69)
3,2 | 5,6 | 10 | 18 | 32 | 56 | 100 | 180 | 320 | 560 |
3,4 | 6,0 | 10,5 | 19 | 34/35 | 60/62 | 105 | 190 | 190 | 600 |
3,6 | 6,3 | 11 | 20 | 36 | 63/65 | 110 | 200 | 360 | 630 |
3,8 | 6,7 | 11,5 | 21 | 38 | 67/70 | 120 | 210 | 380 | 670 |
4,0 | 7,1 | 12 | 22 | 40 | 71/72 | 125 | 220 | 400 | 710 |
4,2 | 7,5 | 13 | 24 | 42 | 75 | 130 | 240 | 420 | 750 |
4,5 | 8,0 | 14 | 25 | 45/47 | 80 | 140 | 250 | 450 | 800 |
4,8 | 8,5 | 15 | 26 | 48 | 85 | 150 | 260 | 480 | 850 |
5,0 | 9,0 | 16 | 28 | 50/52 | 90 | 160 | 280 | 500 | 900 |
5,3 | 9,5 | 17 | 30 | 53/55 | 95 | 170 | 300 | 530 | 950 |
II. Приложение №2
Шариковые радиальные однорядные подшипники (ГОСТ 8338 – 75) Размеры, мм
Обозначение подшипников | d | D | В | r | Шарики | Масса, кг | С, кН | С0, кН | nпред ЧЧ10-3, мин 1 | |||||||||
Dw | z | |||||||||||||||||
Легкая серия диаметров 2, узкая серия ширин 0 |
||||||||||||||||||
205 | 25 | 52 | 15 | 1,5 | 7,94 | 9 | 0,12 | 14,0 | 6,95 | 12,0 | ||||||||
206 | 30 | 62 | 16 | 1,5 | 9,53 | 9 | 0,20 | 19,5 | 10,0 | 10,0 | ||||||||
207 | 35 | 72 | 17 | 2,0 | 11,11 | 9 | 0,29 | 25,5 | 13,7 | 9,0 | ||||||||
208 | 40 | 80 | 18 | 2,0 | 12,7 | 9 | 0,36 | 32,0 | 17,8 | 8,0 | ||||||||
209 | 45 | 85 | 19 | 2,0 | 12,7 | 9 | 0,41 | 33,2 | 18,6 | 7,5 | ||||||||
210 | 50 | 90 | 20 | 2,0 | 12,7 | 10 | 0,47 | 35,1 | 19,8 | 7,0 | ||||||||
211 | 55 | 100 | 21 | 2,5 | 14,29 | 10 | 0,60 | 43,6 | 25,0 | 6,5 | ||||||||
212 | 60 | 110 | 22 | 2,5 | 15,88 | 10 | 0,80 | 52,0 | 31,0 | 6,0 | ||||||||
213 | 65 | 120 | 23 | 2,5 | 16,67 | 10 | 0,98 | 56,0 | 34,0 | 5,5 | ||||||||
214 | 70 | 125 | 24 | 2,5 | 17,46 | 10 | 1,08 | 61,8 | 37,5 | 5,0 | ||||||||
215 | 75 | 130 | 25 | 2,5 | 17,46 | 11 | 1,18 | 66,3 | 41,0 | 4,8 | ||||||||
216 | 80 | 140 | 26 | 3,0 | 19,05 | 10 | 1,40 | 70,2 | 45,0 | 4,5 | ||||||||
217 | 85 | 150 | 28 | 3,0 | 19,84 | 11 | 1,80 | 83,2 | 53,0 | 4,3 | ||||||||
218 | 90 | 160 | 30 | 3,0 | 22,23 | 10 | 2,2 | 95,6 | 62,0 | 3,8 | ||||||||
220 | 100 | 180 | 34 | 3,5 | 25,4 | 10 | 3,2 | 124,0 | 79,0 | 3,4 | ||||||||
Средняя серия диаметров 3, узкая серия ширин 0 |
||||||||||||||||||
304 | 20 | 52 | 15 | 2,0 | 9,53 | 7 | 0,14 | 15,9 | 7,8 | 13 | ||||||||
305 | 25 | 62 | 17 | 2,0 | 11,51 | 7 | 0,23 | 22,5 | 11,4 | 11 | ||||||||
306 | 30 | 72 | 19 | 2,0 | 12,3 | 8 | 0,34 | 28,1 | 14,6 | 9 | ||||||||
307 | 35 | 80 | 21 | 2,5 | 14,29 | 7 | 0,44 | 33,2 | 18,0 | 8,5 | ||||||||
308 | 40 | 90 | 23 | 2,5 | 15,08 | 8 | 0,63 | 41,0 | 22,4 | 7,5 | ||||||||
309 | 45 | 100 | 25 | 2,5 | 17,46 | 8 | 0,83 | 52,7 | 30,0 | 6,7 | ||||||||
310 | 50 | 110 | 27 | 3,0 | 19,05 | 8 | 1,08 | 61,8 | 36,0 | 6,3 | ||||||||
311 | 55 | 120 | 29 | 3,0 | 20,64 | 8 | 1,35 | 71,5 | 41,5 | 5,6 | ||||||||
312 | 60 | 130 | 31 | 3,5 | 22,23 | 8 | 1,70 | 81,9 | 48,0 | 5,0 | ||||||||
313 | 65 | 140 | 33 | 3,5 | 23,81 | 8 | 2,11 | 92,3 | 56,0 | 4,8 | ||||||||
314 | 70 | 150 | 35 | 3,5 | 25,4 | 8 | 2,60 | 104,0 | 63,0 | 4,5 | ||||||||
315 | 75 | 160 | 37 | 3,5 | 26,99 | 8 | 3,10 | 112,0 | 72,5 | 4,3 | ||||||||
316 | 80 | 170 | 39 | 3,5 | 28,58 | 8 | 3,60 | 124,0 | 80,0 | 3,8 | ||||||||
317 | 85 | 180 | 41 | 4,0 | 30,16 | 8 | 4,30 | 133,0 | 90,0 | 3,6 | ||||||||
318 | 90 | 190 | 43 | 4,0 | 31,75 | 8 | 5,10 | 143,0 | 99,0 | 3,4 | ||||||||
320 | 100 | 215 | 47 | 4,0 | 36,51 | 8 | 7,00 | 174,0 | 132,0 | 3,0 | ||||||||
Тяжелая серия диаметров 4, узкая серия ширин 0 |
||||||||||||||||||
403 | 17 | 62 | 17 | 2,0 | 12,7 | 6 | 0,27 | 22,9 | 11,8 | 12 | ||||||||
405 | 25 | 80 | 21 | 2,5 | 16,67 | 6 | 0,5 | 36,4 | 20,4 | 9 | ||||||||
406 | 30 | 90 | 23 | 2,5 | 19,05 | 6 | 0,72 | 47,0 | 26,7 | 8,5 | ||||||||
407 | 35 | 100 | 25 | 2,5 | 20,64 | 6 | 0,93 | 55,3 | 31,0 | 7,0 | ||||||||
408 | 40 | 110 | 27 | 3,0 | 22,23 | 6 | 1,20 | 63,7 | 36,5 | 6,7 | ||||||||
409 | 45 | 120 | 29 | 3,0 | 23,02 | 7 | 1,52 | 76,1 | 45,5 | 6,0 | ||||||||
410 | 50 | 130 | 31 | 3,5 | 25,4 | 7 | 1,91 | 87,1 | 52,0 | 5,3 | ||||||||
411 | 55 | 140 | 33 | 3,5 | 26,99 | 7 | 2,3 | 100,0 | 63,0 | 5,0 | ||||||||
412 | 60 | 150 | 35 | 3,5 | 28,58 | 7 | 2,8 | 108,0 | 70,0 | 4,8 | ||||||||
413 | 65 | 160 | 37 | 3,5 | 30,16 | 7 | 3,4 | 119,0 | 78,0 | 4,5 | ||||||||
414 | 70 | 180 | 42 | 4,0 | 34,93 | 7 | 5,3 | 143,0 | 105,0 | 3,8 | ||||||||
416 | 80 | 200 | 48 | 4,0 | 38,1 | 7 | 7,0 | 163,0 | 125,0 | 3,4 | ||||||||
417 | 85 | 210 | 52 | 5,0 | 39,69 | 7 | 8,0 | 174,0 | 135,0 | 3,2 | ||||||||
418 | 90 | 225 | 54 | 5,0 | - | - | 11,4 | 186,0 | 146,0 | - |
Пример обозначения шарикового радиального подшипника легкой серии с d=50 мм, D = 80 мм, 5=16 мм: Подшипник 210 ГОСТ 8338-75
III. Приложение №3
Призматические шпонки (ГОСТ 22360 – 78)
Размеры шпоночных пазов.
IV. Приложение №4
Концы валов цилиндрические (ГОСТ 12080 – 66).
Цилиндрические концы валов предусматриваются в двух исполнениях:
1 – длинные, 2 – короткие.
Список литературы
1. С.А. Чернавский «Курсовое проектирование деталей машин». М.: «Машиностроение» 1987 г.
2. С.А. Чернавский «Проектирование механических передач». М.: «Машиностроение» 1984 г.
3. Дунаев П.Ф. Леликов О.П. . «Курсовое проектирование детали машин». Высшая школа 1990 год.
4. Иванов В.Н. «Детали машин». Высшая школа 1991 год.
5. Федоренко В.А., Шошин А.И. «Справочник по машиностроительному черчению». Л.: Машиностроение, 1988 г.- 446с
6. Акушина А.И. «Техническая механика: теоретическая механика и сопротивление материалов». М.; Высшая школа, 2003.- 352с
7. Ицкович Г.М. «Сопротивление материалов». М.; Высшая школа, 2001.- 256с