Проектирование привода главного движения металлорежущего станка

Учебное пособие

Северодвинск

Севмашвтуз

УДК 621.9

Чугринов А.А. Проектирование привода главного движения металлорежущего станка. Методические указания к курсовому проектированию. – Северодвинск: Севмашвтуз, 2005.44 с.: ил.

Ответственный редактор д.т.н., профессор Н.Р. Варгасов

Рецензенты: инженер С.Ф. Галицын;

к.т.н., доцент М.П. Худяков

Методические указания предназначены для студентов специальностей 120100 ”Технология машиностроения” и 120200 ”Металлообрабатывающие комплексы” и содержат методику проектирования привода главного движения металлорежущего станка, указания по порядку выполнения курсового проекта (курсовой работы).

Они могут использоваться при выполнении конструкторской части дипломных проектов.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………….4

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ……………………………....4

2. СОСТАВ И ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА (КУРСОВОЙ РАБОТЫ)…..…………5

2.1 Содержание графической части ………………………………………………........5

2.2 Содержание расчетно-пояснительной записки ……………………………….. …5

3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ……………………………6

4. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ …..…………………………………………………….7

5. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПГД……………………………………………………9

5.1 Порядок кинематического расчета …………………………………………..……..9

5.2 Исходные данные для кинематического расчета …………………………………10

5.3 Выбор компоновки ПГД ……………………………………………………………10

5.4.Выбор структуры ПГД ……………………………………………. …………. …..11

5.4.1 ПГД с простыми множительными структурами ………………………. …. 11

5.4.2 ПГД с двухскоростным двигателем …………………………………………...12

5.4.3 ПГД с перекрытием части ступеней …………………………………………..13

5.4.4 ПГД с ломаным геометрическим рядом ………………………………………15

5.4.5 ПГД со сменными колесами ………………………………… …………... ….16

5.4.6 ПГД со сложенной структурой ……………………………… …………..........16

5.4.7 ПГД с двигателем постоянного тока ……………………… …………………18

5.5 Разработка кинематической схемы …………………………………………………20

5.6 Выбор электродвигателя ……………………………………………………….........21

5.6.1 Асинхронные двигатели …………………………………… …………….........21

5.6.2 Двигатели постоянного тока ……………………………………………………21

5.6.3 Расчет мощности электродвигателя ………………………… …………...........22

5.7 Построение структурной сетки …………………………………… ………….. ……22

5.8 Построение графика частот вращения ………………………… …………………..25

5.9 Расчет чисел зубьев зубчатых колес ……………………………… …….………….27

6. СИЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПГД ………………………………………... 28

6.1 Расчет зубчатых передач ………………………………………………………... 28

6.1.1 Особенности расчета зубчатых передач …………………… …………...28

6.1.2 Определение расчетного крутящего момента …………………………....29

6.1.3 Выбор допускаемых контактных напряжений …………………………... 30

6.1.4 Определение размеров зубчатых передач ………………………………... 30

6.1.5 Проверочный расчет зубьев ………………………………………………..31

6.2 Расчет валов ………………………………………………………… …………...34

6.3 Выбор системы смазки …………………………………………… …………….35

7. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПГД..……………………………………………... 35

7.1 Разработка чертежа коробки скоростей………………………………………...35

7.2 Оформление чертежа общего вида привода ………………………………. …..37

7.3 Оформление чертежа шпиндельного узла ………………………………….…...37

7.4 Оформление кинематической схемы (КС) …………………………………….....38

7.5 Построение графиков мощности и момента …………………………………....39

7.5.1 Привод ступенчатого регулирования …………………………........39

7.5.2 Привод электромеханического регулирования …………………….40

7.6. Разработка рабочих чертежей деталей привода…………………….…...40

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………...40

Приложения ………………………………………………………………………....42

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с учебным планом специальности по дисциплине “Металлорежущие станки” студенты выполняют курсовую работу (КР). Ее цель – закрепление навыков проектирования механических устройств, полученных ранее при выполнении курсовых проектов по дисциплине “Детали машин”.

При выполнении КП (КР) используются знания, полученные в процессе изучения дисциплины в предыдущем и текущем семестрах, приобретаются и закрепляются навыки в области проектирования валов с подшипниковыми узлами и зубчатыми передачами, клиноременных и ременных передач, корпусов коробок скоростей. Вместе с тем используются сведения, полученные при изучении данной дисциплины по части кинематического расчета привода, выполнения конструкций множительных передач, системы смазки, механизмов переключения передач, реверса и других.

Содержащиеся в данных методических указаниях сведения и требования являются обязательными, их выполнение гарантирует необходимый качественный уровень КП (КР).

Методические указания не исчерпывают всех вопросов, возникающих в процессе проектирования, и предполагают самостоятельную работу студента по изучению дополнительных материалов и постоянное общение с преподавателем на практических занятиях по курсовому проектированию

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Цель курсового проектирования – освоение студентами методики проектирования привода главного движения (ПГД) металлорежущего станка (МРС), выполнение конструкции ПГД МРС в соответствии с предложенным заданием, закрепление навыков конструкторского проектирования и приобретение начального опыта выбора и обоснования конструкторских решений при проектирования узлов МРС.

В процессе выполнения КП (КР) студент выполняет все этапы проектирования, предусмотренные соответствующими ГОСТами, с оформлением необходимой документации.

Задачи, решаемые при проектировании ПГД МРС:

· Анализ исходных данных;

· Выбор компоновки привода;

· Разработка кинематической схемы привода;

· Кинематический расчет ПГД;

· Силовые расчеты передач и деталей;

· Выбор механизма переключения передач;

· Выбор системы смазки передач и подшипников;

· Разработка конструкции шпиндельного узла;

· Разработка конструкции привода в целом.

2. СОСТАВ И ОБЪЕМ КП (КР)

КР состоит из графической части и расчетно-пояснительной записки.

2.1. Содержание графической части

Графическая часть состоит из обязательных чертежей: развертки и свертки коробки скоростей со шпиндельным узлом (шпиндельной бабки), компоновки ПГД, кинематической схемы, графика частот вращения, графика мощности и момента, общего вида привода, рабочих чертежей деталей привода.

Сборочные чертежи выполняются на листах формата А1, формат рабочих чертежей выбирается в соответствии с размерами деталей.

Общий объем графической части – 4-5 листов формата А1 для КП (3-4 листа для КР).

Конкретное содержание чертежей указывается в задании или дополнительно согласуется с преподавателем в процессе выполнения КР.

Выполнение чертежей в режиме автоматизированного проектирования желательно, но не обязательно.

Требования к оформлению чертежей рассмотрены в разделе “Разработка чертежей”.

2.2. Содержание расчетно-пояснительной записки

РПЗ должна содержать следующие обязательные разделы:

· Расчет режимов резания;

· Выбор электродвигателя;

· Кинематический расчет ПГД;

· Силовые расчеты (расчет зубчатой, клиноременной передачи, валов – на прочность и одного из них на жесткость, выбор подшипников);

· Выбор системы смазки;

· Выбор механизма переключения передач;

· Обоснование технических требований сборочного и рабочих чертежей;

· Описание проверки основных пунктов технических требований (по согласованию с преподавателем).

РПЗ может содержать дополнительные расчеты, пояснения конкретного характера. Содержание записки должно быть конкретным, не допускаются рассуждения общего характера.

РПЗ может распечатываться или выполняться в рукописном виде. Текст должен быть написан аккуратно, без зачеркиваний и исправлений, допускаются сокращения только общепринятого характера.

В РПЗ приводится список использованной литературы.

Общие требования к оформлению РПЗ – согласно ГОСТ 7.32 –2001 “Отчет о НИР. Структура и правила оформления” или ГОСТ 2.105 – 95 ЕСКД. “Общие требования к текстовым документам”.

РПЗ рекомендуется выполнять любым печатным способом на пишущей машинке или с использованием компьютера и принтера на одной стороне листа белой бумаги формата А4 через полтора интервала. Цвет шрифта должен быть черным, высота букв, цифр и других знаков — кегль не менее 12.

Текст отчета следует печатать, соблюдая следующие размеры полей: правое — 10 мм, верхнее, левое и нижнее — 20 мм.

Разрешается использовать компьютерные возможности акцентирования внимания на определенных терминах, формулах, применяя шрифты разной гарнитуры.

Допускается выполнение РПЗ в рукописном варианте.

Объем РПЗ не оговаривается, при этом в РПЗ должны быть представлены расчетные данные в порядке рассмотрения задач, решаемых при проектировании приспособления (см. раздел 2 “Задачи курсового проектирования”).

3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Техническое задание выдается преподавателем. В задании указывается тип МРС, для которого проектируется ПГД, содержатся основные характеристики, которыми должен обладать спроектированный узел МРС, перечень обязательных разрабатываемого графического материала и вопросов, подлежащих разработке в расчетно-пояснительной записке (РПЗ), сроки выдачи задания и представления выполненной КР.

Студенту сообщается рекомендуемый график выполнения КП (КР).

Все остальные этапы проектирования студент выполняет в КП (КР).

Техническое предложение (ГОСТ 2.118-73). Студент выполняет поиск станка-аналога, выполняет сравнительный анализ характеристик аналога и проектируемого станка, выполняет расчеты режимов резания и другие расчеты, на основании которых разрабатывает предложения, подтверждающие более высокий уровень предстоящей разработки. На этом этапе выбирается компоновка привода и выполняется кинематический расчет.

Эскизный проект (ГОСТ 2.119-73). Выполняются силовые расчеты (валов, зубчатых и других передач), подбираются подшипники, выбирается конструкция механизма переключения передач, конструкция шпиндельного узла, система смазки. Вычерчивается общий вид узла с необходимыми разрезами (на миллиметровке или на ватмане в тонких линиях, в виде распечатки, полученной в режиме компьютерной графики). Утверждаются принципиальные решения по разрабатываемой конструкции узла.

Технический проект (ГОСТ 2.120-73). Оформляются разработанные чертежи с простановкой габаритных, присоединительных размеров и размеров сопряжений с указанием посадок, разрабатываются и наносятся на чертеж технические требования и техническая характеристика привода, составляется спецификация.

Рабочая документация (ГОСТ 2.102-68). Выполняется разработка рабочих чертежей деталей, указанных в задании, оформляется графическая часть в целом, расчетно-пояснительная записка.

Исходными данными для проектирования ПГД МРС являются: тип привода, число ступеней регулирования, пределы частот вращения шпинделя, характеристики электродвигателя (частота вращения и мощность).

Этапы разработки конструкции ПГД МРС:

· Расчет режимов резания;

· Кинематический расчет привода;

· Оформление кинематической схемы (КС);

· Силовые расчеты элементов ПГД;

· Разработка конструкции ПГД.

4. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ

Цель расчета режимов резания – определение предельных частот вращения шпинделя. Расчет режимов резания можно производить по формулам [1] или нормативам режимов резания [2,3,]

Выбирают несколько характерных видов обработки на проектируемом станке, при которых реализуются предельные скорости резания (предельные частоты вращения шпинделя). Верхние предельные значения этих параметров реализуются при чистовом точении, растачивании и фрезеровании, сверлении отверстий наименьших размеров. Нижние предельные значения реализуются при черновом точении, растачивании и фрезеровании, развертывании, сверлении больших отверстий, резьбонарезании.

Выбор марок материалов заготовок указывается в задании.

Расчет производится в следующем порядке:

· Выбирают характеристики режущего инструмента (тип, размеры, материал режущей части, геометрию). Для черновой обработки выбирают инструмент с режущей частью из быстрорежущей стали, для чистовой – из твердого сплава или композита;

· Устанавливают предельные размеры заготовки (инструмента), используя данные задания, станка-аналога и таблицы 1;

· Назначают предельные значения глубины резания. Глубину резания при черновой обработке принимают не более 5 мм, при чистовой – не более 0,5 мм.

· Устанавливают предельные значения подач: S _min – в зависимости от шероховатости обрабатываемой поверхности, S _max – по условиям черновой обработки при максимальной жесткости технологической системы;

· Задавшись периодом стойкости Т, рассчитывают значения скоростей резания. При чистовой обработке принимают минимальное, а при черновой – максимальное значение стойкости инструмента. По полученным значения скоростей резания подсчитывают значения частот вращения шпинделя.

Таблица 1

Размеры заготовок и инструментов при расчете режимов резания

При этом предельные значения частот вращения определятся как

n _min = 1000*V_min / π*d _max и n _max = 1000*V_max / π*d _min (1)

· Определяют составляющие силы резания и эффективную мощность для каждого режима.

Результаты расчета режимов резания сводят в таблицу 2.

Таблица 2

Таблица режимов резания

Для дальнейших расчетов из таблицы режимов выбирают предельные значения частот вращения шпинделя и максимальное значение скорости резания.

5. КИНЕМАТИЧЕСИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА

5.1. Порядок кинематического расчета

Целью кинематического расчета является разработка кинематической схемы (КС) привода. Расчет выполняется на основе графо-аналитического метода.

Порядок кинематического расчета:

· Выбор компоновки привода;

· Выбор структуры привода;

· Разработка КС;

· Выбор электродвигателя;

· Построение структурной сетки;

· Построение графика частот вращения и определение передаточных отношений;

· Расчет чисел зубьев зубчатых колес;

· Оформление КС.

Основными конструктивными схемами ПГД ступенчатого регулирования являются схемы, применяемые в универсальных станках:

· с односкоростным электродвигателем и шестеренной коробкой скоростей;

· с двухскоростным электродвигателем и шестеренной коробкой скоростей.

В шлифовальных, а также специальных (например, высокоскоростных фрезерных) станках применяется схема с электрошпинделем, когда шпиндельный узел встраивается в статор электродвигателя переменного или постоянного тока.

В ПГД бесступенчатого регулирования применяется схема с регулируемым электродвигателем постоянного тока

Кинематический расчет привода имеет свои особенности в зависимости от типа привода – ступенчатого или бесступенчатого регулирования.

При ступенчатом регулировании ряд частот вращения целесообразно строить по геометрическому закону. Он позволяет не только обеспечить постоянный перепад скоростей резания при переходе с одной частоты на другую, но и нормализовать значения частот вращения и передаточных отношений в пределах всего ПГД [4,5].

5.2. Исходные данные для кинематического расчета

Исходными данными для кинематического расчета являются:

· Число ступеней регулирования z. Число ступеней регулирования обычно задается в задании на проектирование. Обычно оно представляет собой число, разлагающееся на множители 2 и 3, и чаще всего имеет значения 6, 8, 9, 12, 16, 18, 24;

· Предельные значения частот вращения на выходе ПГД n_min и n_max. Отношение максимальной и минимальной частот вращения представляют собой диапазон регулирования ПГД:

R = n_max / n_min (2)

Эти значения определяют в результате расчета режимов резания (таблица 2);

· Значение знаменателя ряда частот вращения φ. Значения φ стандартизованы и равны 1.06; 1.12; 1.26; 1.41; 1.58; 1.78; 2.0. В станках средних размеров применяют значения 1.26 и 1.41; значение 1.12 применяется, когда требуется более точная настройка на заданный режим; в приводах со сменными колесами рекомендуются значения 1.06, 1.12, 1.26.

Между величинами z, n_max, n_min, и φ cуществует соотношение

φ = (n_max/n_min)^{z -1} (3)

5.3. Выбор компоновки ПГД

Компоновка ПГД зависит от типа станка, класса точности. ПГД может выполняться совмещенным или разделенным. В совмещенном приводе шпиндельный узел (ШУ) и коробка скоростей размещаются в одном корпусе. В разделенном приводе – в разных корпусах, соединенных клиноременной или ременной передачей. Разделенный привод применяют в прецизионных станках (рис. 1).

Совмещенный привод выполняют как в станках с неподвижными шпиндельными бабками (ШБ) (токарные, сверлильные, координатно- расточные станки),

Рис.1. Компоновка разделенного

ПГД токарно-винторезного станка

так и перемещающимися (продольно-фрезерные, расточные) с двигателями фланцевого исполнения, размещаемыми на корпусе ШБ. Примеры компоновок совмещенного ПГД и схемы расположения групп передач приведены на рис. 2.

Рис.2. Схема расположения групп передач в совмещенных ПГД: а – токарного, б – сверлильного, в – вертикально-фрезерного станка

5.4. Выбор структуры привода ступенчатого регулирования

ПГД станков могут строиться на основе следующих кинематических структур:

· простой множительной;

· с двухскоростным электродвигателем;

· множительной с перекрытием части ступеней;

· множительной c ломаным геометрическим рядом;

· со сменными колесами;

· сложенной.

Критериями выбора структуры являются сочетание значений диапазона регулирования, числа ступеней регулирования, значения знаменателя ряда частот вращения.

5.4.1. ПГД с простыми множительными структурами

ПГД, построенные по простым множительным структурам, состоят из ряда параллельных валов с зубчатыми колесами, так что передачи между двумя соседними валами образуют группу передач. Произведение чисел передач равно числу ступеней регулирования (числу скоростей) всего привода:

z = p_a * p_b * p_c ^* ... p_z (4)

[x_a] [x_b] [x_c] [x_z]

В каждой группе передаточные отношения образуют геометрический ряд со знаменателем

φ_гр = φ ^х, (5)

где х – характеристика соответствующей группы передач.

Одна из групп передач принимается за основную (I) (ее характеристика х _I= 1), другая – за первую переборную (II) с характеристикой х_II = p_I, (p_I – число передач в основной группе), третья – за вторую переборную (III) с характеристикой х_III = p_{I *} p_II, (p_II – число передач в первой переборной группе), и т.д.

При выбранном конструктивном варианте привода (однозначном расположении сомножителей в формуле (4)) привод будет иметь различную кинематическую структуру в зависимости от того, какие характеристики будут присвоены группам передач.

Порядок расположения групп и их характеристики влияют на габариты привода. Анализ величин крутящих моментов на валах привода показывает, что наименьшие габариты привод будет иметь при условии p_a > p_b > p_c > ... >p_z и x_a > x_b > x_c, т.е. при условии расположения большего количества передач ближе к входу привода и увеличении значений характеристик групп в том же порядке.

Пример. Для привода с z = 18 оптимальной будет структура

Z = 3 * 3 * 2 = 18

[1] [3] [9]

По условию минимальных габаритов ПГД на простых множительных структурах целесообразно строить при соотношениях кинематических параметров привода, указанных в таблице 3.

Таблица 3

Предельные значения кинематических параметров ПГД на простых множительных структурах

5.4.2. ПГД с двухскоростным электродвигателем

Структура привода с двухскоростным электродвигателем является частным случаем простой множительной структуры. Двухскоростной электродвигатель можно рассматривать как электрогруппу с числом передач р_э=2 и характеристикой х_э. Структурная формула такого привода имеет вид:

z = р_{э *} p_{a *} p_{b *}... p_z (6)

[x_э] [x_а] [x_b] [x_z]

Так как в ПГД применяются двухскоростные асинхронные электродвигатели с частотой вращения 750/1500, 1500/3000 об/мин, диапазон регулирования в пределах электрогруппы равен 2, т.е.

φ_э = φ ^Х_э =2, (7)

а характеристика электрогруппы х_э зависит от значения знаменателя ряда φ. При φ = 1,41 х_э=2, при φ = 1,26 х_э=3, при φ = 1,58 и 1,78 создание ПГД с двухскоростным электродвигателем невозможно.

Число передач основной группы у такого привода равно характеристике электрогруппы.

Пример. При z =12 и φ = 1,26 структурная формула привода имеет вид:

z = 12 = 2 * 3 * 2

[3] [1] [6]

5.4.3. ПГД с перекрытием части ступеней

В этом случае некоторые частоты вращения получаются при двух и более вариантах включения передач. Возможны два случая применения такой структуры:

· когда диапазон регулирования R превышает предельное значение более чем в 1,5 раза (таблица 3);

· диапазон регулирования R не превышает предельного значения, но округленное значение числа ступеней z не разлагается на множители 2 и 3.

Характеристика последней переборной группы X_z оказывается меньше, чем для простой множительной структуры.

Общее число ступеней регулирования ПГД составляет:

Z = z – (x_z – X_z)*(p_z -1) (8)

Рассмотрим возможные случаи построения структурной формулы привода.

Случай1. Рассчитанный диапазон регулирования R превышает предельное значение.

1.Записывается полученное или ближайшее выбранное значение z, разлагающееся на множители 2 и 3.

2.Записывается структурная формула простой множительной структуры для этого значения z со значениями характеристик:

z = p_{a *} p_{b *}... p_z

[x_а] [x_b] [x_z]

3. Характеристика x_z уменьшается до допустимого предельного значения X_z.

4.Определяется новое значение числа ступеней регулирования Z:

Z = z - (x_z – X_z)*(p_z -1), (9)

которое сравнивается с z.

5. Если Z отличается от z менее, чем на 1, следует откорректировать структурную формулу в соответствии с измененной характеристикой X_z.

6. Если Z превышает z на единицу и более, следует увеличить число передач в основной группе на 1 и повторить расчет, начиная с п2.

Случай 2. Рассчитанный диапазон регулирования R не превышает предельного значения, но округленное число z не разлагается на множители 2 и 3.

1.Находится ближайшее значение Z, разлагающееся на множители 2 и 3.

2.Записывается структурная формула простой множительной структуры для этого значения Z со значениями характеристик:

Z = p_{a *} p_{b *}... p_z

[x_а] [x_b] [x_z]

3. Значение характеристики x_z уменьшается до значения

X_z = x_z – (Z – z)/(p_z -1) (10)

4. Скорректировать структурную формулу в соответствии с изменой характеристикой X_z:

z = p_{a *} p_{b *}... p_z

[x_а] [x_b] [X_z]

Пример. Составить структурную формулу привода с перекрытием ступеней регулирования при R = 80 и φ = 1,26.

Решение.

1.Число ступеней регулирования z = (lg80/lg1,26) +1 = 20.04.

2. Найдем ближайшее число, разлагающееся на множители 2 и 3: z = 24.

3. Структурная формула для простой множительной структуры:

z = 3 * 2 * 2 * 2 = 24 или z = 4 * 3 * 2 = 24

[1] [3] [6] [12] [1] [4] [12]

4. Согласно таблице 3 предельное значение характеристики последней группы передач равно 9.

5. Определим новое число ступеней регулирования согласно формуле (9):

Z = 24 – (12 – 9)/(2 -1) = 21.

6. Числа Z (21) и z (20.04) отличаются менее чем на 1, поэтому увеличивать число передач не требуется. Окончательно структурную формулу получаем в виде:

z = 3 * 2 * 2 * 2 = 24 или z = 4 * 3 * 2 = 24

[1] [3] [6] [9] [1] [4] [9]

5.4.4. ПГД c ломаным геометрическим рядом

Структура с ломаным рядом характеризуется наличием в пределах ряда частот вращения двух значений знаменателя: φ - в середине диапазона и φ² – по краям диапазона. В результате число ступеней такого ряда становится меньше, чем при простой множительной структуре и том же диапазоне регулирования.

Структурная формула для привода с ломаным рядом:

z = p_{a *} p_{b *}... p_z (11)

[1+u] [x_b] [x_z]

Обычно u = 1.

Число ступеней регулирования для для получения ломаного ряда подсчитывается по формуле:

z = (lgR/lgφ) + 1 – U*(p_a – 1) (12)

Структурная формула для привода с ломаным рядом составляется в такой последовательности:

· по формуле (12) находят число ступеней регулирования (р_а = 3 или 4, u = 1);

· полученное значение округляют до ближайшего числа, кратного 2 и 3, и записывают структурную формулу согласно (11) с учетом условия p_b ≠ 1 + u.

Пример. Составить структурную формулу привода с ломаным рядом при R = 80 и φ = 1.26.

Решение.

1.Число ступеней регулирования при р_а = 3, u= 1:

z = lg80/lg1.26 + 1 -1*(3 - 1) = 18.04 ≈18.

2. Структурная формула:

z = 3 * 3 * 2 = 18.

[2] [3][9]

5.4.5. ПГД со сменными колесами

Сменные колеса делают обратимыми, т.е. колеса одной пары можно менять местами, получая два различных передаточных отношения. Это позволяет сократить число колес. В станкостроении приняты три значения межцентрового расстояния для однопарных гитар сменных колес: А₁ = 36 m, A₂ = 45 m, A₃ = 60m, где m – модуль зубчатых колес. Исходя из этого, сумма чисел зубьев сменных колес может быть

∑z = z _a + z _b = 2*A/m = 72, 90, 120.

Числа зубьев сменных колес нормализованы (Приложение 2).

На графике частот вращения для привода с парносменными колесами лучи этих передач располагаются симметрично (рис 10).

Рис.3 Схема ПГД со сменными колесами

5.4.6. ПГД со сложенной структурой

Сложенная структура представляет собой сумму двух или более множительных составляющих структур. В таком приводе на выход движение может передаваться обычно по двум самостоятельным кинематическим цепям, одна из которых используется для получения верхних частот вращения, другая – для нижних частот диапазона.

Примером может служить структура, показанная на рис. 4.

Число ступеней регулирования рассчитывается по формуле:

z = z₀ (z₁ + z₂) = z₀ z₁ + z₀ z₂, (13)

Рис.4 Схема привода со сложенной

структурой

где z₀ – число ступеней регулирования общей части привода; z₁ - число ступеней быстроходной части; z₂ - число ступеней тихоходной части.

Каждое из произведений в формуле (13) должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к простым множительным структурам. Примеры структурных формул ПГД со сложенной структурой:

z = 3 * 2 * (2 + 2 * 2) = 36;

[1] [3] [6] [6] [12]

z = 2 * 2 * (3 + 2 * 2) = 36.

[1] [2] [4] [4] [8]

Наиболее часто встречается вариант, когда z₁ = 1, т.е. в быстроходной части отсутствуют групповые передачи. Тогда

z = z₀ (1 + z₂) (14)

Примером такой структуры является перебор, широко применяемый в ПГД токарных и фрезерных станков. Структурная формула для сложенной структуры составляется в такой последовательности:

1. Находят число ступеней z и округляют его до целого числа.

2. Разлагают полученное число на множители и выделяют из них один, выражающий сумму (z₁ + z₂). Его принимают равным 2, если z разлагается только на 2 и 3; 3 - если z разлагается только на 3; числу, отличному от 2 и 3 – если оно есть в разложении.

3. Сумму (z₁ + z₂) разбивают на слагаемые, стремясь к тому, чтобы одно из них было равно 1, а другое разлагалось на 2 и 3.

4. Записывают структурную формулу.

Если характеристика одной из групп превысит допустимое значение, следует перейти к комбинированной структуре – сложенной с перекрытием.

Пример. Составить структурную формулу для привода с R = 80 и φ =1.26.

Решение.

1.Число ступеней регулирования z = (lg80/lg1,26) +1 = 20.04 ≈20.

2.Разлагаем число 20 на множители: 20 = 2 * 2 * 5. Принимаем:

5 = (z₁ + z₂); 2 * 2 = z₀.

3. Разбиваем число 5 на слагаемые. Из двух возможных вариантов

5 = 1 + 2 * 2 или 5 = 2 + 3 предпочтительнее первый, так как в этом случае быстроходная часть привода содержит меньше валов.

4. Структурная формула:

z = 2 * 2 (1 + 2 * 2)

[1] [2] [4] [8]

Характеристики не превышают допустимых значений.

5.4.7. ПГД с двигателем постоянного тока

В ПГД станков с числовым программным управлением (ЧПУ) применяются электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением. В сочетании с тиристорным преобразователем такой привод обеспечивает двухзонное регулирование скорости: вниз от номинального значения за счет изменения тока в якоре, вверх – за счет изменения магнитного потока возбуждения. При этом в первой зоне регулирование осуществляется с постоянным моментом, во второй зоне – с постоянной мощностью. Так, с тиристорным преобразователем типа ПТ–3Р диапазон регулирования составляет: вверх от номинального значения скорости R = 2.5:1, вниз от номинального значения – R = 1:10. Однако указанного диапазона регулирования может оказаться недостаточно, в этом случае в состав ПГД включают шестеренную коробку скоростей.

Такое регулирование обеспечивает бесступенчатую настройку частот вращения в автоматическом режиме (по программе или от пульта ЧПУ). При управления от ручного пульта частота вращения изменяется перестановкой ступеней регулятора, и ДПТ можно рассматривать

рассматривать как группу передач.

Число ступеней регулирования такого привода:

z = p_э * z _кс, (15)

где р – число ступеней скорости ДПТ, z _кс – число ступеней коробки скоростей.

Диапазон регулирования привода

R_n = R_э * R_кс (16)

ДПТ позволяет обеспечить бесступенчатое регулирование R_э при ступенчатом регулировании R_кс:

R_n = φ ^{z – 1} (17)

R_э = φ ^p_э ^-1 (18)

Для выбранных значений z, φ, R_n, R_э число ступеней регулирования ДПТ (число ступеней регулятора) определяется по формуле:

р_э = 1 + (lgR_э/lg φ), (19)

а число ступеней регулирования коробки скоростей – по формуле:

z_кс = z/p_э = lg(R_n * φ)/lg(R_э * φ) (20)

Подсчитанные значения z_кс и р_э округляются до целых чисел и корректируются значения R_n и z. По значению z_кс проектируется кинематическая схема коробки скоростей.

Пример. Выполнить кинематический расчет ПГД электромеханического регулирования по следующим исходным данным: z =24, φ = 1.26, n₁ = 16 об/ мин, n₂₄ = 3150 об/мин; номинальная частота вращения ДПТ 1500 об/мин.

Решение. Привод ПТ – 3Р обеспечивает регулирование скорости ДПТ в диапазоне R_э = 25, поэтому по формуле (19) число ступеней регулятора равно:

р_э = 1 + (lg25/lg 1.26) = 15.

Число ступеней регулирования коробки скоростей по формуле (20):

z_кс = lg[(3150/16)*1.26] /lg(25*1.26) = 1.5.

Округляем значение z_кс до 2, что означает необходимость применения двухскоростной коробки скоростей. КС такого ПГД показана на рис. 5.

Рис. 5. Кинематическая схема ПГД

с двигателем постоянного тока и коробкой скоростей

5.5. Разработка кинематической схемы (КС)

КС намечают в соответствии со структурной формулой проектируемого привода. При этом необходимо учитывать компоновку станка. Так, у токарных станков шпиндель расположен горизонтально, опоры разнесены далеко, поэтому шпиндельная бабка имеет значительные осевые размеры. Здесь часто применяют последовательное расположение групп передач. В то же время у сверлильных станков при небольшой длине вертикально расположенных валов имеет обычно значительный размер в горизонтальном направлении. У фрезерных станков валы ПГД часто размещаются в корпусе стойки, и привод компонуется в соответствии с ее формой (рис. 2).

При разделенном приводе коробка скоростей выполняется в виде автономного узла, монтируемого в станине или стойке, от которого через ременную или передачу движение передается на шпиндельную бабку, в которой размещается шпиндельный узел (изолированно или с перебором). Такая схема встречается как у токарных, так и фрезерных станков (рис. 1).

Электродвигатель может быть двоякого исполнения: на лапах или с фланцем. В большинстве случаев используются двигатели первого исполнения с установкой в станине или стойке станка на подмоторной плите. От него движение передается через ременную или клино-ременную передачу на коробку скоростей. Двигатели второго исполнения целесообразнее применять в перемещающихся шпиндельных бабках (сверлильные, бесконсольно-фрезерные, продольно-фрезерные, расточные станки). В таком случае за двигателем следует одиночная зубчатая передача.

На входе коробки скоростей размещается механизм реверса. В токарных, радиально-сверлильных станках он выполняется с фрикционными муфтами. В приводах мощностью до 4 квт можно применять реверсирование двигателем.

По конструктивным соображениям среди групповых передач или между коробкой скоростей и шпиндельной бабкой располагаются одиночные передачи. В вертикально-фрезерных станках на выходе коробки скоростей через коническую зубчатую передачу движение передается с горизонтального вала на вертикальный шпиндель. Это позволяет применять поворотную головку, а также унифицировать приводы вертикально- и горизонтально-фрезерных станков. Иногда одиночная понижающая зубчатая передача с предельным передаточным отношением располагается в конце кинематической цепи.

Переключение зубчатых передач производится: c помощью передвижных блоков зубчатых колес, перемещаемых гидроцилиндрами или механизмами ручного переключения, с помощью кулачковых или электромагнитных муфт.

Для повышения плавности вращения шпинделя цилиндрические зубчатые колеса, не объединенные в передвижные блоки, целесообразно выполнять косозубыми. Особенно это относится к колесам, расположенным на шпинделе. Большее колесо на шпинделе следует размещать ближе к передней опоре.

Пример КС для привода со структурной формулой z = 18 = 3 * 3 * 2 показан на рис.6.

Рис.6. Кинематическая схема коробки скоростей токарно-винторезного станка

5.6. Выбор электродвигателя

В ПГД МРС применяются асинхронные электродвигатели переменного тока и двигатели постоянного тока.

5.6.1. Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели (АД) имеют ряд достоинств: относительная дешевизна, высокие энергетические показатели, простота обслуживания – обусловивших их широкое распространение. Основной массовой серией АД является серия 4А. Серия включает основное исполнение, ряд модификаций и специализированные исполнения. АД основного исполнения предназначены для нормальных условий работы. К модификации АД серии 4А относятся в частности многоскоростные АД.

Конструктивным решением АД является станина с продольными радиальными ребрами и наружный обдув установленным на валу реверсивным центробежным вентилятором, защищенным кожухом, служащим одновременно для направления воздушного потока. Основные технические данные одно- и двухскоростных АД серии 4А приведены в приложениях 3,4. Габаритные, установочные и присоединительные размеры АД приведены в [7].

5.6.2. Двигатели постоянного тока

В настоящее время основной серией электрических машин постоянного тока является серия 2П. Эти двигатели имеют независимое электромагнитное возбуждение, частота вращения вала регулируется изменением напряжения в якоре в сторону уменьшения от номинального значения и ослаблением магнитного потока возбуждения – в сторону повышения. Они питаются от источника постоянного тока или от тиристорного преобразователя переменного тока. Имеют средний срок службы 12 лет, средний ресурс – 30 000 часов.

В обозначении ДПТ указываются: серия (2П), исполнение по способу защиты и вентиляции (Н – защищенное с самовентиляцией), высота оси вращения вала в мм (132…225), условное обозначение длины сердечника якоря (М – средняя, L - большая).

. Основные технические данные ДПТ серии 2П приведены в приложении 5. Габаритные, установочные и присоединительные размеры АД приведены в [7].

5.6.3. Расчет мощности электродвигателя

Мощность электродвигателя рассчитывается по формуле:

N_эдв = N_эфф / (1.25* η), (21)

где N_эфф – максимальное значение мощности согласно таблице 2; η – коэффициент полезного действия ПГД, определяемый согласно КС или принимаемым равным 0.7 … 0.85.

Если в проектируемом приводе предусматривается только один двигатель, следует учесть мощность, расходуемую цепях подач и вспомогательных движений. Мощность, потребная на подачу, можно принять: для токарных станков 3…4 %, сверлильных - 4…5 %, фрезерных – 15…20 % от мощности привода главного движения.

Затем по рассчитанной мощности N_эдв из приложения 3,4 и [7] выбирается марка электродвигателя и выписывается его техническая характеристика. С целью уменьшения габаритов привода целесообразно частоту вращения двигателя принимать близкой к максимальной частоте вращения шпинделя.

Для проверки правильности принятого решения следует сравнить характеристики выбранного двигателя и двигателя ПГД станка-аналога.

5.7. Построение структурной сетки

Для построения структурной сетки (СС) следует согласно п.3.3.3.1 определить характеристики групп передач, т.е. присвоить каждой группе передач статус основной (I), первой переборной (II), второй переборной (III) и т.д. В соответствии с этим при р групп передач можно получить р! вариантов СС.

СС представляет собой графическое изображение порядка включения передач привода с данной структурой. СС всегда симметрична.

На СС передачи изображаются симметричными лучами, расходящимися на число интервалов, равное характеристике данной группы в соответствии с таблицей 4.

СС строится в следующем порядке.

а) На равных расстояниях друг от друга проводят горизонтальные линии (на одну больше числа передач в приводе);

б) проводят через равные интервалы вертикальные линии в количестве, равном числу ступеней привода; расстояние между ними соответствует lgφ, так как для геометрического ряда lgn_z = lg n_z-1 + lgφ;

Таблица 4

Параметры структурной сетки

в) в центре верхней горизонтальной линии намечают исходную точку (скорость вала двигателя); при нечетном значении z ее лучше выбрать в узле (на пересечении горизонтальной и вертикальной линий), при четном значении z – в середине интервала между вертикальными линиями;

г) из исходной точки симметрично проводят вниз до второй горизонтальной линии р_а лучей, расходящихся на число интервалов, равное характеристике этой группы; эти лучи изображают передачи группы р_а;

д) из каждой точки на второй горизонтальной линии симметрично проводят по р_в лучей, расходящихся на число интервалов, равное характеристике группы р_в; эти лучи изображают передачи группы р_в.

Подобное построение выполняется для последующих групп привода. Для привода со сложенной структурой вначале строят СС для тихоходной части привода (с большим числом передач), затем пристраиваются лучи, изображающие передачи быстроходной части привода.

СС может строиться и в вертикальном положении.

Как видно, для построения СС необходимо правильно определить характеристики групп передач. Рассмотрим некоторые примеры определения характеристик групп передач.

Примеры. а) ПГД со структурной формулой z = 12 = р_а * р_b * р_c =

= 3 * 2 * 2.

Принимая структурный вариант, при котором р_а = I, р_b = II, р_c =III, получим значения характеристик групп передач: x_a = 1, x_b = 3, x_c = 6:

z = 3 * 2 * 2

[1] [3] [6]

Вариант СС, при котором р_а > р_b > р_c, и x_a < x < x_c, называют веерообразным. Он обеспечивает наименьшие габариты привода.

Принимая различные структурные варианты, можно получить СС другого вида.

б) ПГД с двухскоростным АД со структурной формулой z = 12 = = 2 * 3 * 2.

В этом случае значения характеристик зависят от величины выбранного знаменателя ряда:

При φ = 1.12 z = 12 = 2 [6] x 3[1] x 2[3]

При φ = 1.26 z = 12 = 2 [3] x 3[1] x 2[6]

При φ = 1.41 z = 12 = 2 [2] x 3[4] x 2[1]

При φ = 2 z = 12 = 2 [1] x 3[2] x 2[6]

При других значениях φ построение ПГД с двухскоростным АД по геометрическому ряду при данной структуре невозможно.

СС для ПГД с двухскоростным АД показаны на рис 7.

в) СС для ПГД со сложенной структурой приведены на рис. 8.

СС показывает соотношения между передаточными отношениями, но не их величину. Она используется для построения графика частот вращения.

Во избежание больших габаритов передач в коробках скоростей установлены предельные значения передаточных отношений:

1/4 ≤ U ≤ 2 (22)

Рис.7. Структурные сетки для ПГД с двухскоростным АД при z = 12 при различных значениях знаменателя ряда

Это означает, что наибольший диапазон регулирования в пределах группы передач не может превышать

R _пред = U _max/U_min = 8 (23)

Поскольку R _пред = φ ^{X max}, где x _max – наибольшее число интервалов, на которое расходятся лучи в данной СС, для различных значений φ величины x _max будут различными. Эти значения выбираются из таблицы 5.

Рис. 8. Структурная сетка для

ПГД со сложенной структурой

Из всех СС, построенных при данных значениях z и φ, для дальнейшего рассмотрения приемлемы лишь те, в которых наибольшее число интервалов, между концами лучей в любой группе передач не превосходит значений, указанных в таблице 5.

Таблица 5

Максимальное допустимое число интервалов, перекрываемых лучами на структурной сетке x _max в зависимости от знаменателя ряда φ

Если ни одна из построенных СС не отвечает этому условию, следует изменить значение φ или перейти к другому структурному варианту.

5.8. Построение графика частот вращения

Исходными данными для построения ГЧВ являются все значения частот вращения на выходе ПГД, кинематическая схема ПГД с указанием расположения одиночных передач, число оборотов электродвигателя, СС.

По условию (22) допустимое число интервалов, на которое могут расходиться лучи на ГЧВ при данном значении знаменателя ряда, ограничивается значениями, приведенными в таблице 6.

Последовательность построения ГЧВ рассмотрим на примере привода, имеющего СС согласно рис.8.

а) Строится поле ГЧВ аналогично полю СС с числом горизонтальных линий по числу валов привода;

Таблица 6

Допустимое число интервалов расхождения лучей на ГЧВ

б) на нижней горизонтальной линии (выходной вал привода) слева направо наносятся точки cо значениями частот вращения выходного вала от n₁ до n _z;

в) на верхней горизонтальной линии (вал электродвигателя) отмечают точку, соответствующую номинальной частоте вращения вала электродвигателя n_эдв;

г) проводится ряд лучей от точки n = 40 на валу VII к точке на валу I, выдерживая условие, что число интервалов, перекрываемых лучами, не превышало значений таблицы 6; эти лучи образуют левый край ГЧВ.

Далее согласно СС достраивают ГЧВ так:

- между валами II и III к левому лучу пристраивают вправо 2 луча, концы которых отстоят на 1 интервал;

- между валами III и IV к левому лучу пристраивают вправо 1 луч, конец которого отстоит на 3 интервала;

- из точек на валу IV проводят: согласно левой части СС 6 вертикальных лучей до вала VII; 6 лучей влево на вал V, расходящихся на допустимое число интервалов (при φ = 1.41 это число равно 6);

- из левых 6-ти точек V вала проводят до вала VI по 2 луча, расходящихся на 6 интервалов: правый луч вертикально, левый луч – через 6 интервалов;

- из левых 12 точек вала VI проводят вертикальные лучи до вала VII.

Правильность построения ГЧВ в этом случае проверяется по отсутствию пробелов и перекрытия на выходном валу. Полученный ГЧВ показан на рис.9.

Рис.9. График частот вращения ПГД со сложенной структурой

На рис. 10 показан ГЧВ для ПГД со сменными колесами, построенный по схеме рис.3.

В отличие от СС график частот вращения (ГЧВ) дает абсолютные значения передаточных отношений во всех передачах и частот вращения на всех валах при различных вариантах включения передач.

Рис.10. График частот вращения ПГД со сменными колесами

На ГЧВ понижающая передача изображается лучом, направленным сверху вниз налево, с передаточным отношением u = φ^-n, а повышающая передача изображается лучом, направленным сверху вниз направо, с передаточным отношением u = φⁿ, где n – число интервалов, перекрываемое данным лучом.

5.9. Расчет чисел зубьев зубчатых колес

Расчет чисел зубьев ведут по группам передач. В пределах каждой группы передач сумма чисел зубьев сопряженных колес должна быть одинаковой (что имеет место при одном модуле) и по условию наименьших габаритов привода не должна превышать 120.

Из ГЧВ получают передаточные отношения каждой передачи группы.

Один из вариантов расчета чисел зубьев следующий:

- согласно КС назначается число зубьев наименьшего колеса в группе передач z₁; оно должно быть не меньше 17;

- определяется число зубьев сопряженного с ним колеса z₂;

- подсчитывается сумма зубьев данной группы: z₁: z₂ = ∑z;

- число зубьев колес второй передачи группы получается из решения системы уравнений

z₃: z₄ = u₂

z₃ + z₄ = ∑z (24)

Аналогично определяется число зубьев колес третьей передачи и т.д.

При этом следует учесть возможность размещения зубчатого колеса на валу. Для этого необходимо предварительно определить диаметр вала по формуле:

d = 0.35 (Т_р)^1/3 (25)

Как правило, входной вал привода имеет диаметр, примерно равный диаметру вала электродвигателя.

Пример. Из ГЧВ получены следующие значения передаточных отношений для передач группы: u_min =0.5, u_ср = 0.633, u_max = 0.794. Определить числа зубьев колес данной группы.

Решение. Примем: u_min=z₁:z₂; u_ср=z₃:z₄; u_max=z₅:z₆. Зададим число зубьев наименьшего колеса z₁=20. Тогда z₂= z₁ / u_min = 20/0.5=40; ∑z=20+40=60. Составим систему уравнений: z₃:z₄ = 0.633; z₃ + z₄ =60; z₅:z₆ = 0.794; z₅ + z₆ =60; Решая систему, получаем: z₃=23; z₄=37; z₅ =27; z₆=33.

Числа зубьев можно определить и другими способами [4,5]. Полученные значения чисел зубьев наносят на КС и проверяют получаемые значения частот вращения на выходе ПГД. Для этого составляют уравнения кинематического баланса для всех вариантов включения передач и подсчитывают фактические значения частот вращения шпинделя n_факт от минимального до максимального_.. Значения n_факт сопоставляют со значениями нормального ряда. Отклонения не должны превышать значения:

(n_факт – n_норм)/ n_норм = ±10(φ – 1)% (25)

В случае невыполнения условия (25) значения чисел зубьев колес изменяются при сохранении суммарного их значения в группах передач.

6. СИЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПГД

Далее приводятся методики расчета зубчатых передач, и валов ПГД, имеющие отличительные особенности. Такие расчеты, как подбор подшипников промежуточных валов, расчет одиночных передач (клиноременных и ременных) следует выполнять по [9]. Выбор конструктивной схемы и конструкцию опор шпиндельного узла следует производить по [10].

6.1. Расчет зубчатых передач

6.1.1. Особенности расчета зубчатых передач ПГД

Особенности расчета зубчатых передач состоят в следующем:

- в отличие от расчета зубчатых передач редукторов основной расчетной величиной является модуль;

- модуль рассчитывается отдельно для каждой одиночной и наиболее нагруженной передачи каждой группы;

- основным критерием расчета является выносливость поверхностных слоев зубьев (контактная прочность);

- при расчетах оперируют передаточными отношениями, а не числами;

- числа зубьев определяются до расчета модуля;

- ширина зубчатых колес принимается наименьшей;

- допускается применение нестандартных значений межосевых расстояний.

С учетом этих особенностей проектный расчет модуля для отдельной передачи ведется по формуле:

m = k_d/z_ш * [(k_Hβ*(z_k + z_ш)* u_min* cos²β * M_kp) / (ψ_m * [σ_н]² )]^1/3, (26)

где m – модуль, м; k_d – коэффициент, учитывающий механические свойства материала и форму боковых поверхностей зубьев; z_к, z_ш - числа зубьев шестерни и колеса рассчитываемой передачи с передаточным отношением u_min; k_Hβ – коэффициент, учитывающий влияние перекоса валов, выбирается по таблице 7; β – угол наклона зубьев колеса; ψ_m –коэффициент ширины колеса; [σ_н] – допускаемое контактное напряжение, Па; M_kp – расчетный крутящий момент на ведущем валу данной группы, Н*м.

6.1.2. Определение расчетного крутящего момента

Расчетный крутящий момент на ведущем валу данной группы передач определяется по формуле:

Т_р = 9740 * (K₁ * K₂ * N_эфф * η) / n_p, (27)

где Т_р - расчетный крутящий момент, н*м; К₁ = 1.3 - коэффициент перегрузки при резании (характерен для сверлильных станков, для остальных станков равен 1), К₂ – коэффициент перегрузки во время пуска и торможения или при ударном характере резания (см. таблицу 7); η - к.п.д. части привода, включая ведущий вал данной группы; n_p – расчетная частота вращения на данном валу, об/ мин.

Таблица 7

Значения коэффициента перегрузки в формуле (27)

Для всех групп передач, кроме последней, за расчетную следует при