Выбор электродвигателя. Кинематический расчет привода. Общий коэффициент полезного действия привода (КПД)

1.  Выбор электродвигателя. Кинематический расчет привода

Привод состоит из электродвигателя (1), муфты (2) и редуктора (3). В зависимости от задания редуктор может быть одноступенчатым (рис.1а), или двухступенчатым (рис.1б).

 

Рис. 1.1а

 

Рис. 1.1б

Электродвигатель является одним из основных элементов привода. В проектируемом приводе рекомендуется использовать трехфазные асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 4А.

Мощность электродвигателя зависит от требуемой мощности исполнительного механизма (мощности на ведомом валу редуктора), а частота вращения – от частоты вращения приводного вала исполнительного механизма.

Требуемая мощность электродвигателя P_дв, кВт:

                                                     (1.1)

где P_n – мощность на ведомом валу;

h₀ - общий коэффициент полезного действия привода (КПД)

,                                                (1.2)

где h_зп – КПД зубчатой передачи; h_пк – КПД пары подшипников качения; h_м – КПД муфты; i=1, k =2 – для одноступенчатого редуктора, i=2, k =3 – для двухступенчатого редуктора (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Значения КПД элементов механических передач

Элемент передачи	КПД
Пара цилиндрических зубчатых колес	0,96…0,97
Пара подшипников качения	0,99…0,995
Муфта	0,98

Электродвигатель выбирается по требуемой мощности из табл. 1.2 по величине, большей (иногда несколько меньшей), но ближайшей к требуемой мощности P_дв:

.                                              (1.3)

Каждому значению номинальной мощности Р_ном соответствует несколько типов двигателей с различными синхронными частотами вращения 3000, 1500, 1000, 750 об/мин. Необходимо отметить, что электродвигатели с большой синхронной частотой вращения (3000 об/мин) имеют низкий рабочий ресурс, а двигатели с низкими частотами (750 об/мин) весьма металлоемки, поэтому их использование в приводах общего назначения малой мощности не рекомендуется. Окончательный выбор оптимального типа двигателя зависит от исходных данных и производится из табл. 1.2 после определения передаточного числа редуктора.

Таблица 1.2

Двигатели асинхронные короткозамкнутые трехфазные серии 4А.

Технические данные

Рном,  кВт	Синхронная частота вращения, об/мин
	3000		1500		1000		750
	Тип двигателя	nном, об/мин	Тип двигателя	nном, об/мин	Тип двигателя	nном, об/мин	Тип двигателя	nном, об/мин
0,25	4ААМ56В2У3	2760	4ААМ63А4У3	1370	4ААМ63В6У3	890	4АМ71В8УЗ	680
0,37	4ААМ63А2У3	2740	4ААМ63В4У3	1365	4АМ71А6У3	910	4АМ80А8У3	675
0,55	4ААМ63В2У3	2710	4АМ71А4УЗ	1390	4АМ71В6У3	900	4АМ80В8У3	700
0,75	4АМ71А2У3	2840	4АМ71В4У3	1390	4АМ80А6У3	915	4АМ90LА8У3	700
1,1	4АМ71В2У3	2810	4АМ80А4У3	1420	4АМ80В6У3	920	4АМ90LВ8У3	700
1,5	4АМ80А2У3	2850	4АМ80В4У3	1415	4АМ90L6У3	935	4АМ100L8У3	700
2,2	4АМ80В2У3	2850	4АМ90L4У3	1425	4АМ100L6У3	950	4АМ112МА8У3	700
3,0	4АМ90L2У3	2840	4АМ100S4У3	1435	4АМ112МА6У3	955	4АМ112МВ8У3	700
4,0	4АМ100S2У3	2880	4АМ100L4У3	1430	4АМ112МВ6У3	950	4АМ132S8У3	720
5,5	4АМ100L2УЗ	2880	4АМ112М4У3	1445	4АМ132S6У3	965	4АМ132М8У3	720
7,5	4АМ112М2У3	2900	4АМ132S4УЗ	1455	4АМ132М6У3	970	4АМ160S8У3	730
11	4АМ132M2У3	2910	4AM132M4У3	1447	4A160S6У3	970	4А160М8У3	727
15	4А160S2У3	2910	4А160S4У3	1455	4А160М6У3	970	4А180М8У3	731
18,5	4А160М2У3	2910	4А160М4У3	1455	4А180М6У3	980	-	-
22	4А180S2У3	2919	4А180М4У3	1470	-	-	-	-

Размеры электродвигателей (для графической части проекта) приведены на рис. 1.2 и в табл. 1.3.

1.2. Передаточное число редуктора определяется отношением номинальной частоты вращения электродвигателя n₁ к частоте вращения ведомого вала при номинальной нагрузке:

.                                                     (1.4)

Рис. 1.2. Электродвигатели серии 4А

Таблица 1.3

Электродвигатели серии 4А. Основные размеры, мм

Тип двигателя	Число полюсов	d30	l1	l30	d1	b1	h1
71A,B	2, 4, 6, 8	170	40	285	19	6	6
80A		186	50	300	22
80B				320
90L		208		350	24	8	7
100S		235	60	362	28
100L				392
112M		260		452	32	10	8
132S 132M	4, 6, 8	302	80	480 530	38
	2, 4, 6, 8
160S	2	334	110	630	42	12
	4, 6, 8				48	14	9
160M	2			660	42	12	8
	4, 6, 8				48	14	9
180S	2	375		630	48	14	9
	4				55	16	10
180M	2			680	48	14	9
	4, 6, 8				55	16	10

Для двухступенчатого редуктора общее передаточное число

,                                             (1.5)

,                                           (1.6)

где и₁ – передаточное число первой (быстроходной) ступени, и₂ - второй (тихоходной).

Передаточные числа одноступенчатых редукторов рекомендуется принимать согласно ГОСТ 21426 – 75 (табл. 1.4)

Таблица 1.4

Передаточные числа цилиндрических зубчатых редукторов и их ступеней

Редукторы
Одноступенчатые, uР	Двухступенчатые трёхосные,
1,25	8=2´4
1,4	9»2,24´4
1,6	10=2,5´4
1,8	11,2=2,8´4
2,0	12,5»3,15´4
2,24	16»3,55´4,5
2,5	18=4´4,5
2,8	20»4,5´4,5
3,15	22,4»4,5´5
3,55	25=5´5
4,0	28=5,6´5
4,5	31,5=6,3´5
5,0	35,5»6,3´5,6
5,6	40»7,1´5,6
6,3	45»8´5,6
7,1	50»9´5,6
8,0

Примечание: фактическое передаточное число может иметь отклонение от номинальной величины до 4%.

Принято считать оптимальным для одноступенчатых редукторов u_Р £ 5; двухступенчатых u_Р £ 30.

Частота вращения валов (фактическая), мин^-1:

-  ведомого вала одноступенчатого редуктора ;

-  промежуточного вала двухступенчатого редуктора;

-  ведомого вала двухступенчатого редуктора .

1.4. Угловая скорость каждого из валов редуктора, с^-1:

.                                                                (1.9)

1.  Расчет зубчатых передач

2.1.  Выбор материалов зубчатых колес и термической обработки

Основным материалом для изготовления зубчатых колес в настоящее время является качественная углеродистая или низколегированная сталь марок 35, 40, 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. В мало- и средненагруженных передачах рекомендуется применять зубчатые колеса с твердостью материала £350 НВ. При этом обеспечивается высокая точность и низкая стоимость изготовления и хорошая прирабатываемость зубьев.

Для равномерного изнашивания зубьев и лучшей их прирабатываемости твердость шестерни назначается на (30¸50) НВ больше твердости колеса.

2.2.  Допускаемые напряжения

2.2.1. Допускаемые контактные напряжения.

Расчет на контактную прочность ведется по зубьям колеса, как менее прочным (твёрдым).

, (МПа),                                       (2.1)

где s_Н0 – предел контактной выносливости при пульсирующем (отнулевом) цикле напряжений, МПа; K_HL – коэффициент долговечности; S_H – коэффициент безопасности.

Таблица 2.1

Механические характеристики сталей

Марка стали	Термо-обработка	Твердость, НВ	sв, МПа	sт Н/мм2	s-1 Н/мм2
35	Н	163…192	550	270	235
40	у	192…228	700	400	300
45	Н	179…207	600	320	260
45	у	235…262	780	540	335
40Х	у	235…262	790	640	375
40ХН	у	235…262	800	630	380
35ХМ	У	235…262	800	670	380

В графе «Термообработка» приняты следующие обозначения: Н – нормализация, У – улучшение.

Для нормализованных, улучшенных и объемнозакаленных материалов передачи принимают

,                                                (2.2)

где НВ – твердость колеса в единицах Бринелля, S_H = 1,1 – коэффициент безопасности;

Коэффициент долговечности

,                                               (2.3)

где N_H0 =10⁷ – базовое число циклов перемены напряжений, соответствующее пределу выносливости; N – число циклов перемены напряжений за весь срок службы.

,                                             (2.4)

где L_h – срок работы передачи (ресурс), ч, при N>N_H0 принимают