Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ДГТУ)

Расчетно-графическая работа

По дисциплине «Детали машин и основы конструирования»

На тему: Конструирование простых винтовых устройств

Выполнил студент гр. ТТР4-1

Лавриненко И.В.

Проверил: Петров А.М.

Ростов-на-Дону

2013



Задание на расчетно- графическую работу

Задание 7- рисунок домкрат.

Вариант 9:

Осевое усилие Q=11 кН;

Тип резьбы - трапецеидальная;

Расчетная длина винта -lmax=220 мм



Оглавление

1. Составление и анализ структурной схемы домкрат

2. Конструирование винтов

2.1 Материалы для изготовления винтов

2.2 Определение формы винта

2.2.1 Определение размеров винтов в опасных сечениях

2.2.2 Проверка винта на устойчивость

2.2.3 Проверка условия самоторможения резьбы

3. Конструирование гаек винтовых устройств

3.1 Форма гайки и материалы для её изготовления

3.2 Определение размеров гайки

3.2.1 Определение наружного диаметра гайки

3.3 Определение размеров буртика гайки

3.3.1 Высота буртика

4. Конструирование чашки

5. Конструирование рукояток

5.1 Определение длины рукоятки и радиуса штурвала

5.2 Полная длина рукоятки

5.3 Определение диаметра рукоятки

6. Стопорные винты

7. Определение линейных размеров винта

8. Корпус домкрата

9. Коэффициент полезного действия винтового устройства

9.1 К.П.Д. винтового устройства

9.2 К.П.Д. винтовой пары

Список литературы



1. Составление и анализ структурной схемы домкрат

Критерии работоспособности винта (Рис. 1а ). Рабочий, прикладывая к рукоятке 5 усилие Рраб на расстоянии l от оси вращения, заставляет винт 1 вращаться в неподвижной гайке 2 и, преодолевая действие веса Q груза 6, поднимать его. Таким образом, гайка 2 относительно корпуса 3 неподвижна, винт 1 относительно гайки 2 - подвижен.

Рис. 1.1

В резьбе на длине свинчивания lсв винта 1 и гайки 2, витки резьбы винта давят на витки резьбы гайки (рис. 1.б) суммарным усилием Q и, т.к. винт вращается, на поверхностях стыка витков возникает момент сил сопротивления движению Тр.



Рис.1.2

Чашка домкрата 4, на которой лежит груз 6, относительно груза неподвижна. Но, так как винт 1 вращается, в плоскости стыка «а-а» чашки 4 и головки винта действует момент сил трения Топ, препятствующий движению.

Через чашку 4 на головку винта 1 по плоскости контакта «а-а» передается вес Q груза 6. С другой стороны, винт 1 опирается своими витками на длине свинчивания на витки резьбы гайки (рис.1.б.). Так как каждому действию есть равное и противоположно направленное противодействие, в витках резьбы гайки 2 возникает опорная реакция Q', направленная вверх и действующая на винт (рис.1.в). Поэтому участок винта между чашкой 4 и гайкой 2 сжат. Эпюра сжимающих сил Q приведена на рис. 1.в.

Для того, чтобы вращать винт, поднимая груз, нужно преодолеть трение на опоре Топ (плоскость «а-а») и сопротивление в резьбе Тр. С этой целью рабочий с помощью рукоятки создает момент



Траб = Рраб · l ? Топ + Тр

Получается, что винт нагружен, кроме сжатия, крутящим моментом Топ на участке между плоскостями «а-а» и «d-d» и Тр на участке между плоскостями «d-d» и «m-m» (рис. 1.в).

Осевая сила, сжимающая винт, уменьшается по мере увеличения числа витков резьбы гайки, на которые он опирается. Поэтому на эпюре Q (рис. 1.в) усилие, сжимающее винт, уменьшается на длине свинчивания lсв от максимума до нуля. Момент сопротивления в резьбе, зависящий от этого усилия, также уменьшается от максимума в плоскости «k-k» до нуля в плоскости «m-m». Таким образом, винт работает на сжатие с кручением.

Кроме того, т. к. винт-стержень, сжимаемый продольной силой, нужно проверить возможность потери им устойчивости при подъеме груза на заданную высоту.

2. 

2. Конструирование винтов

2.1 Материалы для изготовления винтов

Винты изготавливаются из сталей марок ст.4; ст.5; сталь 35. 40. 45. Эти материалы могут применяться нормализованными или улучшенными. При необходимости можно применять стали У10; 65Г; 40Х; 40ХН с объемной или поверхностной закалкой.

Применяю материал для винта сталь марки ст35.

2.2 Определение формы винта

Очевидно, что основной элемент конструкции винта 1 (рис. 4.1.а) - стержень с резьбой. В верхней части этого стержня должна быть головка с поперечным отверстием, в которое свободно вставляется рукоятка 5. На головку винта 1 опирается чашка 4. Во время работы домкрата винт вращается, а чашка нет.

Чтобы чашка не соскочила с винта, из головки должна выступать ось для неё. Эскиз винта - рис. 2.1.



Рис.2.1

Обратите внимание: для того чтобы выполнить такой эскиз, нужны лишь соотношения размеров деталей: один больше, а другой должен быть меньше диаметра d резьбовой части стержня винта.

Некоторые особенности конструкций винтов, задаваемых для разработки механизмов.

Для того, чтобы чашка 4 не потерялась при хранении домкрата на торце Б винта также закрепляется шайба. Но при этом чашка 4 не должна быть жестко зафиксирована на винте 1. Поэтому высота оси чашки должна быть больше толщины её дна на 1,5-2мм; dо=10…16мм.

Рис. 2.2



При нарезке резьбы на винте 1 нужно обеспечить выход инструменту (рис. 2.2). Иначе или инструмент будет поломан, или во время работы гайка заклинится и резьба её будет повреждена.

Диаметр канавки dк берется равным внутреннему диаметру резьбы.

Ширина канавки bк =(2..5)мм. А размер bп = (2…3)мм.

Диаметр переходного участка dп = d или на несколько миллиметров больше.

Dг= (1,5…1,8)d - диаметр головки винта.

2.2.1 Определение размеров винтов в опасных сечениях

Основным параметром винта является диаметр его в опасном сечении. Опасным сечением является сечение, в котором диаметр винта должен быть наименьшим.

Как установлено при анализе структурной схемы, винты работают на сжатие (растяжение) и кручение. Из условия прочности по этим видам деформаций:

;

где А - площадь винта в опасном сечении;

- допускаемое напряжение при расчете на сжатие (растяжение);

, МПа.;

уТ - предел текучести, выбранного для изготовления винта материала;

n =(3..5) - коэффициент запаса прочности.

Коэффициент запаса прочности назначается в зависимости от степени опасности последствий отказа винта. Очевидно, что в случае съемника для втулок коэффициент запаса можно взять меньше, а в случае домкрата - больше. Полученное значение допускаемого напряжения нужно округлить до целого числа в меньшую сторону.

Для стали 40

тогда

наименьший диаметр винта , мм

где К - коэффициент, учитывающий скручивание винта;

Так как винт скручивается суммарным моментом в резьбе и опоре, тогда К=1,3

Наименьший диаметр винта

Принимаем внутренний диаметр резьбы .

Наружный диаметр резьбы d =20 мм.

Средний диаметр резьбы d2 =18.376 мм

шаг резьбы- ; P= примем по ГОСТу 8724-81 P=2,5 мм

По ГОСТу 9150-81 определим высоту исходного профиля резьбы: H=0.866025*P=0.866025*2.5=2,1650 мм

Площадь винта

Тогда

, условие выполняется.



2.2.2 Проверка винта на устойчивость

Если винт сжат, то при гибкости л?55 его необходимо проверить на устойчивость.

где м - коэффициент приведения длины, учитывающий закрепление винта в опорах;

Так как один конец винта свободен, второй направляется гайкой, тогда м= 2;

lmax=120 мм - максимальная высота подъёма винта или наибольшее расстояние от гайки до торца винта по ГОСТу 17473-80*

- радиус инерции сечения винта.

где ,

тогда

Найдем гибкость:Условие устойчивости при действии сжимающих нагрузок

где - допускаемое напряжение при расчете винта на сжатие (см. выше);

ц - коэффициент понижения допускаемого напряжения.

Величина ц принимается по таблице 5.1[1] в зависимости от гибкости винта л. Тгода

Найдем МПа

=85*0,89=75.65 МПа.

Условие устойчивости выполняется .

2.2.3 Проверка условия самоторможения резьбы

Резьбы, применяемые в рассматриваемых конструкциях, должны быть самотормозящимися. Иначе, как только рабочий перестает воздействовать на рукоятку, винт может начать вращаться в обратную сторону. Чтобы этого не случилось, должно выполняться условие ц ? с'

Рис. 2.3

где - угол подъёма резьбы;

P и d2 - шаг и средний диаметр резьбы;

- приведенный угол трения в резьбе;

б - угол наклона рабочей грани витка резьбы (рис. 2.3 в качестве примера трапецеидальная резьба);

- коэффициент трения в резьбе;

Принимаем fmin=0,1, что соответствует слабой смазке.

Угол наклона рабочей грани:

б=30є - метрическая резьба.

Угол подъема резьбы:

град

Приведенный угол трения в резьбе:

град

Условие ц ? с выполняется.

3. 

3. Конструирование гаек винтовых устройств

3.1 Форма гайки и материалы для её изготовления

гайка винтовой домкрат

Из анализа структурной схемы ясно, что витки резьбы винта опираются на витки резьбы гайки и при этом винт вращается. Гайка, чаще всего, вставляется в корпус механизма и под действием нагрузки висит на буртике (рис. 3.1.). Она выполняется как отдельная деталь из антифрикционного материала (рис. 3.2). Применяются бронзы (ОФ10-1; БрОЦС 5-5-5; БрАЖ 9-4 и др.). При небольших нагрузках могут быть использованы антифрикционные чугуны (АЧС-1; АЧС-2 и др.) или серые чугуны (СЧ-15; СЧ-18).

Если нужно с гайкой связать конструктивные элементы: рукоятки (рис. 3.3) или пальцы (рис 3.4), гайки делают либо целиком стальные (ст.3; стали 20, 30), либо из дешевой стали выполняют корпус, в который вставляют гайку, выполненную из бронзы или чугуна.

Принимаем материал гайки ст. 20

3.2 Определение размеров гайки

Определение высоты гайки

Высота гайки Hг=Р·Z, мм

где Р - шаг резьбы; P=2.5 мм

Z - число витков резьбы гайки.Z=10

Тогда высота гайки

Число витков резьбы определяется из расчета на смятие

где Асм - площадь контакта одного витка резьбы винта и витка резьбы гайки (рис. 3.2)

, мм2

Определим (

]=7 МПа, так как витки винта движутся по виткам гайки, давление на поверхность контакта не должно быть большим, чтобы не выдавливалась смазка. Поэтому [усм] ограничивается.

Условие выполняется, так как ].

Рис. 3.1

Рис. 3.2



Рис. 3.3

Рис. 3.4

Поскольку, как известно, лишь 8-10 витков резьбы гайки воспринимают осевую нагрузку, делать Z больше не имеет смысла. Поэтому

Если Z' получается больше 10, то нужно увеличить диаметр резьбы и повторить расчет. Полученное число витков Z' проверяется на срез по плоскости «а-а» (рис. 3.2 б)

Где D=16 мм;

=13 МПа, так как сталь по стали.

Определим число витков:Принимаем число витков гайки Z=10

Проверка условия самоторможения резьбы

,

где [фср]=(0,2…0,3)ур - для стальной гайки; [фср]=0.3*36.43=10.929 МПа

kр - коэффициент полноты резьбы:

kр=0,76 для упорной резьбы;

Осевое усилие Q=11 кН;

Шаг резьбы P=2.5 мм;

Средний диаметр резьбы мм;

Число витков Z=10.6

Тогда МПа

Условие выполняется фср? [фср].

3.2.1 Определение наружного диаметра гайки

Поскольку гайка висит на буртике, возможен разрыв её по плоскости «в-в» (рис. 3.1). Из условия прочности на растяжение с кручением

.

и площади сечения гайки

, мм.

где [ур]= - для стальных и бронзовых гаек;

n - 2,5…3,5 - коэффициент запаса прочности;

k =1,3- коэффициент, учитывающий скручивание.

[ур]=

.

Для удобства изготовления и нормальной эксплуатации толщина тела гайки должна быть не менее 5мм, поэтому должно быть

+10мм.

30 мм

Площадь сечения гайки: мм2.

Тогда

Условие прочности на растяжение с кручение выполняется

3.3 Определение размеров буртика гайки

Наружный диаметр.

На кольцевой поверхности контакта буртика гайки и корпуса возникают напряжения смятия. Поэтому

.

Отсюда

, мм.

Здесь [усм] = 0,8ут т.к. контактирующие детали неподвижны.

Диаметр буртика:

На входе в расточку корпуса (рис. 3.1) для того, чтобы удобнее было вставлять гайку, выполняется фаска. Поэтому ширина опорного кольца буртика не может быть меньше 5мм.

С учетом этого Dб ?Dнг+10мм.

Dб30+10

Dб=40 мм;

Напряжение смятия:

Условие напряжение смятия выполняется:

3.3.1 Высота буртика

Высота буртика определяется из условия прочности его на срез по плоскости «с-с» (рис. 3.2 а).

.



где [фср] = 20…25 Мпа для стали;

Q=11 мм- осевое усилие;

=(0.5…0.6)*Hг=0.6*25=15 мм-высота буртика гайки;

=20 мм -наружный диаметр гайки.

Тогда =11.67 МПа.

Условие прочности выполняется

4. 

4. Конструирование чашки

Конструкция чашки - рис. 4.1.

Материалы: сталь ст.3, 20, 20Л т.п.

Принимаем материал чашки ст. 20

Принять: Dн =d0 +(2…3)мм и округлить до целого четного значения.

Dн=16+3=18 мм

Dопн=(1,5…2) dотв.

Dопн=1.5*18=27 мм

Dвн =Dопн +(2…3)мм

Dвн=27+3=30 мм

Рис. 4.1.

Толщина шайбы -2-3мм.

Принимаем толщину шайбы 3 мм.

Диаметр dн определяется из расчета на смятие

;

где [усм]= (13…15)Мпа т.к. контактирующие поверхности подвижны относительно друг друга.

=

Диаметр головки винта:

Dг= (1,5…2)d,

где d - диаметр винта.

Dг=

k=(2…3)мм (рис. 4.1.).

Толщиной стенки удобнее задаться, а потом проверить её на прочность. По условиям изготовления и эксплуатации д ? (6...8)мм для точеных чашек.

Принимаем толщину стенки чашки 8 мм.

Принятые размеры проверяются на сжатие.

,

где = (0,6…0,8) материала чашки.

=255 МПа

=0.8*245=196 МПа

=

5. 

5. Конструирование рукояток

Материалы для изготовления рукояток и штурвалов.

Рукоятки изготавливаются из сталей: ст. 3; ст.4; 35; 45.

Штурвалы (маховички) отливаются из чугуна СЧ15. С ними используется ручка штурвала из стали ст. 3.

Принимаем материал рукоятки ст.3

5.1 Определение длины рукоятки и радиуса штурвала

С помощью рукоятки рабочий создает момент Траб для преодоления сопротивления в резьбе Тр и на опорной поверхности чашки или торца винта, или гайки - Топ .

Траб=Рраб·lрасч.?Тр+Топ.б

где Рраб - усилие рабочего на рукоятке;

Рраб=200-250Н при кратковременной (до 5мин) с большими

перерывами работе;

lрасч= - расчетная длина рукоятки;

- момент сопротивления в резьбе;

=18.376 мм- средний диаметр резьбы винта;

=2.5919 и =6.58 - угол подъема резьбы и приведенный угол трения.

Tр=

Топ.б - момент трения на опорной поверхности:

,

где Dвн= - наружный диаметр опорной поверхности ( рис.4.1.)

d - внутренний диаметр опорной поверхности ( Dопн, рис.4.1.)

f - коэффициент трения сухих поверхностей

f= 0,18…0,3 - сталь по стали.

Tоп.б =.

Тогда Траб=238*200

Траб=47629)

5.2 Полная длина рукоятки

Полная длина рукоятки l (рис. 5.1)

Рис. 5.1

l =lрасч. ++(120…150),

где Dг=30 мм - диаметр головки винта

Длина 120…150мм добавляется для удобства захвата рукоятки рукой и для установки упорных шайб на концах рукоятки.

Полная длина рукоятки l=

5.3 Определение диаметра рукоятки

Рукоятка работает на изгиб как консольная балка (рис.5.1) с вылетом lи

lи=lрасч.- Dг/2; Mи=Рраб.·lи;

lи=; Mи=200*238= 47600 Н*мм;

Диаметр рукоятки: ;

где[уи]=ут/n; n=2…3.

Для стали ст3 предел текучести ;

[уи]=;

Тогда

Полученный размер округлить в большую сторону по ГОСТ 6636-83.

6. 

6. Стопорные винты

При вращении винта 1 в резьбе на длине свинчивания его с гайкой возникает момент Тр, который стремится вращать гайку.

Препятствует этому момент сил трения на опорной поверхности буртика гайки Топ.б.

Топ.б=

Гайка будет неподвижна если Топ.б > Тр

Здесь (п.3.2.1.) (рис. 3.2 а)

Tр=

Гайка будет неподвижна так как Топ.б > Тр

7. 

7. Определение линейных размеров винта

После того, как определены размеры чашек, захватов, гайки и рукоятки можно определить линейные размеры основного винта конструкции.

Длина винта складывается из длин следующих участков

l0 - длина оси чашки l0=дч+(1…2)мм, где дч- толщина чашки;

l0=8+2=10 мм

8. 

8. Корпус домкрата

Корпус домкрата рис. 8.1.

Материал - чугун марок СЧ15; СЧ18

Размеры, определяемые по заданным и полученным параметрам:

D=Dнг; Dнг - наружный диаметр гайки;

D=30 мм;

Н ? ; - высота гайки без буртика;

Н=20 мм;

D2 ? Dб; Dб- диаметр буртика гайки;

D2=40 мм

Н4=lраб+ (15…20)мм; lраб - длина рабочей гайки винта;

Н4=220+20=240 мм;

D3= D+ (3…5)мм;

D3=20+4=24 мм;

Рис. 8.1



D5= D3+ 2*Н4* ;

Где tgг= 0.08…0.1;

Тогда D5=24+2*240*

Диаметр D7 определяется из условия прочности на смятие деревянной опоры, на которую ставится домкрат. Для дерева [усм]=2…2,5Мпа.

D7==

Толщина стенки корпуса д=8 мм. Толщина фланца h1=(1,2…1,5)д

h1=1.2*8=9.6

9. 

9. Коэффициент полезного действия винтового устройства

9.1 К.П.Д. винтового устройства

К.П.Д. винтового устройства определяется по формуле

,

где - полезная работа за один оборот винта;

- затраченная работа за один оборот винта.

Для однозаходных винтов , Н*мм

где Р=2.5 - шаг винта;

Q=11 кН - осевое усилие.

Тогда =11*2,5=27,5 Н*мм

Н*мм;

=2*3,14*5=31.4 Н*мм.

Тогда ??=

9.2 К.П.Д. винтовой пары

К.П.Д. винтовой пары определяется по формуле

;



Список литературы

1. Методические указания к расчетно-графической работе № 1 по курсу «Основы конструирования машин»

Размещено на Allbest.ru