3.3. Расчет деталей механизма поворота

Конструкция механизма поворота в курсовом проекте может быть выполнена по любой известной или оригинальной схеме.

П

Рис. 3.21. Чертеж выходного вала

механизма поворота крана КС-3571

ри использовании в механизме поворота крана унифицированной схемы редуктора определяют в первую очередь размеры его выходного вала и ведущей шестерни. На рис. 3.21 показан фрагмент установки выходного вала в редукторе механизма поворота автомобильного крана КС-3571. Чертеж всего механизма поворота этого крана показан на рис. 1.36. Вал 1 на рис. 3.21 представляет собой двухопорную, одноконсольную балку. Со стороны зубчатого колеса 2 второй ступени редуктора на шлицевой конец вала действует только крутящий момент М_кр, передаваемый валом на выходную ведущую шестерню 3. На консольном конце вала, кроме крутящего момента М_кр, действует радиальная сила F_р, возникающая в зацеплении шестерни с колесом опорно-поворотного устройства. Порядок предварительного определения геометрических размеров вала можно принять следующим.

Исходя из геометрических размеров ведущей шестерни определяют крутящий момент, передаваемый валом М_кр.

, (3.75)

где d_опу – диаметр начальной окружности зубчатого колеса ОПУ.

Минимальный диаметр вала, опирающегося на подшипник 4, из расчета только на кручение вычисляют по формуле

, (3.76)

где [τ] – допускаемые касательные напряжения при кручении. Для стали 45, имеющей предел текучести при растяжении σ_{т р} = 315 МПа, предел текучести при кручении τ_т = 0,6 σ_{т р}. Для деталей механизмов крюковых кранов, работающих в режиме 4М-5М, с учетом выносливости [τ] = 0,6 τ_т ≈ 110 МПа.

Расчетная схема вала показана на рис. 3.38. В плоскости У - Z изгибающий момент создает окружное усилие F_окр, в плоскости Х – У изгибающий момент создает радиальное усилие F_рад.

Рис. 3.22. Расчетная схема выходного вала редуктора механизма поворота к рис. 3.21 (на расчетной схеме вал условно показан горизонтально)

Радиальная нагрузка, действующая в зацеплении прямозубых цилиндрических колес,

. (3.77)

Здесь α = 20° – угол зацепления.

Окружное усилие на шестерне

F_окр = . (3.78)

Длины шеек вала а1 и а2 предварительно выбирают так, чтобы получить их минимальную длину (рис. 3.21).

а1 = b_ш /2 + e₂ +b_м + (4÷6)мм+ b_п /2; (3.79)

а2 = b_п + е₁. (3.80)

Размер е₂ учитывает зазор между шестерней и крышкой корпуса редуктора (15 – 18 мм) и толщину стенки крышки (8 – 10 мм). Размер b_м определяется толщиной уплотнительных манжет. Толщина их практически не зависит от диаметра вала и составляет 8, 10, 12 мм. Для надежного уплотнения обычно ставят 2-3 манжеты. Ширину b_п подшипника предварительно принимают по диаметру вала. Размер е₁ выбирают конструктивно. Его можно принять равным диаметру вала dв или меньше. По принятым размерам вычисляют опорные реакции, действующие на подшипники, и наибольшие изгибающие моменты в плоскостях Z – Y и X - Y.

(3.81)

Результирующая нагрузка, по которой окончательно выбирают номер подшипника и корректируют диаметр вала:

. (3.82)

Суммарный изгибающий момент в расчетном сечении

. (3.83)

.

Проверка вала на статическую прочность при совместном действии нормальных и касательных напряжений производится по запасу прочности п_Т .

, (3.84)

где К_Т – наименьший допустимый запас по пределу текучести. Для механизмов поворота режимов работы М4 – М6 и сталей, у которых σ_в /σ_т ≥1,4 (сталь 45 с закалкой и высокотемпературным отпуском), К_Т = 1,8 ÷ 2,1 в зависимости от режима нагружения соответственно режимам работы 2М ÷ 8М;

для сталей, у которых σ_в /σ_т < 1,4 (сталь 40Х с закалкой и высокотемпературным отпуском), К_Т = 2,3 ÷ 2,7.

п_Тσ = σ_Т / σ – запас прочности по нормальным напряжениям;

п_Тτ = τ_Т / τ – запас прочности по касательным напряжениям;

σ = М_изг /0,1d³ – действующие нормальные напряжения;

τ = М_кр / 0,2 d³ + 1,7 R_о / d² – действующие касательные напряжения.

Характеристики сталей для определения запаса прочности можно принять из табл. 3.11.

Таблица 3.11

Характеристики машиностроительных сталей для изготовления валов

Марка стали, ГОСТ	Термообработка, температура, °С	Размер проката, мм	Временное сопротивление σВ, МПа	Предел σт текучести, МПа
35 ГОСТ 1050	Нормализация 860-880	≤ 100 101 - 300	530 470	275 245
45 ГОСТ 1050	Нормализация 830-860 Отпуск 550-630	≤ 100 101 - 300	570 530	315 275
40Х ГОСТ 4543	Нормализация 850 - 870 Отпуск 560-650	≤ 100 101 - 200	590 570	345 315
40ХН ГОСТ 4543	Нормализация 800 - 830 Отпуск 470 - 530	≤80 81 - 150	980	785

Расчет на усталость выполняется в форме определения запаса прочности по сопротивлению усталости для опасного сечения вала в местах, где имеются концентраторы напряжений