В данной курсовой работе рассмотрен расчёт конструкции винтового домкрата при наличии некоторых исходных данных. Винтовой домкрат используется на монтаже для подъема тяжелых конструкций на небольшую высоту.
Цель проекта заключается в расчёте размеров и определении возможных нагрузок на инструмент.
Задачами курсовой работы являются:
- составить и проанализировать структурную схему механизма;
- сконструировать составные части устройства и корпусные детали;
- провести анализ нагруженности составных частей;
- вычислить коэффициент полезного действия винтового домкрата;
1. Составление и анализ структурной схемы механизма винтового домкрата
В данном случае в качестве задания выбрана типовая конструкция винтового домкрата, поэтому структурные схемы составляются по ней. Прежде всего, необходимо определить составные части устройства.
(а) (б)
Рис. 1 Структурная схема винтового домкрата (1 — винт, 2 — гайка, 3 — корпус, 4- чашка, 5 — рукоятка, 6 — поднимаемый груз)
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.
В резьбе на длине свинчивания lсв винта 1 и гайки 2, витки резьбы винта давят на витки резьбы гайки (см. рис. 1, б) суммарным усилием Q и, т.к. винт вращается, на поверхностях стыка витков возникает момент сил сопротивления движению Тр.
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. Поэтому участок винта между чашкой 4 и гайкой 2 сжат. 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:
Расчёт конструкции с передачей винт — гайка
... критериям работоспособности винтовых механизмов относятся прочность гаек, рукояток, штурвалов, винтов для стопорения гаек и других, дополнительных элементов. 3. Определение размеров винта и гайки Расчет передачи винт гайка начинают с определения среднего диаметра резьбы (d ...
Траб = Рраб
- l ? Топ + Тр (1)
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».
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 сжимается продольной силой, необходимо проверить возможность потери им устойчивости при подъеме груза на заданную высоту.
Анализ нагруженности других деталей механизма приведен в соответствующих разделах курсовой работы.
2. Конструирование винта
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.
По структурной схеме (а в данных заданиях и по эскизу типовой конструкции) можно представить, какой формы должен быть винт и выполнить его эскиз.
Очевидно, что основной элемент конструкции винта 1 — 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.
Рис. 2 Эскиз винта
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.
При нарезке резьбы на винте 1 нужно обеспечить выход инструменту (рис. 3).
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.
Рис. 3 Головка винта
2.1 Определение размеров винта 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:
; (2)
МПа
наименьший диаметр винта:
, мм (3)
18,4 (мм),
где К — коэффициент, учитывающий скручивание винта (К=1,3);
- А — площадь винта в опасном сечении;
- допускаемое напряжение при расчете на сжатие (растяжение);
- , (МПа); (4)
- предел текучести используемого материала (100 Н/мм 2 );
n = (3…5) — коэффициент запаса прочности.
Коэффициент запаса прочности назначается в зависимости от степени опасности последствий отказа винта. Очевидно, что в случае домкрата он выбирается больше. Полученное значение допускаемого напряжения нужно округлить до целого числа в меньшую сторону.
2.2 Проверка винта на устойчивость
Если винт сжат, то при гибкости л?55 его необходимо проверить на устойчивость.
(5)
где м — коэффициент приведения длины, учитывающий закрепление винта в опорах;
- м=1 — если оба конца винта закреплены шарнирно или один из них направляется гайкой;
- м= 2 — один конец винта свободен, второй направляется гайкой;
- м=0,5 — оба конца закреплены жестко.
lmax — максимальная высота подъёма винта или наибольшее расстояние от гайки до торца винта;
- радиус инерции сечения винта.
Для винтов можно принимать
= 4,5. (6)
Условие устойчивости при действии сжимающих нагрузок
; (7)
где — допускаемое напряжение при расчете винта на сжатие (см. выше);
- ц — коэффициент понижения допускаемого напряжения (ц=0,91).
Величина ц принимается по таблице 1 в зависимости от гибкости винта л.
Таблица 1
Значение коэффициента ц в зависимости от гибкости л
|
Гибкость л |
Коэффициент ц |
Гибкость л |
Коэффициент ц |
|||
|
Сталь Ст.3; Ст.4; Сталь 40 |
Сталь Ст.5;
Сталь 50 |
Сталь Ст.3; Ст.4 Сталь 40 |
Сталь Ст.5;
Сталь 50 |
|||
|
0 |
1,00 |
1,00 |
80 |
0,70 |
0,65 |
|
|
10 |
0,93 |
0,97 |
90 |
0,62 |
0,55 |
|
|
20 |
0,95 |
0,95 |
100 |
0,51 |
0,43 |
|
|
30 |
0,91 |
0,91 |
110 |
0,43 |
0,35 |
|
|
40 |
0,89 |
0,87 |
120 |
0,37 |
0,30 |
|
|
50 |
0,86 |
0,83 |
130 |
0,33 |
0,26 |
|
|
60 |
0,82 |
0,79 |
140 |
0,29 |
0,23 |
|
|
70 |
0,76 |
0,72 |
150 |
0,26 |
0,21 |
|
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’,
где — угол подъёма резьбы; (8)
P и d 2 — шаг и средний диаметр резьбы;
; (9)
- приведенный угол трения в резьбе; (10)
;
- б — угол наклона рабочей грани витка резьбы (рис. 5.8 в качестве примера трапецеидальная резьба);
- коэффициент трения в резьбе.
Принимаем fmin=0,1, что соответствует слабой смазке.
Угол наклона рабочей грани (б=15є — трапецеидальная резьба).
Чтобы завершить конструкцию винта нужно определить его линейные размеры. Для этого нужно знать размеры чашки, гайки и некоторых других деталей.
3. Конструирование гаек винтовых устройств
3.1 Форма гайки и материалы для её изготовления
Из анализа структурной схемы ясно, что витки резьбы винта опираются на витки резьбы гайки и при этом винт вращается (или наоборот, задание 5).
Гайка, чаще всего, вставляется в корпус механизма и под действием нагрузки висит на буртике. Она выполняется как отдельная деталь из антифрикционного материала. 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 или пальцы, 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.
В некоторых случаях гайки, как таковой, может вообще не быть: резьба для взаимодействия с винтом нарезается непосредственно в корпусной детали.
3.2 Определение размеров гайки
3.2.1 Определение высоты гайки
Высота гайки:
, мм, (11)
где Р — шаг резьбы;
- Z — число витков резьбы гайки.
мм.
Число витков резьбы определяется из расчета на смятие
; (12)
где Асм — площадь контакта одного витка резьбы винта и витка резьбы гайки.
, мм 2 . (13)
Так как витки винта движутся по виткам гайки, давление на поверхность контакта не должно быть большим, чтобы не выдавливалась смазка. Поэтому [усм] ограничивается. Ограниченное напряжение смятия называется допускаемым удельным давлением [р] (Таблица 2).
Таблица 2
Допускаемое удельное давление
|
Материал винта и гайки |
[р], МПа |
|
|
Чугун по чугуну |
3…3,5 |
|
|
Сталь по чугуну |
5…6 |
|
|
Сталь по антифрикционному чугуну |
10…13 |
|
|
Сталь по стали |
7…13 |
|
|
Сталь по бронзе оловянистой |
8…13 |
|
|
Сталь по бронзе безоловянистой |
7…8 |
|
Поскольку, как известно, лишь 8-10 витков резьбы гайки воспринимают осевую нагрузку, делать Z больше не имеет смысла. Поэтому:
; (14)
Полученное число витков Z проверяется на срез:
; (15)
где [фср]=0,15[ур] — для чугунной гайки;
- kр — коэффициент полноты резьбы (kр=0,4 для трапецеидальной резьбы).
3.2.2 Определение наружного диаметра гайки
Поскольку гайка висит на буртике, возможен разрыв в одной из плоскостей. Из условия прочности на растяжение с кручением
; (16)
и площади сечения гайки:
; (17)
;
- , мм; (18)
где [ур]== — для чугунных гаек; (19)
n — 2,5…3,5 — коэффициент запаса прочности;
- К =1,3- коэффициент, учитывающий скручивание.
Для удобства изготовления и нормальной эксплуатации толщина тела гайки должна быть не менее 5мм, поэтому должно быть.
- (20)
3.2.3 Определение размеров буртика гайки
На кольцевой поверхности контакта буртика гайки и корпуса возникают напряжения смятия. Поэтому
; (21)
Отсюда
, мм; (22)
мм.
Здесь [усм] = 0,8ут т.к. контактирующие детали неподвижны. Расчет ведется по менее прочной детали.
На входе в расточку корпуса 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.
Высота буртика.
Высота буртика определяется из условия прочности его на срез:
; (23)
[фср] = 20…30Мпа для чугуна.
Полученные значения и — округляются до ближайших больших целых значений по ГОСТ 6636-83.
4. Конструирование чашек и захватов
Конструкция чашки — рис. 4. Материалы: сталь ст.3, 20, 20Л т.п.
dотв =d0 +(2…3)мм = 12 мм; (24)
dвн =dш +(2…3) = 20 мм; (25)
dш=(1,5…2) dотв = 18 мм; (26)
Толщина шайбы = 2-3мм.
Диаметр dн определяется из расчета на смятие
; (27)
где [усм]= (13…15)Мпа т.к. контактирующие поверхности подвижны относительно друг друга.
По диаметру принимается диаметр головки винта D. При этом нужно чтобы выполнялось соотношение
D=?(1,5…2)d, (28)
где d — диаметр винта.
k=(2…3)мм (рис. 4).
Толщиной стенки удобнее задаться, а потом проверить её на прочность. По условиям изготовления и эксплуатации д ? (6…8)мм для точеных чашек и д ? (8…10)мм для литых.
Принятые размеры проверяются на сжатие.
, (29)
где = (0,6…0,8) материала чашки (10,4 МПа).
Рис. 4 Чашка винта
5. Конструирование рукояток
5.1 Материалы для изготовления рукояток
Рукоятки изготавливаются из сталей: ст. 3; ст.4; 35; 45. Штурвалы отливаются из чугуна СЧ15. С ними используется ручка штурвала из стали ст. 3.
5.2 Определение длины рукоятки
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. (30)
Траб=200·150?6564,5+9769,2;
- где Рраб — усилие рабочего на рукоятке;
- Рраб=120-150 Н при длительной непрерывной работе;
- Рраб=200-250 Н при кратковременной (до 5мин) с большими перерывами в работе;
- lрасч — расчетная длина рукоятки;
- момент сопротивления в резьбе; (31)
- средний диаметр резьбы винта;
- и — угол подъема резьбы и приведенный угол трения;
- Топ — момент трения на опорной поверхности.
; (32)
где Dн — наружный диаметр опорной поверхности чашки;
- d — внутренний диаметр опорной поверхности — dотв;
- f — коэффициент трения сухих поверхностей;
- f= 0,15…0,18 — сталь по чугуну.
Полная длина рукоятки l:
l =150+43/2+120…150=290 мм,
где Dг — диаметр головки винта.
Длина 120…150мм добавляется для удобства захвата рукоятки рукой и для установки упорных шайб на концах рукоятки.
5.3 Определение диаметра рукоятки
Рукоятка работает на изгиб как консольная балка с вылетом lи:
- lи=lрасч.- Dг/2=150-43/2=128; (33)
Mи=Рраб.·lи=200 128=25600; (34)
; (35)
, где [уи]=ут/n; (36)
Полученный размер округлить в большую сторону по ГОСТ 6636-83.
6. Стопорные винты
При вращении винта 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:
, (37)
Гайка будет неподвижна, т.к. Топ> Тр
Здесь
- (38)
Для поверхности без смазки:
- f=0,15…0,18 — сталь по чугуну;
- f=0,18…0,3 — сталь по стали;
- f=0,10…0,15 — сталь по бронзе.
7. Определение линейных размеров винта
После того, как определены размеры чашек, захватов, гайки и рукоятки можно определить линейные размеры основного винта конструкции:
l0 — длина оси чашки l0=дч+(1…2)=21 мм, (39)
где дч- толщина тела чашки;
- Нгол- высота головки винта;
Н гол =(1,8…2)dр =27мм, (40)
(вк+вп)= 4 мм- суммарный размер проточки и переходного участка;
- lраб- длина рабочей части винта, получается как сумма высоты гайки и заданной высоты подъёма груза плюс запас (1-1,5)Р =150 мм.
Полученная таким образом длина винта округляется до целого числа по ГОСТ 6636-83.
8. Корпусные детали
Материал — чугун марок СЧ15; СЧ18
Размеры, определяемые по заданным и полученным параметрам:
- D=Dнг=43 мм;
- Dнг — наружный диаметр гайки;
- Н ? ;
- высота гайки без буртика;
- D2 ? Dб;
- Dб- диаметр буртика гайки;
- Н4=lраб+ (15…20)=170мм; (41)
lраб — длина рабочей гайки винта;
- D3= D + (3…5)мм=40 мм; (42)
Рис. 5 Корпус домкрата
tgг= 0.08…0.1;
- D5= D3+ 2Н4tg г=40+2 170 0,139=94 мм. (43)
Диаметр D7 определяется из условия прочности на смятие деревянной опоры, на которую ставится домкрат. Для дерева [усм]=2…2,5Мпа.
Толщина стенки корпуса д=8…12мм.
Толщина фланца h1=(1,2…1,5)д=9 мм. (44)
9. Коэффициент полезного действия винтового устройства
9.1 К.П.Д. винтового устройства
К.П.Д. винтового устройства определяется по формуле
, (45)
где — полезная работа за один оборот винта;
- затраченная работа за один оборот винта.
Для однозаходных винтов:
Н·мм, (46) где Р — шаг винта.
Н·мм. (47)
9.2 К.П.Д. винтовой пары
К.П.Д. винтовой пары определяется по формуле:
; (48
Заключение
Результатом курсовой работы стала разработка конструкции винтового домкрата. В девяти пунктах пояснительной записки спроектирована структура винтового домкрата, а именно: рассчитаны размеры составных частей (корпус, винт, гайка, чашка и т.д.) и проверены на устойчивость к различным видам нагрузок, выбраны материалы изготовления и множество других параметров необходимых для более безопасной и долговечной работы устройства в зависимости от прилагаемых нагрузок, вычислен коэффициент полезного действия.
Таким образом, в ходе теоретических и практических исследований были полностью выполнены цели и задачи, поставленные во вводной части данного курсового проекта.
Список используемых источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/domkrat-vintovoy/
винтовой домкрат резьба гайка
1. Решетов Д.Н. «Детали машин». М., «Машиностроение», 2005. 496 с.
2. Ефоян А.С., Дорофеев В.Г., Муравьева В.А., Шебанов И.Г. «Проектирование винтовых механизмов авиационных устройств и роботов». Учебное пособие. Харьков: ХАИ,2009. 87 с.
3. Яковлев Ю.В. «Расчет и проектирование устройств с винтовой передачей». Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Харьков: ХАИ,2008. 85 с.
4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М., «Машиностроение», 2009.
5. Иванов М.Н. «Детали машин». Курсовое проектирование. М., «Высшая школа»2010. 551 с.
6. Табель технологического оборудования и специализированного инструмента для АТП, АТО и БЦТО. М.: ЦБНТИ Минавтотранса, 2012. 98 с.
