Конструирование двигателя с планетарным редуктором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Мехатроника -- это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движения, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы. Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем -- проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой координате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компонуются сложные системы модульной архитектуры.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести:

- относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

- высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

- высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

- конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации и микромашинах),

- улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

- возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

- станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов;

- робототехника (промышленная и специальная);

-авиационная, космическая и военная техника;

-автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

-нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

-офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

-элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы);

-медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное).

1. Обзор существующих мехатронных модулей

1.1 Классификация мехатронных модулей движения

Основные виды однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного машиностроения:

Мехатронные модули вращательного движения на базе высоко-моментных двигателей.

Высоко-моментными называются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и электронной коммутацией обмоток, которые до- пускают многократную перегрузку по моменту. Для определения положения полюсов на роторе вентильного ВМД устанавливают дополнительные технические средства (например, датчики Холла, индуктивные и фотоэлектрические датчики). Обычно высоко-моментные двигатели (ВМД) устойчиво работают на частотах вращения 0.1-1 1/мин, которые типичны для металлорежущих станов и промышленных роботов.

Основные преимущества ВМД определяются отсутствием в приводе редуктора:

- снижение материалоемкости, компактность и модульность конструкции;

- повышенные точностные характеристики привода благодаря отсутствию зазоров;

- исключение трения в механической трансмиссии позволяет существенно уменьшить погрешности позиционирования и нелинейные динамические эффекты на ползучих скоростях;

- повышение резонансной частоты.

В состав современных мехатронных модулей движения на основе ВМД обязательно входят также датчики обратной связи и иногда управляемые тормоза, что позволяет отнести такие ММД ко второму поколению. В качестве датчиков наиболее часто применяются фотоимпульсные датчики (энкодеры), тахогенераторы, резольверы и кодовые датчики положения. Принципиально важно, что модуль "двигатель-датчик" имеет единый вал, что позволяет сочетать высокие технические параметры и низкую стоимость.

Также модули данного типа могут применяться в нетрадиционных транс- портных средствах: электромобилях, электровелосипедах, инвалидных колясках и т.п.

Мехатронные модули типа "двигатель - рабочий орган"

Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ.

В станках с относительно небольшим крутящим моментом (токарных малых размеров, консольно-фрезерных, высокоскоростных фрезерных станках) применяются так называемые "моторы-шпиндели". Отличительной конструктивной особенностью этих электромеханических узлов приводов главного движения является монтаж шпинделя непосредственно на роторе двигателя.

Модули типа "двигатель - рабочий орган" нашли широкое распространение также в электроприводах различных самоходных средств (электровелосипедов и электромобилей, робокаров и мобильных роботов и т.п.).

Мехатронные модули линейного движения.

Традиционные электроприводы линейных перемещений включают в себя двигатель вращательного движения и механическую передачу для преобразования вращения в поступательное движение (шарико-винтовую передачу (ШВП), зубчатую рейку, ленточную передачу и т.п.). С начала 80-х годов известны разработки собственно линейных двигателей, однако из-за низких удельных силовых показателей они имели ограниченную область применения (графопостроители, координатно-измерительные машины) и в автоматизированном оборудовании не могли быть использованы.

Основные преимущества модулей на базе ЛВМД по сравнению с традиционными линейными приводами:

- повышение в несколько раз максимальной скорости движения (до 150- 210 м/мин) и ускорения (в перспективе до 5g);

- высокая точность реализации движения;

- высокая статическая и динамическая жесткость.

Вместе с тем имеется ряд проблем при проектировании и внедрении ЛВМД: более высокая стоимость, необходимость использования систем охлаждения ММД (жидкостной или воздушной), относительно невысокий к.п.д. модуля.

Моторы-редукторы

Мотор-редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. По сравнению с традиционным со- единением двигателя и редуктора через муфту моторы-редукторы обладают целым рядом существенных преимуществ:

- сокращение габаритных размеров;

- снижение стоимости за счет сокращения количества присоединительных деталей, уменьшения затрат на установку, наладку и запуск изделия;

- улучшенные эксплуатационные свойства (пыле- и влагозащищенность, минимальный уровень вибраций, безопасность и надежность работы в неблагоприятных производственных условиях).

Конструктивное исполнение модуля определяется типами используемых редуктора и электродвигателя. В зависимости от технических требований задачи применяются цилиндрические, насадные, конические, червячные и другие виды редукторов. В качестве электродвигателей наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемыми преобразователями частоты вращения, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока.

1.2 Общая информация и технические характеристики существующих мехатронных модулей движения

Основную номенклатуру ММД, на основе которых в настоящее время создаются производственные машины и транспортные средства нового поколения, можно подразделить на четыре группы.

Первая группа включает в себя высокооборотные модули с максимальной частотой вращения от 9000 до 250 000 мин-1 и мощностью от 0,1 до 30 кВт для металлорежущих станков, деревообрабатывающих машин, станков для сверления печатных плат, компрессоров и т.д.

В этих модулях используются воздушные и электромагнитные подшипники. Основные преимущества выпускаемых электропшинделей на магнитных подшипниках:

· отсутствие механических контактов и, как следствие, износа;

· возможность использования более высоких (по сравнению с традиционными конструкциями) скоростей;

· небольшая вибрация, отсутствие трения и снижение тепловых потерь;

· возможность изменения жесткости и демпфирующих характеристик системы;

· возможность работы в вакууме и вредных средах;

· экологическая чистота.

Вторая группа включает в себя низкооборотные модули с максимальной частотой вращения от 4 до 300 об/мин, моментом от 10 до 2500 Н•м и точностью позиционирования до для поворотных столов станков, измерительных машин, оборудования для электронного машиностроения, узлов роботов и многоцелевых инструментальных головок.

Группой "Мехатроника" в Санкт - Петербурге освоено производство мехатронных поворотных столов серии ПМС диаметром 200 - 1250 мм, с точностью позиционирования до , максимальной частотой вращения до 12 об/мин, максимальным моментом до 2500 Н•м.

Модули подобного типа могут с успехом применяться в электровелосипедах, инвалидных колясках, электромотоциклах, скутерах и других легких транс- портных средствах. Технические характеристики некоторых транспортных ММД. Например, электровелосипедов и инвалидных колясок существенно превышают характеристики лучших мировых производителей. Так, масса инвалидной коляски меньше на 30 %, а пробег без подзарядки батареи больше на 50 %, чем у импортных аналогов.

Третья группа включает в себя модули линейного движения с усилием от 10 до 5000 Н и скоростью до 32 м/с для приводов металлорежущих станков, промышленных роботов и измерительных машин, а также для запирающих устройств газо- и нефтепроводов.

Технические характеристики линейных модулей на базе электромеханизмов, выпускаемых предприятием "Сибирь-Мехатроника" приведены в таблице 2.

Четвертая группа включат в себя цифровые электроприводы с бесколлекторными синхронным и асинхронным двигателями мощностью до 10 кВт с моментом от 1 до 40 Н•м и высоким отношением момента к массе для приводов подачи высокопроизводительных станков и роботов, текстильных и деревообрабатывающих машин, приводов вентиляторов, насосов и т.д. Блок управления та- кими приводами создается на базе силовых интеллектуальных схем и встраивается в корпус или клеммную коробку электродвигателя. Производство этих электроприводов освоено на российско-итальянском предприятии "Мехатрон".

В связи с расширением рынка высокопроизводительных машин и оборудования традиционной и нетрадиционной компоновок и освоением производства указанных ММД практически всеми ведущими электротехническими фирмами мира осуществляется постепенный перевод специальных ММД в модули движения общепромышленного применения. Так, встраиваемые электродвигатели для поворотных столов металлорежущих станков и мотор-колес для транспортных средств производятся по одной и той же технологии низкооборотных ММД на основе современных магнитных систем. Рынок таких ММД стремительно развивается.

Анализ технико-экономических показателей ММД и созданных на их базе машин нового поколения с учетом рынка продукции машиностроения позволяет выделить основные тенденции в области технического совершенствования компонентов общепромышленного применения:

· интенсивное развитие мехатронных модулей вращательного движения и линейного перемещения на базе электродвигателей переменного тока, встроенных в приводные узлы машин и оборудования, создаваемых специализированными фирмами и поставляемых машиностроительным предприятиям - лидерам машиностроительного инновационного рынка;

· развитие международной научно- технической и производственной кооперации в области комплектных систем управления машинами новых поколений на базе ММД для создания новых высококвалифицированных рабочих мест в Москве, Санкт-Петербурге и других городах СНГ.

Представляется актуальным развитие такого научно- технического и производственного сотрудничества в этой области с западноевропейскими и американскими фирмами. Эффективному решению этой задачи могло бы способствовать создание международной научно-производственной ассоциации инновационного машиностроения и мехатроники.

Для создания современных технологических машин, предназначенных для автоматизированного машиностроения, необходимы разнообразные управляемые от ЭВМ приводные модули, удовлетворяющие комплексу жестких требований, основными из которых являются снижение массогабаритных показателей, высокая точность реализации исполнительных движений, большой срок службы и надежность, возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды, при наличии вибраций и других помех или возмущений. Подобные приводные модули могут применяться, например, для управления движением разнообразных сборочных устройств, рабочих органов лазерных технологических комплексов, позиционирующих устройств и механообрабатывающих роботов. Требования к развиваемым усилиям, точности и скорости исполнительных движений диктуются особенностями автоматизируемой технологической операции, а требование минимизации размеров привода - необходимостью встраивания его в технологическую машину. Попытка синтеза модуля из имеющихся в наличии серийно выпускаемых компонентов может приводить к технически и экономически неэффективным решениям. Поэтому часто более рациональным представляется проектирование специализированного приводного модуля, наиболее полно отвечающего его служебному назначению

1.3 Классификация механических передач преобразователей движения

Наиболее распространенными преобразователями движения являются зубчатые передачи - механизмы, передающие или преобразующие движение с помощью зацепления с изменением угловых скоростей и моментов. Такие передачи применяют для преобразования вращательного движения между валами с параллельными (рис. 1,а-г), пересекающимися (рис. 1,е-з) осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот.

Червячная передача - это механизм для передачи вращения между перекрещивающимися (как правило, взаимно перпендикулярными) валами. При вращении червяка 1 (рис. 2) его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса 2 и приводят последнее во вращение.

Ведущее звено червячной передачи - червяк, а ведомое - червячное колесо. Отличительной особенностью червячной передачи является наличие эффекта самостопорения, т.е. невозможности обратной передачи мощности от колеса к червяку. Основным недостатком червячных передач является низкий к.п.д. - 70…80%. По этой причине их применяют для передачи небольших и средних мощностей, как правило, до 50 кВт, реже - до 200 кВт.

Рис. 1 а- цилиндрическая с прямыми зубьями; б- цилиндрическая с косыми зубьями; в- цилиндрическая с шевронными зубьями; г- цилиндрическая внутреннего зацепления с прямыми зубьями; д- реечная передача; е- коническая с прямыми зубьями; ж- коническая с тангенциальными зубьями; з- коническая с круговыми зубьями;

Рис. 2 Червячная передача

Передачи с гибкой связью предназначены для передачи вращательного движения и преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. К передачам с гибкой связью относят ременную, цепную и тросовую.

Ременные передачи

Механизм для передачи вращения при помощи гибкого элемента (ремня) за счёт сил трения (для зубчатых ремней - сил зацепления) называется ременной передачей.

Ременная передача (рис. 3) состоит из ведущего 1 и ведомого 2 шкивов и надетого на них ремня 3. В состав механизма могут также входить натяжное устройство4и ограждение (на рис. 3 не показано).

Передаточное отношение определяется отношением диаметров ведомогои ведущегошкивов и, как правило, с учетом упругого скольжения ремня по шкивам

Рис. 3. Ременная передача (а), вид шкива с зубчатым ремнем (б)

К.п.д. ременной передачи составляет 90…95%

Основными достоинствами являются: возможность работы с высокими скоростями, плавность и малошумность работы, простота конструкции и низкая стоимость.

Недостатками ременной передачи являются: значительные силы, действующие на валы и опоры, непостоянство передаточного отношения, малый срок службы ремней.

Цепная передача (рис. 4) - это механизм для передачи вращения между параллельными валами при помощи жестко закрепленных на валах зубчатых колес-звездочек, через которые перекинута замкнутая приводная цепь.

Передаточное отношение цепной передачи определяется отношением числа зубьев ведомой и ведущей звездочек.

Цепные передачи универсальны, просты и экономичны.



Рис. 4 Цепная передача: 1 - ведущая звездочка; 2 - ведомая звездочка; 3- цепь

По сравнению с зубчатыми передачами они менее чувствительны к неточностям расположения валов, ударным нагрузкам, допускают практически неограниченные межцентровые расстояния, обеспечивают более простую компоновку. В сравнении с ремёнными передачами они характеризуются следующими достоинствами: отсутствие предварительного натяжения и связанных с ним дополнительных нагрузок на валы и подшипники; передача большой мощности, как при высоких, так и при низких скоростях; сохранение удовлетворительной работоспособности при высоких и низких температурах; приспособление к любым изменениям конструкции удалением или добавлением звеньев.

К недостаткам цепных передач следует отнести: неравномерность хода, возрастающая по мере уменьшения числа зубьев звёздочек и увеличения шага звеньев; повышенный шум и износ цепи при неправильном выборе конструкции, небрежном монтаже и плохом уходе; необходимость в смазке и устранении провисания холостой ветви по мере износа цепи.

Рис. 5 Тросовая передача

В тросовой передаче преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот между звеньями (ведущим 1 и ведомым 2) осуществляют при помощи троса 3 (рис. 5). Тросы изготавливают из стальной проволоки (обычно оцинкованной).

При работе тросовой передачи отдельные проволоки троса подвергаются растяжению, изгибу, кручению и смятию.

Передачи винт-гайка предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Основными элементами передачи являются: винт 1 и гайка 2.

Рис. 6 Передачи винт-гайка: а - скольжения; б - качения

В паре качения для повышения к.п.д. и уменьшения потерь на трение между этими элементами помещаются стальные шарики3. При вращении винта (гайки) шарики благодаря трению перекатываются по винтовым поверхностям винта и гайки и передают вращение от винта к гайке, или от гайки к винту. Скорость перемещения шариков отличается от скорости винта и гайки, поэтому с целью обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы соединяют возвратным каналом.

В промышленно изготавливаемых передачах винт-гайка передаточное число составляет 300…2000.

К.п.д. передачи винт-гайка качения составляет 0,85…0,95, а винт-гайка скольжения - 0,25…0,6.

Достоинством передачи является высокая точность перемещений, малая металлоемкость. Недостатком - низкий к.п.д. в передачах скольжения и сложность изготовления передач качения.



Рис. 7 Планетарная передача

На рис. 7 приведена схема планетарной передачи. Планетарными называют зубчатые передачи, в которых геометрическая ось хотя бы одной шестерни подвижна. Основными элементами планетарной передачи являются:

- солнечная шестерня 1 (находится в центре);

- водило 2, жёстко фиксирующее друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён одинакового размера 3 (сателлитов), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней;

- кольцевая шестерня 4 (эпицикл), имеющая внутреннее зацепление с планетарными шестернями.

При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, другой элемент используется как ведущий, а третий - в качестве ведомого.

Наиболее широкое применение планетарные передачи нашли в автомобильных дифференциалах и в суммирующих звеньях кинематических схем металлорежущих станков. В современных устройствах могут использоваться каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел. На этом принципе работают многие автоматические коробки передач автомобилей.

Достоинствами планетарных передач по сравнению с обычными цилиндрическими или коническими передачами являются меньшие габариты и масса. Недостатками - повышенная точность изготовления, большее число подшипников качения.

Торможение механизмов осуществляется введением больших сил трения между тормозным шкивом (диском), связанным одним из валов и тормозной колодкой, лентой или диском, соединенной посредством рычажной системы с неподвижными элементами конструкции. Кинетическая энергия движущихся масс крана переходит в тепловую, нагревая тормоз.

Типы тормозов можно классифицировать по следующим признакам:

1. по направлению действия усилий, сжимающих тормозной элемент;

2. по конструкции рабочего элемента - колодочные, ленточные и дисковые;

3. по назначению - стопорные (для остановки), спускные (для ограничения скорости при опускании груза);

4. по способу управления - автоматические и управляемые;

5. по принципу действия приводного усилия:

а) закрытого типа, которые постоянно замкнуты действием внешней силы (пружины, груза), а размыкаются на время работы механизма при помощи электромагнитного, электрогидравлического, электромеханического приводов;

б) открытого типа, замыкаемые усилиями оператора;

в) комбинированным, которые в нормальных условиях работают как открытого типа, а в аварийных - как закрытого.

Тормоза закрытого типа более безопасны в работе. Тормоза открытого типа применяют в механизмах, где нужна плавная и точная остановка (механизмы поворота). Автоматические тормоза по принципу действия могут быть только закрытого типа, а управляемые - открытого типа или комбинированные.

Для увеличения тормозного момента и снижения габаритных размеров, массы и мощности привода тормозов применяют фрикционные материалы с повышенным коэффициентом трения. В качестве фрикционных материалов применяют вальцованные асбесто-фрикционные материалы. Вальцованная лента изготавливается и асбеста, каучука с добавлением серы для вулканизации. Для большей прочности и улучшения условий отвода тепла ленту армируют медной проволокой и пропитываю битумом.

2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Кинематический расчёт планетарной передачи

Целью данного расчета является определение чисел зубьев солнечного и корончатого колес и сателлита, обеспечивающих требуемое передаточное число, а также число сателлитов. Для этого вначале необходимо определить передаточное отношение и количество ступеней преобразователя движения.

Для мехатронного модуля вращательного движения передаточное отношение находят по формуле:

где щном - номинальная угловая скорость вала двигателя, с-1;

щвых - угловая скорость выходного звена преобразователя движения, т.е. выход- ного звена ММ;

Тн - момент сопротивления на выходном звене преобразователя движения, Н.м; Tд.тр - требуемый вращающий момент на валу двигателя, Н.м.

Uвв = 78,54/4= 19,635

Номинальная угловая скорость вала двигателя ММ определяется по формуле:

где n - частота вращения вала двигателя ММ.

Общее передаточное отношение многоступенчатых планетарных механизмов определяют по зависимости:

Где Uj - передаточное отношение j-й планетарной передачи;

n - число планетарных передач.

Число зубьев колес должно быть выбрано так, чтобы отсутствовали подрезание и заклинивание зубьев.

Для планетарной передачи основного типа число зубьев корончатого колеса 3 находят из условия:

Для первой ступени:

z3 = 32 * (4 ? 1) = 96 .

Для второй ступени:

z3 = 20 * (4,9 ? 1) = 78 .

При подборе чисел зубьев колес необходимо учитывать условия сборки, соосности и соседства сателлитов.

Проверяют выполнение условия сборки по формуле:

где С - число сателлитов;

г - должно быть целым числом.

Для первой ступени:

Для второй ступени:

Из условия соосности вычисляют число зубьев сателлита

Для первой ступени

Для второй ступени:

Выполнение условия соседства сателлитов выглядит следующим образом

Для первой ступени: 34 ? 64 .

Для второй ступени: 31? 49 .

После определения чисел зубьев всех колес находят фактическое переда- точное отношение:



Для первой ступени

Для второй ступени:

Вычисляют отклонение передаточного отношения:

где [ДU] - допускаемое отклонение передаточного отношения, %; обычно принимают [ДU] ? 4 %.

Для первой ступени:

Для второй ступени:

Формула для расчета коэффициента полезного действия щ_o в планетарном механизме, состоящем из 2-х ступеней, при учете числа сателлитов С, количества и видов зацеплений в каждой ступени:

Где n - количество ступеней преобразователя движения;

шз - коэффициент потерь в зубчатом зацеплении:

знак плюс - для внешнего зацепления, минус - для внутреннего зацепления;

zз и zз' - числа зубьев колес, входящих в зацепление;

fз - коэффициент трения в зацеплении колес, принять fз = 0,07;

шп - коэффициент потерь в подшипниках сателлитов, принять шп = 0,007.

Коэффициент потерь рассчитывается для каждой ступени планетарного механизма. Общий коэффициент полезного действия многоступенчатых планетарных механизмов определяют по зависимости:

2.2 Энергетический расчет мехатронного модуля

Для мехатронного модуля вращательного движения требуемую мощность электродвигателя, Вт, определяют:

Где Тн -момент сопротивления (максимальный) на выходном звене мехатронного мо-дуля, Н.м (см. исходные данные к варианту);

вых - угловая скорость выходного звена мехатронного модуля

nвых - частота вращения выходного звена мехатронного модуля, об/мин;

зо - общий коэффициент полезного действия передачи;

Кдин - коэффициент запаса, учитывающий влияние динамических нагрузок в период разгона и торможения, принять Кдин=1,3.

Требуемый момент двигателя определяется по формуле:

Исходя из полученных значений мощности и момента двигателя, а также частоты вращения вала двигателя из задания, выбираем параметр h=80 асинхронного двигателя, параметры (мощность двигателя P2=550 Вт и момент двигателя М2=19 Н*м) которого удовлетворяют следующим требованиям:

2.3 Выбор материалов планетарной зубчатой передачи

Характеристики сталей представлены в таблице.

Таблица 1

Для определения значений пределов контактной и изгибной выносливости используется таблица

Таблица 2

2.4 Геометрический расчет планетарной передачи

При проектировании планетарных передач, у которых ведущее солнечное колесо образует с сателлитом внешнее зацепление, определяют делительный диаметр солнечного колеса, как более нагруженного:

Для первой ступени

Для второй ступени

Где Т - вращающий момент на солнечном колесе, Н.м. Для первой ступени планетарного механизма Т1 соответствует моменту двигателя М2, для второй ступени момент на солнечном колесе равен:

где U1 - фактическое передаточное отношение 1-й ступени;

Епр - приведенный модуль упругости первого рода материалов колес, МПа, принять Епр = 2,1*10⁵ МПа;

- коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки по ширине зуба, принять = 1,28

К_С - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между сателлитами, принять К_С = 1,7;

u¹ - передаточное отношение между солнечным колесом и сателлитом:

Для первой ступени

Для второй ступени

- коэффициент ширины зубчатого венца. В мехатронных модулях желательно принимать = 0,2…0,8. Данный коэффициент зависит от твердости материала колеса: при твердости HB < 50 = 0,4;

[у]H - допускаемое контактное напряжение, МПа. Допускаемые контактные и из-гибные напряжения определяют по формуле:

где индекс H относится к контактным напряжениям, индекс F к изгибным;

- предел выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, принять = 472 =185.

- коэффициент безопасности. При нормализации и улучшении S_H=1,1 и S_F= 1,75;

- коэффициент, учитывающий реверсивность нагрузки.

Принять = 1,0 и = 0,8;

-коэффициент долговечности, учитывающий влияние срока службы и режима нагрузки передачи. Принять = 1.

Модуль зубьев

Для первой ступени

Для второй ступени

Полученное значение модуля зубьев округляют до стандартного значения

Уточнение значения делительного диаметра солнечного колеса:

Для первой ступени:

d1 = 1.125 * 32 = 36 мм.

Для второй ступени:

d1 = 2.75 * 20 = 55 мм.

Определение делительных диаметров сателлита:

Для первой ступени:

d2 = 1.125 * 32= 36 мм.

Для второй ступени:

d2 = 2.75 * 29 = 79.75 мм.

Определение делительных диаметров корончатого колеса:

Для первой ступени:

d3 = 1.125 * 96 = 108 мм.

Для второй ступени:

d3 = 2.75 * 79 = 214.5 мм.

Определение ширины зубчатого венца солнечного колеса планетарной передачи:

Для первой ступени:

b1=36*0,4=14,4 мм.

Для второй ступени:

b2=55*0,4=22 мм.

Полученное значение округлить до ближайшего большего целого числа. Ширину зубчатого венца сателлитов 2 и корончатого колеса 3 принять равной или близкой значению ширины b1.

Диаметры окружностей вершин зубьев:

Для солнечного колеса:

Для первой ступени:

d_a1 = 36 + 2 * 1,125 = 38,25 мм.

Для второй ступени:

d_a 1 = 55 + 2 * 2,75 = 60,5 мм.

Для сателлита:

Для первой ступени:

d_a 2 = 36 + 2 * 1,125 = 38,25 мм.

Для второй ступени:

d_a 2 = 79,75 + 2 * 2,75 = 209 мм.

Для корончатого колеса:

Для первой ступени:

d_a 3 = 108 ? 2 * 1,125 = 105,75 мм.

Для второй ступени:

d_a 3 = 214,5? 2 * 2,75 = 209 мм.

Диаметры окружностей впадин зубьев:

солнечного колеса:

Для первой ступени:

d_f1 = 36 ? 2,5 * 1,125 = 33.188 мм.

Для второй ступени:

d_f1 = 55 ? 2,55 * 2, 75 = 48,125 мм.

сателлита:

Для первой ступени:

d_f 2 = 36 ? 2,5 * 1,125 = 33,188 мм.

Для второй ступени:

d_f 2 = 79,75 ? 2,5 * 2,75 = 72,875 мм.

корончатого колеса:

Для первой ступени:

d_f 3 = 108 + 2,5 * 1,125 = 110.813 мм.

Для второй ступени:

d_f 3 = 214,5 + 2,5 * 2,75 = 186 мм.

Окружная скорость солнечного колеса м/с:

Для первой ступени:

Для второй ступени:

где n1 - частота вращения солнечного колеса 1, об/мин. Для 1-ой ступени планетарного механизма n1 = 750, для 2-ой ступени планетарного механизма: n2 = n1/U1=187,5

где U1 - фактическое передаточное отношение 1-ой ступени планетарного механизма.

2.5 Расчет диаметров валов планетарной передачи

Для работы над сборочным чертежом ММ также необходимо определить диаметры валов всех ступеней планетарного механизма: диаметры валов солнечных колес и валов сателлитов, диаметр выходного вала ММ.

Диаметр вала из среднеуглеродистой стали (уВ = 500…800 МПа) при рас- чете на прочность приближенно определяют по формуле:

Где Тв - вращающий момент на валу, Н*м.

Для первой ступени планетарного механизма момент Тв на валу солнечного ко-леса соответствует моменту двигателя М2, для второй ступени момент Тв на валу солнечного колеса равен:

Для первой ступени:

Для второй ступени момент равен



Диаметр вала равен:

Момент на выходном валу равен

Диаметр вала равен:

2.6 Проверочные расчеты планетарной передачи

Проверочные расчеты проводятся для каждой ступени планетарного механизма.

Проверку зубчатых колес планетарной передачи на возможность разрушений усталостного характера проводят по контактным напряжениям и напряжениям изгиба.

Условие контактной прочности зубьев прямозубых колес имеет вид

Где КHv - коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку, возникающую в за-цеплении. Значение КHv выбирается из таблицы 2.5 в зависимости степени точности. КHv =1,03 передачи, окружной скорости солнечного колеса и выбранного материала;

б - угол зацепления. С учетом б

принять sin 2б = 0,6428;

[у]H - допускаемое контактное напряжение, МПа.

Для первой ступени:

Для второй ступени:

Расчет зубьев прямозубых колес на выносливость по напряжениям изгиба:

где Y_F - коэффициент формы зуба, принимаем Y_F = 4,03 .

F_i1- сила сопротивления на зубе солнечного колеса, Н

Для первой ступени:

Для второй ступени:

- коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки по ширине зуба.

- коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении

- допускаемое изгибное напряжение, МПа.

2.7 Определение главных размеров статора и ротора асинхронного двигателя

Значения размеров статора и ротора двигателя необходимы при работе над сборочным чертежом мехатронного модуля. Размерами обмоток статора и ротора можно задаваться исходя из величин размеров сердечников статора и ротора в соответствии с пропорциями, показанными на рисунке из методических указаний для выполнения курсового проекта. Для расчета размеров основных размеров двигателя воспользуемся рекомендацией следовать плану, представленному в таблице 9-12 справочника «Проектирование электрических машин: Учебник для вузов/ Под ред. О.Д. Гольдберга.

Рис. 8 Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4А200

Количество пар полюсов:

Размеры, конфигурация и материал магнитной цепи двигателя.

Таблица 4 - Привязка высот оси вращения к мощности двигателя.

Выбираем высоту оси вращения h=80 мм (Таблица 4). Определяем соответствующий типоразмер (Таблица 5).

Выбираем максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора: D_H1max =139мм.

Принимаем D_H1=139 мм.

Внутренний диаметр сердечника статора находим по формуле:

Таблица 5 - Основные характеристики сердечника статора.

Выбираем k_н=0,9 согласно зависимости

Средние значения k_н=f(P₂) асинхронных двигателей

Рис. 9

Определяем КПД при номинальной нагрузке , з',о.е. = 0,58

Среднее значение з=f(P2) асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором рис. 10

Среднее значение cosц асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором рис. 11



Рис. 10

Рис. 11 cosц = 0,67

Принимаем предварительное значение обмоточного коэффициента для 2р=8: k_об= 0.94. Электромагнитные нагрузки A и B' зависят от формы пазов и типов обмоток статора. Зная исполнение по защите и способ охлаждения определим значение А^? и B' .А^? = 220, В^? = 0,85*1,2



Рис. 12

Рассчитываем длину сердечника статора:

где P' - расчетная мощность:

округляем l до ближайшего целого числа. l=74

Наружный диаметр ротора определяем по формуле, с учетом, что зазор в машине принимаем равным 0,25 мм:

внутренний диаметр листов ротора:

Отношение:

целесообразно выбирать таким, чтобы оно приближалось к предельному допускаемому отношению л_max, вычисляемому для двигателей от 2p=4 по фор- муле:

Количество пазов сердечника статора:

зависит от выбранного количества пазов на полюс и фазу, принимаем

z1 = 3 .

2.8 Расчет тормозного устройства мехатронного модуля

На рисунке 6 представлен общий вид дискового электромагнитного тормозного механизма.

Рис. 13

В дисковом электромагнитном тормозе представленном на рисунке, диски 1 соединены с помощью шлицевого соединения с полумуфтой 2, а тормозные диски 3 - полу-муфтой 4. Зазор между дисками 1 и 3 рекомендуется принимать д = 0.3...0.5 мм. Диски имеют осевую подвижность. Под действием пружины 5 они смещаются и приходят в соприкосновение друг с другом, образуя фрикционные пары.

Число фрикционных пар, необходимое для затормаживания подвижного звена, нагруженного вращающим моментом Т (момент следует принимать равным моменту двигателя ММ с небольшим запасом, равным 10%), находят из условия износостойкости:

где q - давление на трущихся поверхностях;

K - коэффициент, учитывающий эксплуатационные условия, K=1.5;

Dн - наружный диаметр кольца контакта дисков;

Dв - внутренний диаметр кольца контакта дисков;

Dср - средний диаметр кольца контакта дисков;

ш - коэффициент рабочей ширины дисков;

b - рабочая ширина дисков



[q] - допускаемое давление на трущихся поверхностях.

f - коэффициент трения скольжения материалов дисков;

Допускаемое давление и коэффициент трения

Таблица 5

Для разрабатываемого ММ выбираем дисковый тормоз с фрикционными парами из закаленной стали. По таблице выбираем [q]=2 МПа и f=0.1

При определении значения Т необходимо учесть, что момент двигателя М2 в таблице приведен для частоты вращения, равной 1500 об/мин. Поэтому если частота вращения вала двигателя по заданию равна 1000 об/мин, то табличное значение момента М2 необходимо умножить на 1,5

Вращающий момент Т

По формуле

определяем количество фрикционных пар, необходимых для дискового тормозного устройства с выбранными размерами

следовательно, исходя из полученного значения параметра Z, необходима одна фрикционная пара

Необходимая сила пружины при Z пар тормозных поверхностей равна

Растормаживание осуществляют с помощью электромагнитов, суммарное усилие которых должно быть больше силы пружины:

где Fэ - усилие одного электромагнита;

n - число электромагнитов.

2.9 Описание состава и принципа работы мехатронного модуля

Корпус планетарной передачи состоит из набора элементов: передняя опора №8, средняя опора №24, средняя опора № 7, средняя опора № 6, средняя опора № 5, средняя опора №10, Задняя опора № 49. Все элементы корпуса надежно соединены между собой винтами.

Конструктивно ПП представляет собой набор взаимозацепленных зубчатых колёс, часть из которых имеет общую геометрическую неподвижную ось вращения - колесо корончатое 23, а другая часть имеет подвижные оси вращения.

Сателлиты 22, концентрически вращающиеся на так называемом «водиле» 26 вокруг солнечного колеса 20. Зубчатые колёса на неподвижной оси всегда связаны друг с другом не напрямую, а через зубчатые колёса на подвижных осях, а ввиду того, что вторые способны не только вращаться относительно первых, но и обкатывать их, тем самым передавая поступательное движение на водило.

Водило первой ступени 25 соединен с валом второй ступени - промежуточный вал 17, а водила второй ступени 26 соединен с выходным валом - вал шпиндельный 18.

Электродвигатель состоит из двух основных элементов: статора 2 и ротора 3. Вал электродвигателя подключен к тормозному устройству. Торможение модуля осуществляется за счет фрикционной пары. При выключенном питании пружины прижимают неподвижный диск 14 к подвижному тормозному диску 15, который закреплен на валу, что не позволяет элементу линейно перемещаться. При подаче напряжения питания срабатывают электромагниты и притягивают тормозной диск, что способствует свободному вращению полого вала.

Для координирования мехатронного модуля и определения скорости его перемещения используется растровый датчик модели Honeywell SR17C-J6 47 Данный датчик определяет частоту вращения и скорость позиционирования мехатронного модуля.

3. Информационная подсистема мехатронного модуля

Выбор датчика для ММ, обоснование выбора, их описание

Для измерения угла и скорости поворота наиболее часто применяются оптические энкодеры или растровые оптические энкодеры.

Главными критериями при выборе датчика являются точность, разрешение и защита от мелкодисперсных помех. Поэтому, обычный оптический энкодер не подходит вследствие того, что ММ не имеет защиты от пыли, которая вносит существенную погрешность в измерительный сигнал.

В качестве датчика ММ выбираем щелевой датчик Honeywell SR17C-J6. Корпус датчика изготавливается из металла или пластмасс. В датчик встроены триггерные и усилительные цепи. Технические характеристики датчика представлены в таблице, назначение выводов датчика - в таблице, габариты щелевого датчика - на рисунке.

Рис. 14

Выбранный датчик, помимо определения положения ротора двигателя, также позволит измерять скорость перемещения и положение выходного звена ММ.

Заключение

Переход от традиционных механизмов и агрегатов к мехатронным модулям и системам является качественным скачком. Его реализация невозможна без изучения разработчиком последних достижений механики, электроники, компьютерной техники и умения оперировать современными методами расчета и конструирования.

В данном курсовом проекте были произведены расчёты планетарной передачи, размеров статора и ротора, параметров тормозного устройства, выбран датчик для измерения угла поворота вала мехатронного модуля.

Выполнены расчеты зубчатых зацеплений на прочность и долговечность. Зубчатые колеса выполнены с химико-термическим упрочнением - цементированием.

Проверочные расчеты подтвердили работоспособность основных элементов конструкции.

Выбран наиболее рациональный вариант в виде двухступенчатого планетарного механизма. После был спроектирован сборочный чертёж мехатронного модуля, проведена деталировка нестандартных изделий.

В результате проектирования был разработан мехатронный модуль, отвечающий заданным условиям.

планетарный статор датчик мехатронный

Список использованных источников

1. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов / Под ред. О.Д. Гольдберга. - М.: Высшая школа, 1984.

2. Введение в мехатронику: Учебное пособие/ А.К. Тугенгольд, И.В. Богуславский, Е.А. Лукьянов и др. Под ред. А.К. Тугенгольда. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 1999.

3. В.И. Анурьев. Справочник конструктора машиностроителя: В 3-х то- мах - 7-е изд., перераб. и доп. / М.: Машиностроение, 1992.

4. А.Е. Шейнблит. Курсовое проектирование деталей машин. Москва, «Высшая школа», 1991.

5. О.Д. Егоров, Ю.В. Подураев. Конструирование мехатронных модулей: Учеб- ник. Изд. второе, исправл. и доп. - М.: Изд-во «Станкин», 2005

6. А.М. Бражников, В.М. Домрачеев. Цифровые преобразователи угла единого ряда для приводов широкого применения/Журнал «Приводная техника» №1, 1998

7. М.А. Аванесов, А.И. Балковой. Оптимизация электромагнитной структуры линейных мехатронных модулей/Журнал «Приводная техника» №5, 2001

8. М.А. Босинзон. Автоматизированные мехатронные модули линейных и враща-тельных перемещений/Журнал «Приводная техника» №1, 2002

9. Г.Б. Онищенко. Промышленный электропривод - некоторые итоги развития/ Журнал «Приводная техника» №2, 2001

10. М.А. Босинзон. Новые конструкции электромеханических шпиндельных уз- лов/ Журнал «СТИН» №5, 2004

11. Л.А. Садовский. В.Л. Виноградов. Развитие регулируемого электропривода с новыми типами машин переменного тока / Журнал «Приводная техника» №2, 2001

12. А.А. Петунин. Определение положения ротора в вентильном индукторном электроприводе / Журнал «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» №8, 2004

Размещено на Allbest.ru

...