1. Максимальний крутний момент у режимі затягування або зриву гайки М _мах = 300…1000 Нм; приймаємо М _мах = 700 Нм.

2. Номінальна частота обертання вала електродвигуна, n_д=750, 1500, 2000, 2500 хв^-1; приймаємо n_д=1500 хв^-1.

3. Середня частота обертання провідної напівмуфти гайковерта, ; приймаємо .

4. Число кулачків напівмуфти, Z=3.6; приймаємо Z=3.

5. Кут, що доводиться на один кулачок муфти в площині кола, що ділить висоту кулачка навпіл,ц_К =25.35…35?; приймаємо ц_К =30?.

6. Кут, що доводиться на одну западину напівмуфти в тій самій площині, ц_З =30.90?; приймаємо ц_З =90?.

7. Висота кулачка, h=0,01.0,02 м; приймаємо h=0,015 м.

8. Ширина кулачка, b=0,015.0,030 м; приймаємо b=0,020 м.

9. Зовнішній діаметр напівмуфти d₃=0,06…0,120 м; приймаємо d₃=0,08 м.

10. Кут між бічними поверхнями кулачків, у площині, перпендикулярної до радіуса r₀, він відповідає середині кулачка, згідно з рисунком 3.3, б=10.40?; приймаємо б =30?.

11. Ступінь нерівномірності частоти обертання маховика при роботі гайковерта з максимальним крутним моментом, =0,3.0,5; приймаємо =0,33.

12. Маса провідної напівмуфти m=0,8.2 кг; приймаємо m=1 кг.

Рис. 3.1 - Кінематична схема інерційно-ударного гайковерта

Для спрощення розрахунку гайковерта приймаємо деякі припущення.

Будемо вважати, що взаємодія кулачків кулачкової муфти здійснюється без тертя, а момент інерції обертових деталей гайковерта є незначним у порівнянні з моментом інерції маховика.

Розрахунок починаємо з більш детального розгляду взаємодії кулачків провідної і веденої напівмуфт у різних режимах роботи з рис.3.2 На даному рисунку показане положення кулачків напівмуфт на той момент, коли при їхньому з'єднанні під дією зусилля пружини Р провідна напівмуфта починає входити в зачеплення з веденої.

Рисунок 3.2 - Силова взаємодія напівмуфт

Рисунок 3.3 - Кулачкова муфта

При куті повороту 2г₀ торцеві поверхні напівмуфт переміщалися одна під іншу, а зусилля пружини Р урівноважувалося реакцією R.

Якщо зневажити можливим процесом взаємодії поверхонь кулачків під час переміщення провідної напівмуфти на розі повороту г₁, рисунок 3.2а, то цей процес переміщення може бути охарактеризований як вільне прискорення провідної напівмуфти під дією пружини до того моменту, поки вона не переміститься на відстань h, що відповідає висоті кулачка. Важливо, щоб цей процес закінчився на продовженні кута повороту г₁+ г_2. Тоді кулачки провідної напівмуфти в момент зустрічі з кулачками веденої будуть займати положення, показане на рисунку 3.2б, і їхня взаємодія буде здійснюватися по всій поверхні кулачків.

У момент взаємодії поверхонь кулачків починається процес закручування (або відкручувания) гайки. Якщо момент опору при закручуванні не створить осьового зусилля більшого, ніж зусилля пружини, то положення кулачків буде зберігатися до моменту, коли почнеться затягування гайки.

При цьому провідна напівмуфта буде передавати крутний момент на ведену, створюючи зусилля N, що перпендикулярне поверхні кулачка.

Зусилля N створює дві сили, тангенціальну Т, що і передає крутний момент, і вісьову R, що компенсується дією пружини Р.

Різке уповільнення з гайки й з нею веденої й провідної напівмуфт, приводить до віддачі кінетичної енергії маховика, що спричиняє стрімке зростання зусилля N й осьового зусилля R, рисунок 3.2в. Обмеження зусилля Т_мах, і відповідно крутного моменту на вихідному валу М_мах, буде виражатися спільною дією пружини Р и силою інерції провідної муфти Р_j, що з'являється внаслідок її переміщення під дією зусилля R. Передача крутного моменту припиняється після виходу кулачків із зачеплення, положення рисунок 3.2в.

Відповідно до прийнятої умови, частота обертання під час передачі крутного моменту не повинна зменшитися більш ніж на 33% (д=0,33). Далі буде виконуватися процес розгону провідної напівмуфти за час проходження кута 2г₀+2г₁+г₂ і циклічне повторення передачі крутного моменту. При цьому потужність двигуна повинна бути достатньою для відновлення номінальної частоти її обертання до повторного удару.

Залежність крутного моменту на вихідному валу від кута повороту провідної напівмуфти в процесі затягування гайки показана на рисунку 3.3 При зриванні гайки знак крутного моменту зміниться на протилежний.

Спочатку виразимо кути, які відповідають процесам взаємодіям напівмуфт, через радіани.

Очевидно, що г₂ = ц_{з -} ц_к і згідно з умовою г₂ = 90-30=60°, що 1,5 рад.

Рисунок 3.4 - Залежність моменту, що крутить, від кута повороту кулачкової муфти

Кут г₁ можна визначити, знаючи довжину хорди, що стягає дугу, що відповідає цьому куту на зовнішній поверхні муфти, рисунок 3.2в, із трикутника АВС де АС - шукана довжина хорди

(2.1)

Знаючи зовнішній діаметр муфти d₃ і довжину хорди, що стягає дугу, можна визначити кут, що відповідає цій дузі

(2.2)

У радіанах цей кут складе г₁ = 0,1 рад. Тоді, очевидно (рисунок 3.2а) кут г₀

(2.3)

Визначимо максимальне тангенціальне зусилля, що забезпечує передачу максимального крутного моменту.

Якщо врахувати, що при положенні кулачків, що відповідає передачі максимального крутного моменту (рисунок 3.2в) їхній контакт здійснюється по лінії, віддаленої від центра напівмуфт на відстані d_3/2, то Т_мах, прийме значення

(2.4)

Відповідно до цього осьове зусилля, що виникає при передачі максимального крутного моменту, може бути визначене згідно з рисунком 3.2 у по залежності

(2.5)

Визначимо силу інерції, що виникає при переміщенні провідної напівмуфти під дією осьової сили R, допустивши, що її прискорення здійснюється рівномірно. Шлях, що проходить напівмуфта під час прискорення, становить h. Час, за який здійснюється прискорення, дорівнює часу, за яке напівмуфта повертається на кут г_1. Для визначення цього часу спочатку переведемо середню частоту обертання провідної муфти в кутову швидкість

(2.6)

Час, за який муфта проходить кут г₁, визначається по залежності

(2.7)

Середнє прискорення напівмуфти під дією осьової сили може бути знайдене по відомій залежності для рівноприскоренного руху

(2.8)

Сила інерції, що виникає під час прискорення провідної напівмуфти, визначається за другим законом Ньютона

(2.9)

Різниця повинна забезпечуватися зусиллям пружини Р_max при найбільшій її деформації

(2.10)

Знаючи деформацію пружин, рівну висоті кулачка, і, задавшись попереднім натягом, можна визначити твердість пружини й виконати її розрахунок. При цьому необхідно враховувати, що середнє зусилля пружини повинне забезпечувати таке прискорення провідної муфти, що забезпечує входження кулачків у повне зачеплення за час, що відповідає повороту провідної муфти на кут г₁ + г_2. Прийнявши зусилля попереднього натягу пружини Р_min= 0,7 Р_max, визначаємо середнє зусилля пружини, Н

(2.11)

Використовуючи залежність (3.11), визначимо, яке прискорення (при допущенні, що рух провідної напівмуфти під дією пружини є рівноприскоренним) забезпечить пружина із середнім зусиллям

(2.12)

Використовуючи залежність (3.8), визначимо, за який час буде пройдена відстань, рівне висоті кулачка h при середнім прискоренні а

(2.13)

У такий спосіб пружина із середнім зусиллям уведе в зачеплення кулачки за час на відстані h і протягом повороту г₁ + г₂.

Використовуючи вираження (3.7) визначимо, за який час пройде провідна напівмуфта кут г₁ + г₂ при заданій частоті

(2.14)

Тому що >, те зусилля пружини достатнє для того, щоб забезпечити повне з'єднання муфт до моменту контакту бічних поверхонь кулачків по малюнку 3.2в.

Якщо <, необхідно коректувати наступні параметри: , щоб досягти

>, (2.15)

Оскільки розрахунок виконаний з деякими спрощеннями, то для точної установки М_mах у конструкції гайковерта необхідно передбачити можливість зміни попереднього натягу пружини - Р_min.

Розрахунок необхідного моменту інерції маховика, що забезпечить досягнення М_mах, при заданому ступені нерівномірності частоти обертання виконуємо по залежності

(3.16)

де - надлишкова робота крутного моменту, тобто перевищуючу середню роботу за цикл.

Для визначення надлишкової роботи крутного моменту спочатку визначимо середню роботу з рис.3.4 Для цього необхідно площа, що перебуває під графіком зміни крутного моменту, привести до середньої роботи за цикл. Якщо вважати, що під графіком моменту площа є прямокутним трикутником з висотою М_mах і підставою г₁, то площа такого трикутника (робота за цикл) дорівнює

(3.17)

Тоді середній за цикл крутний момент можна визначити за формулою

(3.18)

Надлишкова робота крутного моменту визначається як площа трикутника, що розташований над лінією, що відповідає середньому крутному моменту.

Висота цього трикутника М_{mах -} , а підстава г_х може бути визначена із пропорції

(3.19)

Тоді надлишкова робота, Дж:

(3.20)

Визначимо необхідний момент інерції маховика відповідно до рівняння (3.16)

, (3.21)

де

- радіус маховика; - товщина маховика; - щільність (для сталі =7800 кг/м³). Прийнявши товщину маховика 0,03 м, по залежності (3.21) можна визначити необхідний радіус маховика, м:

(3.22)

Необхідна потужність двигуна гайковерта визначається за залежністю, квт

(3.23)

де - передаточне число клиноремінної передачі

, (3.24)

- максимальна частота обертання провідної напівмуфти

(3.25)

- механічний КПД привода гайковерта; ;

- середній момент за цикл;

Завдання до виконання 2-го типу задач контрольної роботи №2

[у] - номінальна напруга, що допускається, МПа. [у] = 0,5 у_т,

Тобто коефіцієнт запасу міцності 2. Тоді для сталі 65Г [у] = 300 МПа,

Момент, що крутить, передаючий валом, Н ? м,

,

де r₁ - приведений радіус тертя на опорній поверхні (для упорного підшипника ковзання при вибраних розмірах гвинта рівний 0,04 м);

М_тр= G • f₁ • r₁ - момент тертя на цій поверхні, Н • м;

f₁ - коефіцієнт тертя в підшипниках, зазвичай рівний 0,1;

d₂ - середній діаметр різьблення;

ш - кут підйому гвинтової лінії, град;

с' - кут тертя (для упорного різьблення можна прийняти 5,72°, для трапецієдальної - 5,91°).

,

де ш < с' - умова самогальмування.

Для вибраного різьблення

?;

Отже, діаметр гвинта вибраний вірно.

Вибір електродвигуна

,

де n - оберти валу.

Знаючи висоту підйому Н, час підйому Т і крок різьблення t, знайдемо число зворотів за 600 с:

.

Потрібна потужність приводу складе

Поділивши це значення на ККД приводу (з=0,85), отримаємо

Передавальне число редуктора складає при n = 70,80 хв^-1

Це може бути черв'ячний або шестерний редуктор. Краще прийняти черв'ячний - він дає додаткове самогальмування. Привід встановлюємо на верхній частині стояка.

Завдання до виконання 3-го типу задач контрольної роботи №3