Pohon míchacího zařízení

Pohon míchacího zařízení

Bakalářská práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Martin Chára

Vedoucí práce: prof. Ing. Ladislav Ševčík, CSc.

Liberec 2016

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

5 Poděkování:

Rád bych poděkoval především panu prof. Ing. Ladislavu Ševčíkovi, CSc., který byl vedoucí mé práce a vstřícně mi poskytoval mnoho cenných rad. Dále děkuji panu Ing. Michalu Petrů, Ph.D. za konzultace v počátcích návrhu celé práce a za poskytnutí podpory a motivace. V neposlední řadě děkuji mé rodině, která mě vždy podporovala ve vzdělání a poskytovala mi povzbudivé a materiální zázemí po celou dobu studia.

6 Anotace:

Bakalářská práce se zabývá konstrukcí pohonného systému pro míchadlo kapalin. Jako hnací člen je zvolen elektromotor, který přes řemenový převod, dvourychlostní převodovku s řaze- ním a pružnou hřídelovou spojku pohání míchadlo v nádobě. Celý pohon je připevněn ke svařovanému rámu. Po návrhu optimálního rozmístění jednotlivých členů a celé koncepce je vypracován 3D model, zkontrolovány navržené součásti a zhotovena výkresová dokumenta- ce.

Klíčová slova:

převodovka, pohon, ozubená kola, míchadlo, ložiska

Annotation:

This bachelor thesis focuses on construction of propulsion system for fluid mixer. As a power unit is chosen electric motor that through belt transmission, two-speed gearbox with gear shifting and elastic shaft clutch propels pitched turbine in vessel. Whole propulsion is fixed to welded frame. After design of optimal distribution of every component and whole con- ception there is made 3D model, checked designed parts and made drawing documentation.

Keywords:

gearbox, propulsion, gearwheels, pitched turbine, bearings

7

Obsah

1. Představení úkolu ... 9

1.1 Cíle práce ... 9

1.2 Zadané parametry ... 9

2. Míchání kapalin ... 10

2.1 Mechanické míchání ... 10

2.2 Dělení míchadel ... 11

2.3 Kontrola výkonu u lopatkového míchadla ... 11

3. Pohonný systém a jeho jednotlivé části ... 13

3.1 Elektromotor ... 14

3.2 Řemenový převod ... 14

3.3 Skříň převodovky ... 15

3.4 Řazení stupňů ... 17

3.5 Spojka ... 18

3.6 Rám ... 19

4. Výpočet pohonu ... 20

4.1 Rozdělení převodů ... 20

4.2 Čelní soukolí ... 21

4.2.1 Kontrola redukovaného čelního soukolí ... 21

4.2.2 Kontrola neredukovaného čelního soukolí ... 24

4.3 Kuželové soukolí ... 27

4.3.1 Kontrola kuželového soukolí ... 27

4.4 Řemenový převod ... 31

4.5 Hřídele ... 33

4.5.1 První hřídel ... 33

4.5.2 Druhá hřídel ... 40

8

4.5.3 Třetí hřídel ... 48

4.6 Kontrola spojů hřídele s náboji ... 54

4.6.1 Rovnoboké drážkování ... 54

4.6.2 Evolventní ozubení ... 56

4.6.3 Spojení pomocí těsných per ... 57

5. Ekonomické zhodnocení ... 58

6. Závěr ... 59

Seznam použité literatury ... 62

Seznam použitých značek, symbolů a zkratek ... 63

Seznam obrázků ... 69

Seznam příloh ... 70

9

1. Představení úkolu

1.1 Cíle práce

Cílem této bakalářské práce je návrh kompletního pohonného systému míchacího zařízení dle zadaných parametrů. Míchací zařízení je určeno k míchání vodných roztoků, na- příklad barev pro zlepšení homogenity média. Zařízení může míchat roztoky s hustotou okolo 1000 kg/m³. Návrh bude obsahovat volbu elektromotoru s ohledem na vhodné otáčky vzhle- dem k celému systému a hmotnosti, konstrukci skříně převodovky, u které musíme zohlednit kusovou výrobu a proto volit ekonomicky vhodnou technologii výroby, dále návrh a pev- nostní kontrolu čelních a kuželových ozubených kol, způsob řazení jednotlivých stupňů pře- vodu a výběr spojky mezi výstupem převodovky a míchadlem. Celý pohon bude uložen na svařovaném rámu z normalizovaných profilů, na kterém bude vyřešeno napínaní řemene u řemenového převodu mezi elektromotorem a převodovkou.

Při konstrukci bude důležité uvažovat, že se jedná o návrh pro kusovou výrobu a pro- to volit vhodné materiály, technologii výroby a použití normalizovaných dílů. Jednotlivé sou- části převodovky a samotná skříň musí splňovat požadavky na bezpečnost, trvanlivost a vy- robitelnost. Jedním ze zadaných parametrů je redukce otáček a z toho plynoucí konstrukce dvourychlostní převodovky, kde jednotlivé stupně budou v chodu 50% celkového času zatí- žení. Tento kombinovaný režim zatížení je nutno zohlednit při volbě a kontrole životnosti ložisek, ve kterých budou vhodně uloženy hřídele kontrolované na vrubovou citlivost. Sou- částí práce je vytvoření 3D modelu celého pohonného systému včetně rámu a nádoby s mí- chadlem. Dále pak 2D výkresy vybraných součástí a ekonomické zhodnocení návrhu.

1.2 Zadané parametry

 výstupní otáčky na míchadle 240 ot./min

 výkon celého systému 4kW

 redukce výstupních otáček na hodnotu 160 ot./min

 rozdělení převodů dle doby zatížení 1:1

 kusová výroba N<20 ks/rok

 požadovaná trvanlivost 10000 hodin

 míchání kapalin s hustotou ρ=1000 kg/m³ a dynamickou viskozitou η≤ 0,1 Pa·s

10

2. Míchání kapalin

Míchání kapalin je velmi častý technologický proces v chemickém, farmaceutickém i potravinářském průmyslu. Jeho hlavním cílem je například rozptýlení jedné nebo více složek v základní kapalině, intenzifikace výměny tepla, homogenizace dvou nebo více neomezeně mísitelných složek roztoku, příprava emulzí a suspenzí nebo urychlení chemických reakcí. Při míchaní se může jednat i o kombinaci výše uvedených cílů. Častý jev při míchaní kapalin je změna výsledného objemu, jinými slovy konečný objem není součtem objemů jednotlivých složek. Míchaní lze rozdělit na hydraulické, míchání v potrubí, pneumatické a mechanické, kterého se bude týkat tato práce.

2.1 Mechanické míchání

Tento způsob míchaní je realizován pomocí míchadla pevně upevněného na hřídeli, které je umístěno ve vhodné výšce nad dnem nejčastěji válcové nádoby s rovným nebo kle- nutým dnem. Pokud je míchadlo umístěno v ose nádoby, vzniká tangenciální proudění a dojde k roztočení kapaliny a vzniku tzv. středového víru, který je nežá-

doucí, jelikož dochází k zmenšení intenzity míchání (obr. 1). Aby nedo- cházelo k tomuto jevu, umísťují se do nádoby po obvodu narážky, které podporují axiální a radiální proudění a významně tak urychlují rychlost homogenizace. Pokud bychom narážky umístili přímo ke stěně nádoby, vznikly by zde mrtvá místa bez proudění a proto se umísťují mírně od- sazené od stěn. Při použití hranatých nádob není potřeba

narážek.

Podle typu míchadla nám v nádobě vzniká proudění axiální nebo radiální(obr. 2). Při axiálním proudění je kapalina hnána ke dnu nebo k hladině středem nádoby a vrací se po- dél stěn. U proudění radiálního nám kapalina směřuje kolmo na stěnu, kde se rozděluje na dva proudy z nichž jeden smě- řuje podél stěny vzhůru a vrací se středem dolů k míchadlu a druhý směřuje dolů a vrací se středem vzhůru k míchadlu.

Obrázek 1: Vznik středového víru

Obrázek 2: Axiální a radiální proudění

11 2.2 Dělení míchadel

Míchadla dělíme na rychloběžná a pomaloběžná. Mezi pomaloběžná řadíme míchadla listová, rámová, šroubová, kotvová a pásová, jak je vidět na obr. 3. Rychloběžná míchadla jsou turbínová, lopatková, vrtulová a disková, viz obr. 4.

Obrázek 3: Pomaloběžná míchadla

Obrázek 4: Rychloběžná míchadla

2.3 Kontrola výkonu u lopatkového míchadla

V této práci se budu zabývat návrhem pohonu pro rychloběžné míchadlo lopatkového typu se šesti lopatkami. Jednotlivá míchadla mají různé příkonové charakteristiky. Pro tento konkrétní případ volím průměr míchadla d=0,5 m, hustotu míchané kapaliny ρ=1000 kg/m³. Otáčky v redukovaném režimu nA=160 ot./min. =2,7 ot./s. a v normálním režimu nB = 240 ot./min.= 4 ot./s., míchadlo CVS 69 1020.

Obrázek 5: Míchadlo CVS 69 1020

12 Z diagramu odečítám hodnotu příkonového čísla Po=1,65 a příkony pro oba re- žimy tedy budou:

režim A:

W n

d Po

P_A   ⁵ _A³ 1,6510000,5⁵2,7³ 1015

režim B:

W n

d Po

P_B   ⁵ _B³ 1,6510000,5⁵4³ 3300

Z toho vyplývá, že pohon s výkonem 4 kW je dostatečně dimenzovaný pro tento případ a můžeme ho tedy použít.

13

3. Pohonný systém a jeho jednotlivé části

Obrázek 6: Celkový model

Pohon celého mechanismu zajišťuje elektromotor připevněný pomocí šroubů k desce na rámu ve vhodné vzdálenosti, aby byl napnutý řemenový převod. Dále je výkon transfor- mován v převodovce, kde můžeme zařadit požadovaný stupeň převodu pomocí páky na bo- ku. Směr výstupního hřídele jsem zvolil vertikální a umístěný přímo proti hřídeli míchadla, takže je možno použít k propojení pružnou hřídelovou spojku, která nám částečně koriguje úhlové výchylky. Samotná převodovka je připevněna přes distanční pásové podložky k rámu šrouby. Model, který je vidět na obr. 6, byl vytvořen v software Autodesk Inventor Professio- nal 2015.

14 3.1 Elektromotor

Jako pohon celého systému volím asynchronní motor s kotvou nakrátko od firmy Siemens, která je špičkou ve výrobě elektroniky a proto lze očekávat bezporuchovost zaříze- ní. Vzhledem k tomu, že nemáme zadané požadované vstupní otáčky, můžeme volit mezi 2- pólovým, 4-pólovým,6-pólovým a 8-pólovým vinutím. Při volbě proti sobě působí dva fakto- ry, čím vyšší je počet pólů tím jsou menší výstupní otáčky elektromotoru a z toho plynoucí výhoda menšího „zpřevodování" na celém systému. Nicméně s počtem pólů nám vzrůstá hmotnost, což musíme brát v úvahu, protože musíme dodržet podmínku relativně snadné instalace do rámu.

Zde uvádím tabulku pro 4 kW asynchronní motor s kotvou nakrátko:

Vinutí Výstupní otáčky [ot./min.] Hmotnost [kg]

2-póly 2905 29

4-póly 1440 31

6-pólů 950 46

8-pólů 715 61

Z těchto parametrů volím elektromotor se 4-mi póly, protože hmotnost se zvýší pouze o 2 kilogramy, což je vzhledem k celkové hmotnosti zanedbatelné. Touto volbou získáme zhruba o polovinu menší výstupní otáčky a můžeme tak rovnoměrně rozdělit převodové poměry mezi řemenový převod, čelní ozubení a kuželové ozubení. Pokud bychom zvolili více pólů, hmotnost by prudce vzrostla a instalace už by mohla být obtížná. Označení elektromotoru dle katalogu je 1LA7-113-4AA10.

3.2 Řemenový převod

Jako primární přenos kroutícího momentu mezi elektromotorem a samotnou převo- dovkou volím klínový řemen. Výhodou řemenového převodu je tichost chodu, tlumení vibra- cí, cena a funkce i při vysokých obvodových rychlostech. Nevýhodou je, že může nastat prokluz a nebudeme mít zaručen stalý převodový poměr, což nám ale v tomto případě neva- dí, protože míchadlem nepotřebujeme otáčet naprosto přesnou konstantní rychlostí. Další nevýhodou by mohla být i nutnost použití vetší osové vzdálenosti, kterou tento způsob po- honu vyžaduje, nicméně zástavbové prostory nám poskytují dostatek místa.

15 Pro volbu tohoto primárního převodu je rozhodující i fakt, že lze všechny součástky v normalizovaných velikostech nakoupit, což je ekonomicky výhodné při kusové výrobě. Další výhodou je snadná oprava v případě poškození řemene, nebo pokud by řemen byl na konci své životnosti. Pokud by bylo zapotřebí dodatečně upravit celkový převod soustavy, lze tuto modifikaci provést novými, vhodně zvolenými, řemenicemi bez nutnosti zásahu do převo- dovky a nutnosti vyrábět nová ozubená kola. Jako dodavatele řemenů a řemenic volím čes- kou firmu TYMA, která se na tyto výrobky specializuje a má široký sortiment, kde lze nalézt vhodné průměry řemenic i délky řemenů.

Vzhledem k navrhnutému převodovému poměru a přenášenému výkonu volím tyto řemenice s označením SPZ100-02 TB s průměrem 100 mm a SPZ200-02 TB s průměrem 200 mm. Řemeny volím 2 (viz. výpočet níže) s katalogovým označením SPZ1550Lw.

Obrázek 7: SPZ řemen

3.3 Skříň převodovky

Při návrhu skříně je klíčová technologie, jakou bude vyráběna. Dva nejrozšířenější způsoby výroby jsou odlévání a svařování. Teprve po výběru technologie můžeme navrhnout samotný tvar skříně. Pokud bychom zvolili odlévání, můžeme použít tenčí stěny, hliníkovou slitinu a tím dosáhli úspory materiálu a hmotnosti. Nicméně odlévání je způsob ekonomicky výhodný pouze pro vetší série výroby a vzhledem k přepokládané kusové výrobě pohonu je výhodnější svařovaná skříň. Aby byla výroba jednoduchá a proveditelná běžným svařováním, navrhl jsem skříň jednoduchého hranolového tvaru, která se skládá z ocelových desek opat- řených zámky pro jednoduché sestavení při výrobě a zlepšení přesnosti. Ve skříni jsou v mís- tech uložení ložisek umístěny válcové návarky, aby byla zajištěna dostatečná podpora pro ložiska. Skříň má jednu dělící rovinu procházející osami hřídelí, na kterých jsou umístěna čelní ozubená kola a má tak dvě části.

16

Obrázek 8: Skříň spodek

Obrázek 9: Skříň vršek

Obrázek 10: Zámky na skříni

17 3.4 Řazení stupňů

Mezi požadovanými parametry byla možnost redukce výstupních otáček a z toho ply- ne použití dvoustupňové převodovky. Způsobů, jak řadit jednotlivé stupně, je několik, napří- klad elektromagnetická spojka, která přenáší kroutící moment pomocí elektromagneticky ovládaných lamel. Dále kapalinová spojka, která se skládá z čerpadlového-hnacího kola a turbínového-hnaného kola, její nevýhodou je trvalý prokluz a tím zahřívaní celého ústrojí.

Obě tyto spojky mají výhodu řazení za chodu, nicméně ten není požadován a vzhle- dem k tomu, že řazení nebude tak časté, zvolil jsem zubovou řadící spojku. Její princip spočí- vá v tom, že oba páry ozubených kol jsou ve stálém záběru, ale jedno z nich (to, ve kterém není zasunuta spojka) se protáčí. Zubová spojka má vnitřní rovnoboké drážkování a vnější evolventní ozubení, které zapadá do boku řazených ozubených kol. Rovnobokým drážková- ním je spojena spojka s hřídelí a tento typ spoje umožňuje přenášet kroutící moment, ale zároveň přesunout spojku po drážkovaní, když je požadováno přeřazení.

Samotné posunutí zubové spojky je realizováno pomocí vidličky zasunuté na obvodo- vém osazení. Vidlička je ovládána pákou, na které jsou umístěny zápichy pro aretaci zařaze- ného stupně. Páka je vedena ven ze skříně skrz stěny, ke kterým jsou šrouby připevněny ob- ráběné kostky s otvory sloužící jako vedení páky, aby nedošlo ke ,,zkřížení´´ při řazení. V kost- ce umístěné na vnější stěně skříně je jako těsnění použit O-kroužek a jako aretační pojistka šroub s pružinou a kuličkou ve svém středu od firmy Halder.

Obrázek 11: Schéma a princip zubové spojky

18

Obrázek 12: Páka s vidličkou

Obrázek 13: Aretační šroub

Obrázek 14: Vnější kostka vedení

3.5 Spojka

Pro spojení výstupního hřídele převodovky a hřídele míchadla je potřeba zvolit vhod- nou hřídelovou spojku. Spojka bude přenášet výsledný kroutící moment, ale nepožadujeme u ní rozpojení. Zvolil jsem ozubcovou hřídelovou spojku Gurimax od firmy Stromag. Spojka má dva pevné členy se zuby a mezi nimi pružný mezikus umožňující eliminovat negativní

19 axiální a radiální úchylky spojovaných hřídelů. Pevné členy budou s hřídeli spojeny pomocí těsných per.

3.6 Rám

V zadání práce byl požadován svařovaný rám, který jsem navrhl z normalizovaných profilů. Zvolil jsem čtvercové tlustostěnné trubky u kterých využijeme rovné plochy pro vyvr- tání děr, ke kterým se připevní součásti pohonu. Označení profilů je ČSN EN 10305-5

60x60x3. Na rámu je přivařena deska s oválnými drážkami, kde bude vyřešeno na- pínání řemene posunem motoru.

Obrázek 16: Rám s přivařenou deskou Obrázek 15: Spojka Gurimax

20

4. Výpočet pohonu

4.1 Rozdělení převodů

Obrázek 17: Schéma převodovky

převodové poměry:

 na řemeni iř = 2

 na kuželovém soukolí ik = 1,5

 na čelním soukolí i13 = 2

 na čelním soukolí redukované i12 = 3 výpočet otáček:

 

 

 

 





13 12 1

1 12

2 12

1 13

2 13

1 1 2

min 240

min 160

min 240

min 360

min 2 720

1440

































k B

k A

ř

i n n

i n n

i n n

i n n

i n n

21 výpočet kroutících momentů:

 

 

 

 

 





M i M

m N M

i M

m N M

i M

m N M

i M

m N M

i M

m n N

M P

k B

k A

ř

















































 

 

18 , 159

77 , 238

18 , 159

12 , 106

06 , 53

53 , 26 60 2 1440

4000 2

13 12 2 12 14

2 13 13

1 2

1

1  

Otáčky nA a nB jsou požadované výstupní otáčky n1 jsou otáčky elektromotoru. Momenty MA

a MB jsou výstupní kroutící momenty přenášené na hřídel míchadla.

4.2 Čelní soukolí

V převodovce se nachází dva páry ozubených kol se šikmými zuby, která se vyznačují klidnějším a tišším chodem než kola s ozubením přímým. Při návrhu soukolí jsem využil gene- rátor kol v Inventoru, kde jsem zadal požadované parametry a zároveň kola zkontroloval, zda vydrží přenášený výkon. Následně jsem ještě kola zkontroloval dle normy ČSN 01 4686. Po- třebné rozměry jsem odečetl v generátoru kol. Materiál ozubených kol je nitridovaná ocel 15 230.4

4.2.1 Kontrola redukovaného čelního soukolí Kontrola na dotyk

Součinitele z [2]: K_A 1; K_H1 1,1; K_H2 ^1,025; K_H K_HV 1,2; z_ 0,78; z_H 2,425;

190

zE ; z_R 1; Hlim= 1180 MPa; Shlim=1,3 Úhel sklonu zubu volím ₁= 15°

Rozměry soukolí: b = 25 mm; mn = 3,5 mm; da1 = 54,176 mm; da2 = 152,527 mm;

db1 = 46,017 mm; db2 = 138,059 mm; pb = 7,609 mm; aw = 98,351 mm; d1 = 49,176 mm

22 32

, 1 2 , 1 1 , 1

1 1

1 _A _H  _H  _HV    

H K K K K

K _{ }

23 ,

2 

1

Součinitel záběru

824 , 5 0

, 2

) 15 sin(

25 sin ₁

 

 



 





_ 

mn

b

72 , sin 1 )

( ) (

( 5 ,

0

 









 

b

w b

b a a

p

a d

d d

d





 

F_t Mk 2158

176 , 49

53060 2

2

1 2

1    





S z

h R h P

H 907,7

lim lim  





12 12 1 0

1 i i d b z Ft z z

wh H

E H

 

 













H

549 , 8

3 1 3 176 , 49 25 78 2158 , 0 425 , 2

0

190

 







HP H

H

H











H₁

549 , 8

1 , 32

631 , 7

907 , 7







H₂ 

549 , 8

1 , 23

609 , 8

907 , 7



23 Jednorázové působení největšího zatížení povrchové vrstvy boku zubu

Při míchaní nepředpokládáme rázy, proto KAS = 1. VHV = 800 MPa

 

K Ft

F_t1  _AS 215812158

max 1

max 0 HP

H H

H

Ft

K

Ft 



    





H 631,7

2158 32 , 1 8 2158 ,

max 549

1    







H_2max 609,8







HP_max 3VHV 3800 2400



max max

2 max

1

,

H

 

 

Kontrola únavy v ohybu

Součinitele z [2]: KA = 1; KF_ KH_; K_F1 1,1; K_F2 ^1,025; K_F K_FV 1,2; SFmin = 1,4;

b F lim

 = 705 MPa; Y = 0,9; Y_FS1 4,6; Y_FS2 4,3

FP FS

F n wf

F K Y Y Y

m b

Ft 

    _  _ 

 

FV F

F A

F K K K K

K   _  _  32 , 1 2 , 1 1 , 1

1 1  

KF

23 , 1 2 , 1 025 , 1

2 

1

KF

67 , 8 0 , 2 0 , 0 :

1

:















F 1,32 4,6 0,9 0,67 126,4 5

, 2 25

2158

1     

 



24





F₂ 

110 , 1







S_F

b F

FP

503 , 6

4 , 1 705

min

lim  







FP F

F

 



,



Kontrola největšího zatížení paty zubu

max 1

max F FP

F

Ft

Ft 



   





F 126,4

2158 4 2158 ,

max 126

1   







F 110,1

2158 1 2158 ,

max 110

2   







b F

FSt 1,6 _lim 1,67051128







FST

FP_max 0,8 0,81128 902,4



max max

2 max

1

,

F

 

 

4.2.2 Kontrola neredukovaného čelního soukolí Kontrola na dotyk

Součinitele z [2]: K_A 1; K_H1 1,05; K_H2 1,025; K_H K_HV 1,2; z_ 0,75; z_H 2,4;

190

zE ; z_R 1; Hlim= 1180 MPa; Shlim=1,3 Úhel sklonu zubu volím ₁= 17,595°

Rozměry soukolí: b = 20 mm; mn = 2,5 mm; da3 = 70,567 mm; da5 = 136,135 mm;

db3 = 61,254 mm; db5 = 122,508 mm; pb = 7,697mm; aw = 98,351 mm; d3 = 65,576 mm

25 26

, 1 2 , 1 05 , 1

1 1

1 _A _H  _H  _HV    

H K K K K

K _{ }

23 ,

2 

1

Součinitel záběru

7698 , 5 0

, 2

) 595 , 17 sin(

20 sin ₁

 

 



 





_ 

mn

b

76 , sin 1 )

( ) (

( 5 ,

0

3 2

3      

 

b

w b

b a a

p

a d

d d

d





 

F_t Mk 1618,3 576

, 65

53060 2

2

3 2

1     





S z

h R h

HP 907,7

lim lim  





13 13 1 0

1 i i d b z Ft z z

wh H

E H

 

 













H

465 , 3

2 1 2 576 , 65 20

3 , 75 1618

, 0 4 , 2

0

190

 







HP H

H

H











H₁

465 , 3

1 , 26

522 , 3

907 , 7







H₂ 

465 , 3

1 , 23

516

907 , 7



26 Jednorázové působení největšího zatížení povrchové vrstvy boku zubu

Při míchaní nepředpokládáme rázy, proto KAS = 1. VHV = 800 MPa

 

K Ft

F_t1   _AS 1618,311618,3

max 1

max 0 HP

H H

H

Ft

K

Ft 



    





H 522,3

3 , 1618

26 , 1 3 , 3 1618 ,

max 465

1    







H_2max 516







HP_max 3VHV 3800 2400



max max

2 max

1

,

H

 

 

Kontrola únavy v ohybu

Součinitele z [2]: KA = 1; K_F K_H; K_F1 1,05; K_F2 1,025; K_F K_FV 1,2; SFmin = 1,4;

b F lim

 = 705 MPa; Y_ = 0875; Y_FS14,4; Y_FS2 4,25

FP FS

F n wf

F K Y Y Y

m b

Ft 

    _  _ 

 

FV F

F A

F K K K K

K   _  _  26 , 1 2 , 1 1 , 1

11  

KF

23 , 1 2 , 1 025 , 1

2 

1

KF

65 , 8 0 , 2 0 , 0 :

1

:















F 1,26 4,4 0,875 0,65 102,1 5

, 2 20

3 , 1618

1     

 



27





F₂ 

99 , 6







S_F

b F

FP

503 , 6

4 , 1 705

min

lim  







FP F

F

 



,



Kontrola největšího zatížení paty zubu

max 1

max F FP

F

Ft

Ft 



   





F

102 , 1

3 , 1618

3 , 1 1618 ,

max

102

1   







F

99 , 6

3 , 1618

3 , 6 1618 ,

max

99

2   







b F

FSt 

1 , 6



1 , 6

705

1128







FST

FP_max 

0 , 8



0 , 8

1128

902 , 4



max max

2 max

1

,

F

 

 

4.3 Kuželové soukolí

Aby byla dosažena vertikální orientace výstupního hřídele, bude jako poslední převo- dový stupeň použito kuželové soukolí se šikmými zuby, která mají tišší a klidnější chod. Kola jsem stejně jako čelní ozubení vygeneroval v Inventoru, kde jsem provedl i kontrolu pevnosti.

Materiál ozubených kol je nitridovaná ocel 15 230.4 a kola kontroluji dle normy ČSN 01 4686.

4.3.1 Kontrola kuželového soukolí Kontrola na dotyk

Součinitele z [2]: K_A 1; K_H1 1,05; K_H2 1,03; K_H K_HV 1,2; z_ 0,72; z_H 2,3;

190

zE ; z_R 1; Hlim= 1180 MPa; Shlim=1,3

28 Úhel sklonu zubu volím _m= 25°

Rozměry soukolí: b = 20 mm; met = 3,5 mm; de1 = 77 mm; de2 = 115,5 mm;

pb = 8,016 mm; aw = 156,717 mm; z1=18; z2=27; ik=1,5; 1 = 33,6901°; 2 = 56,3099°; mv = 2,715 mm; dm1=65,912 mm; dm2=98,868 mm

26 , 1 2 , 1 1 , 1

1 1

1  _A  _H  _H  _HV    

H K K K K

K _{ }

236 ,

2 

1

 

F Mk

m

t 4830

912 , 65

159180 2 2

1

 

 







S z

h R h

HP 907,7

lim lim 





k k m H

E

H

i

i d b z Ft z

z 1

1 0

 

 













H 777,5

5 , 1

1 5 , 1 912 , 65 20 72 4830 , 0 3 , 2

0 190   

 





 

HP H

H

H











H₁ 777,5 1,26 872,7907,7







H₂ 777,5 1,236 864,4907,7



29 Bivirtuální kolo: roztečné průměry a počty zubů

) ( cos )

cos(

m v

d d







 

d_v 96,44

) 25 ( cos ) 6901 , 33 cos(

912 , 65

1 2 

 

 

) ( cos )

cos(

v

z z







518 , ) 35 25 ( cos ) 6901 , 33 cos(

22

1 2 

  zv

915 ,

2 79 zv

hlavový průměr virtuálního kola mv1 = mv2 = mv

v v

av

d m

d   2

 

m d

d_av1  _v1

2

96 , 44

2

2 , 715

101 , 87

d_av2 

222 , 423

základní průměr virtuálních kol



 cos



bv

d

d

 

d

d_bv1  _v1

cos 20

96 , 44

cos 20

90 , 624

d_bv2 203,907

30 osová vzdálenost

 

d

a_v d^{v v}

156 , 717 2

993 , 216 44 , 96 2

2

1   



Součinitel záběru

99 , 715 0 , 2

) 25 sin(

20 ) sin(

) cos(

) sin(

)

(



 



 



 



 

















v tm

v m

m b

m p

m b

m m tg b

757 , sin 1 )

( ) (

( 5 ,

0

 









 

tmb

v bv

bv av av

p

a d

d d

d





Kontrola únavy v ohybu

Součinitele z [2]: KA = 1; K_F K_H; K_F1 1,05; K_F2 1,025; K_F K_FV 1,2; SFmin = 1,4;

b F lim

 = 705 MPa; Y_ = 0,78; Y_FS1 4,5; Y_FS2 4,3

FP FS

F n wf

F K Y Y Y

m b

Ft 

    _  _ 

 

FV F

F A

F K K K K

K   _  _  26 , 1 2 , 1 1 , 1

11  

KF

236 , 1 2 , 1 025 , 1

2 

1

KF

66 , 8 0 , 2 0 , 0 :

1

:











tm te

tm

m

Le Lm m

m   

 

b Le

Lm 

0 , 5

59 , 407

 

m_tm  Lm _te 

4 , 089

31

 

m m

m_nm 

cos(  )

3 , 706





F 1,26 4,5 0,78 0,66 190,2 706

, 3 20

4830

1     

 







F₂ 178,3







S_F

b F

FP 503,6

4 , 1 705

min

lim  





FP F

F

 



,



4.4 Řemenový převod

Z hlediska otáček a přenášeného výkonu z [1] volím SPZ úzký řemen, průměr malé řemenice dp:

-dle katalogu TYMA volím průměr dp = 100 mm; osová vzdálenost a= 536,9 mm průměr velké řemenice Dp:

 

i dp

Dp  _ř 

100

2

200

-také z katalogu TYMA

geometrie řemenového převodu úhel opásání malé řemenice







 



 



 







7 , 2 10

arccos 2 2

cos 2

1

a dp Dp a

dp

Dp

























180 15 169 , 3

1

 



úhel opásání velké řemenice















180 180 15 190 , 7

2





32 délka řemene

 

   

a a dp Dp dp

Lp Dp

7 , 1549 9

, 536 9 2

, 536 4

100 200 2

100 200

4 2 2

2 2





 

 

 



 

 







Dle katalogu firmy TYMA volím řemen klínový úzký, TYMA-SPZ 1550 Lw počet řemenů

z [1] volím: -pracovní součinitelé: c1 = 0,96; c2 = 1,1; c3 = 0,88; Pr = 2,51 kW

66 , 97 1 , 0 99 , 0 51 , 2

1 4 Pr _{1 3}

2 





 





 

c c

c z P

volím 2 řemeny bezpečnost

2 , 66 1 , 1

2

 k

silové poměry obvodová rychlost

n1 = 1440 [ot./min.]; ϕ= 19°; f= 0,43; α1=2,9548 [rad]





n

v d^p 6,03 / 19100

1 

 

 

F Mk

p

6 , 100 530

26530 2

1

2   



38 , 19 1 sin

43 , 0

sin 

 

 

f_k f

 

e e

e Fo F _fk

fk

4 , 1 274 1 2

6 , 530 1

1

2 ^1,382,9548

9548 , 2 38 , 1

1

1 



 

 

 

 _^_^ _^

33

 

Fo

Fv 539,7 2

1

1   

 

Fo

Fv

9 , 1

2 1

2   

síla působící od řemenice na hřídel

 

Fv Fv

Fv

Fv_R  ₁² ₂² 

2

cos( 180

 )

548 , 6

4.5 Hřídele

Hřídele jsou v převodovce hlavním nosným prvkem pro ozubená kola, spojky a řeme- nice a pomocí nich transformujeme a přenášíme výkon. Z tohoto důvodu jde o velmi namá- hanou součást a je nutné ji zkontrolovat na různé druhy namáhání. Pro každou hřídel uvažuji dva případy, zařazení redukovaného nebo neredukovaného soukolí a z toho vyplývající různá zatížení. Průběhy momentů jsem zkontroloval pomocí Inventoru. Materiál hřídelí jsem zvolil 11 700.1.

4.5.1 První hřídel

Obrázek 18: První hřídel

34 silové působení při zatížení neredukovaným soukolím

Obrázek 19: Schéma zatížení první hřídele-neredukováno

β=17,595°; Mk2= 53060 Nmm; α=20°

=2

1 =2 060

6 , 76 = 161 ,

=

= 61

= = 1 ,2 Síla od řemene rozdělená do složek β/2=5,28°; Fv1= 539,7 N; Fv2= 9,1 N

= /2 /2 = 49,

= /2 /2 = 46,4

35 xy: -x: = 0

-y: = 0

-MB: 2, 4 167, 60 = 0 xz: -z: = 0

-MB 4 167, 60 = 0

= 4 60

167, = 46,2

= = 1222,6

= 2, 4 60

167, = 220,7

= = 149,1

= = 1 ,2

= 167, 4 2, = 46296 = 167, 4 = 4621

= = 46296 4621 = 6 417

36 silové působení při zatížení redukovaným soukolím

Obrázek 20: Schéma zatížení první hřídele-redukováno

β=15°; Mk2= 53060 Nmm; d1= 49,176 mm

=2

1 =2 060

49,176 = 21

=

= 1 ,2

= = 7

Síla od řemene rozdělená do složek β/2=5,28°; Fv1= 539,7 N; Fv2= 9,1 N

= /2 /2 = 49,

= /2 /2 = 46,4

37 xy: -x: = 0

-y: = 0

-MB: 24,6 126, 167, 60 = 0 xz: -z: = 0

-MB: 126, 167, 60 = 0

= 126, 60

167, = 1647,

= = 461

= 24,6 126, 60

167, = 72

= = 4 ,2

= = 7

= 41 24,6 = 4 944 = 41 = 67 4

= = 4 944 67 4 = 0 4

kontrola ložisek 1. hřídele

ložisko v místě A volím kuličkové jednořadé 6305 a v místě B volím 6206 síly zatěžující ložiska-redukováno

= = 6 0

= = 1 00

= 7

= 0

38 B: z [1] Co= 10000 [N]; = =

= 0,0 7 ;

=

= 0, 9 z [1] X= 0,56 a Y= 2,3

= = 0, 6 6 0 2, 7 = 169 A: = = 1 00

síly zatěžující ložiska-neredukováno

= = 12 1,7

= = 410,6

= 1 ,2

= 0

B: z [1] Co= 10000 [N]; = =

= 0,0 1 ;

=

, = 0,417 ; p=3 z [1] X= 0,56 a Y= 2,3

= = 0, 6 12 1,7 2, 1 ,2 = 1 70 A: = = 410,6

kombinované zatížení

=

100

časové rozdělení převodů 1:1

= 410,6 0, 1 00 0, = 14 4

= 1 70 0, 169 0, = 17

39

= 10

60

A: z [1] C=15600 [N]; nm=720 ot./min.

= 1 600 14 4

10

60 720 = 29 02 B: z [1] C=15000 [N]; nm=720 ot./min.

= 1 000 17

10

60 720 = 1 7 6

Ložiska splňují požadavek na životnost 10000 hodin.

pevnostní kontrola hřídele

Z vypočtených ohybových momentů vyplývá, že hřídel bude více namáhána při zařazeném redukovaném soukolí. Hřídel budu kontrolovat pro tento případ.Vrub-osazení u čelního ozu- beného kola.

Obrázek 21: Vrub v kritickém průřezu první hřídele

Z [1]: 11 700.1; τck=210 [MPa]; σco=295[MPa]; εm=0,95; εp=0,82; β=2,2

=

= 29 0,9 0, 2

2,2 = 104,

40 Mk2=53060 [Nmm]

ohybový moment v místě vrubu

= = 4 062 6244 = 7 2

=

=

2

= 7 2 2

2

= 49,

=

=

16

= 060 2

16

= 17,

= =104, 49, = 2

= = 210

17, = 12,1

=

= 2

4.5.2 Druhá hřídel

Obrázek 22: Druhá hřídel

41 silové působení při zatížení neredukovaným soukolím

Obrázek 23: Schéma zatížení druhé hřídele-neredukováno

β=17,595°; Mk13= 106120 Nmm; βm=25°; Ft1=1618,3 [N]; δ1=33,69°; α=20°

=

= 61

= = 1 ,2

=2

= 2 106120

6 ,912 = 220

=

cos cos tan sin sin = 24

=

cos sin tan cos sin = 1967

42 xy: -x: = 0

-y: = 0

-MB: 200 6 ,6 16 = 0 xz: -z: = 0

-MB: 200 16 = 0

= 200

16 = 4 4,2

= = 941,1

= 200 6 ,6

16 = 04,2

= 902,2

= 14 ,

= 2 = 10 040

= 2 = 71

= = 10 040 71 = 117 20