CC BY
13
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 629.3.015.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-481-486
АНАЛИЗ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО ЧЕРВЯЧНОГО РЕДУКТОРА
О.В. Киселев, О.В. Стукалина, Ю.А. Игнатюк, С.А. Ефанов
В статье описывается процесс моделирования работы червячного одноступенчатого редуктора. 3D модель рассматриваемого редуктора построена в среде SolidWorks. Для анализа динамики исследуемого редуктора был использован штатный функционал SolidWorks Motion. Система SolidWorks Motion позволяет выполнять точное моделирование и анализ эффектов движения элементов в сборках. В результате исследования были внесены изменения в конструкцию деталей Вал тихоходный и Ступица червячного колеса позволяющие увеличить производительность одноступенчатого червячного редуктора.
Ключевые слова: 3D моделирование, редуктор, динамический анализ, SOLIDWORKS Motion.
Целью данной работы был поиск возможных решений для увеличения передаваемой мощности одноступенчатого червячного редуктора за счет внесения изменений в конструкцию входящих в него деталей.
Исследуемый червячный редуктор предназначен для передачи мощности в 1,1 кВт и представлен на рис. 1.
Рис. 1. 3D модель червячного редуктора
Наиболее ответственными деталями редуктора непосредственно участвующие в передаче крутящего момента являются Червяк и Червячное колесо.
Максимально допустимое значение передаваемой мощности этими деталями определялось в SolidWorks Simulation [1-4].
Для этого на Червячный вал были приложены ограничения на перемещения. В места посадки радиально упорных подшипников были проложены ограничения на перемещения в осевом и радиальном направлениях [5]. На боковую поверхность шпоночной канавки было приложено ограничение на перемещение в направлении перпендикулярном к этой грани.
В качестве внешних нагрузок были приложены три взаимно перпендикулярные силы, действующие в зацеплении.
Проведенные расчеты показали, что при передаваемой мощности в 3 кВт напряжения на Червяке немного превысили 41МПа, что является допустимым значением. Диаграмма напряжений детали Червяк с приложенными ограничениями представлена на рис. 2.
Рис. 2. Диаграмма напряжений по Мизесу детали Червяк
Проверочный расчет для червячных зацеплений выполняют по червячному колесу.
Для упрощения расчетной схемы был рассмотрен только венец червячного колеса выполненного из БрА9Ж3Л.
К венцу червячного колеса были приложены ограничения. На места посадки венца были проложены ограничения на перемещения в окружном и радиальном направлениях. На боковую поверхность было приложено ограничение на перемещение в осевом направлении.
В качестве внешних нагрузок прикладывались три взаимно перпендикулярные силы, действующие в зацеплении.
Из полученных результатов видно что напряжения на зубе детали Венец червячного колеса равно 52,244 МПа.
Диаграмма напряжений детали Венец червячного колеса с приложенными ограничениями представлена на рис. 3.
Рис. 3. Диаграмма напряжений по Мизесу детали Венец червячного колеса
Из полученных результатов видно, что напряжения на зубе детали Венец червячного колеса не превысило 52,3 МПа, а следовательно, червячная пара способна осуществить передачу мощностью до 3кВт.
Дальнейшее увеличение передаваемой мощности не целесообразно, так как произойдет превышение допускаемого напряжения на зубе детали Венец червячного колеса, которое равно 63МПа.
Для исследования остальных деталей редуктора был проведен динамический анализ с применением штатного функционала SolidWorks Motion с учетом в расчетах свойств материалов, массы, сил инерции, трения, силы тяжести, упругих и демпфирующих свойств элементов конструкции [6,7].
Модель для выполнения динамического анализа должна обеспечивать адекватность получаемых результатов, но при этом быть экономичной в плане вычислительных затрат. Поэтому в 3 D модель анализируемого редуктора были включены следующие детали: корпус - для обеспечения взаимного расположения валов редуктора, Червяк, Венец червячного колеса, Ступица червячного колеса, Вал тихоходный, элемент двигатель и часть шкива. Полученная модель представлена на рис. 4.
482
Рис. 4. 3D модель редуктора, используемая в динамическом анализе: 1 - червяк; 2 - венец червячного колеса; 3 - ступица червячного колеса; 4 - вал тихоходный; 5 - корпус; 6 - элемент электродвигателя; 7 - часть шкива
Чтобы определить какую мощность способен передавать исследуемый редуктор была смоделирована ситуация когда в начальный момент времени все находится в покое. Затем на деталь Червяк через элемент электродвигателя передается вращательное движение с постоянной частотой вращения 1000об/мин. На деталь часть шкива был приложен вращающий момент, направленный в сторону противоположную вращению Вала тихоходного. Значение вращающего момента в начальный момент времени было равно нулю и стечением времени постоянно увеличивалось.
Наряду с геометрическими сопряжениями в сборке в модель движения включена контактная пара Червяк - Венец червячного колеса и включена сила тяжести.
Система SolidWorks Motion позволяет произвести анализ напряженно-деформированного состояния интересующей детали входящей в исследуемую модель редуктора.
На рис. 5 представлен результат анализа детали Вала тихоходный.
Мнз« [N/m'-i ^^ i.ntt.WJ
Щ ИМН _ < >.1«. :< ?
. (Mle*^/ . uele«:t>
. L 4
I ■<.««• mi
S.iSlt-MJ !;<№№
iLS»«-» i.nie.Mi «.uspmii
Рис. 5. Результат анализа детали Вал тихоходный
Максимальное напряжение равное 80,4МПа возникает на поверхности шпоночного паза при передаваемой мощности в 1,4 кВт, что говорит о невозможности передачи более высоких значений.
На рис. 6 представлен результат анализа ступицы червячного колеса.
Максимальное напряжение равное 81МПа возникает на поверхности шпоночного паза при передаваемой мощности в 1,8 кВт, что говорит о невозможности передачи более высоких значений.
Для увеличения передаваемой мощности было решено внести изменения в конструкцию деталей. У детали Вал тихоходный шпоночный паз был заменен шлицевым соединением, а в конструкцию детали Ступица червячного колеса был добавлен еще один шпоночный паз. Что позволило увеличить значение передаваемой мощности до 2,2 кВт.
Полученные результаты напряженно деформированного состояния измененных деталей представлены на рис. 7 .
■Jiîes M.iTf 'V 8.020е+007 7.352е+007 Ё.685е+007 6.017е+007 5.349е+007 4.681е+007 4.013е+007 3.345е+007 2.677е+007 2.010е+007 1.342е+007 Ё.739е+00б е.03бе+004
Рис. 6. Результат анализа детали Ступица червячного колеса
Nies (№тл2) 4.969е+ 007 4.555е+ 007 4.141е+ 007 3.728е+ 007 3.314е+ 007 2.900е+ 007 2.48бе+ 007 2.072е+ 007 1.Ё58е+ 007 1.244е+ 007 8.30бе+ 006 4.167е+ 006 2.873е+ 004
вал тихоходный ступица червячного колеса
Рис. 7. Эпюры НДС деталей после внесения изменений
Максимальное напряжение равное 58МПа при передаваемой мощности 2,2кВт возникает на шлицевой поверхности Вала тихоходного, а на детали Ступица червячного колеса максимальное напряжение на шпоночном пазу не превышает 49,7МПа. Максимально допустимое напряжение на шлицевой поверхности не должно превышать 70МПа, а на шпоночной поверхности не должно превышать 80МПа.
Из результатов проведенных исследований делаем вывод, что для увеличения передаваемой мощности редуктором в два раза необходимо внести изменения в конструкцию деталей Вал тихоходный и Ступица червячного колеса.
Список литературы
1. Алямовский А.А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде Solid Works. М.: ДМК Пресс, 2010. 784 с.
2. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в Solid Works Simulation. М.: ДМК Пресс, 2010, 464
с.
3. Ефанов С.А. Сингулярность при решении задач методом конечных элементов // Тенденции развития науки и образования. 2019. № 55-1. С. 31-35.
4. Бегеев В.И. Анализ статической прочности и жесткости поворотного кулака электромобиля BRAVOEGO. / В.И. Бегеев, С.А. Ефанов // САПР и графика. 2019. № 12 (278). С. 70-72.
5. Котин А.В. Компьютерное моделирование функционирования восстановленного соединения "подшипник-корпус" шпиндельного узла полимерными композиционными материалами / А.В. Котин , С.А. Ефанов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. Сборник научных трудов международной научно-практической конференции, посвященной памяти доктора технических наук профессора Ф.Х. Бурумкулова. 2016. С. 64-69.
6. Карячкин Я.Г. Динамический анализ деталей двухступенчатого редуктора в SOLIDWORKS / Я.Г. Карячкин, С.А. Ефанов, Е.И. Дуданов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 407-411.
7. Чугунов М.В. Проектирование электромобиля-трайка на базе параметрических CAD/CAE-моделей / М.В. Чугунов, И.Н. Полунина, А.М. Пьянзин // Инженерные технологии и системы. 2020. Т. 30, № 3. С. 464-479. DOI 10.15507/2658-4123.030.202003.464-479.
Киселев Олег Владимирович, магистр, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения МГУ им. Н.П. Огарёва,
Стукалина Ольга Васильевна, магистр, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения МГУ им. Н.П. Огарёва
Игнатюк Юлия Анатольевна, магистр, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения МГУ им. Н.П. Огарёва,
Ефанов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения МГУ им. Н.П. Огарёва
ANALYSIS OF A SINGLE STAGE WORM GEARBOX O.V. Kiselev, O.V. Stukalina, Y.A. Ignatyuk, S.A. Efanov
The article describes the process of modeling the operation of a single-stage worm gearbox. The 3D model of the gearbox under consideration was built in the SolidWorks environment. To analyze the dynamics of the studied gearbox, the regular functionality of SolidWorks Motion was used. SolidWorks Motion allows you to accurately model and analyze the effects of motion in assemblies. As a result of the study, changes were made to the design of the details of the low-speed shaft and the worm wheel hub, allowing to increase the performance of a single-stage worm gearbox.
Key words: 3D modeling, gearbox, dynamic analysis, SOLIDWORKS Motion.
Kiselev Oleg Vladimirovich, master, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Stukalina Olga Vasilievna, master, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Ignatyuk Yulia Anatolievna, master, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Efanov Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov
