Методические указания по технической механике

Министерствообразования Украины
Национальный технический университет Украины
(Киевский политехнический институт)Методические указания
к курсовому проектированию по дисциплине«Техническаямеханика»
для студентов специаль­ностей
“Информационно-измерительная техника"
Киев 2000 г.
Методические указания к курсовому проектированию подисциплине
«Техническая механика» для студентов специаль­ностей“Информационно-измерительная техника" /Сост. В. А.  Бойко, В. C.  Детлинг. — Киев: НТУУ КПИ. 2000.

1 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 Цель курсового проектирования

Курсовой проект по курсу «Техническая механика» является первойсамостоятель-ной комплексной работой студентов в процессе подготовки кинженерной дея­тельности. Цель курсового проекта — систематизировать изакрепить тео­ретические знания, полу-ченные при изучении курсов«Инженерная графи­ка», «Физика», «Химия»,«Математика», «Техническая механика», приобрести навыкипроектирования новых изделий (в част-ности электромеханических устройств сучетом современных требо­ваний); использова-ния справочной литературы, стандартов, единых норм ирасценок;  разработки тексто-вой играфической документации; подготовки к выполнению курсовых проектов попрофилирующим предметам.
Курсовой проект выполняется на основании технического задания,выдаваемого руководителем проекта.
           1.2. Содержание и объем курсового проекта
В процессе работы над курсовым проектом студенты рассчитывают основныепараметры заданного механизма и разрабатывают его конструкцию. Конструкторскаядокументация проекта состоит из пояснительной записки (15-20 страниц),принципиа-льной кинематической схемы, сборочных черте­жей устройства исборочной единицы, рабочих чертежей 5-8 нестандартных деталей (вала, зубчатого колеса,шкалы, пружи-ны, стакана, стойки и т.п.).
Пояснительная записка в общем случае должна содержать следую­щее разделы:
Введение.
Назначение и область применения проектируемого изделия.
Техническая характеристика изделия.
Описание и обоснование выбранной конструкции.
Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность конструкции:
расчет мощности и выбор электродвигателя;
расчет кинематических параметров (определение общего передаточ­ногоотношения и передаточных отношений ступеней);
расчеты на прочность;
расчеты кинематической точности и погрешности мертвого хода;
выбор материалов и покрытий;
определение критериев конструктивного качества и экономическойэффектив-ности конструкции.
Конкретный перечень конструкторской документация, подлежащей обязательнойразработке, указывается в техническом задании на курсо­вой проект.
1.3. Оформлениедокументации проекта
Вся графическая и текстовая документация проекта должна оформ­ляться вполном соответствии с требованиями Единой системы конструк­торской документации(ЕСКД) и СТП КПИ 2.001-83 «Курсовые проекты. Требования к оформлениюдокументации».
     
2. ВЫБОРЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

2.1 Исходные данные
1 Назначение электропривода, общая характеристикарежима рабо­ты электродви-гателя, специальные требования.
А. Приводы специализированных устройств (магнитофоны, МТЛ устройств ЭВМ,печатающие машины и др.). Режим работы и требования к электродвигателюопреде-ляются специальными техническими условиями.
Б. Нерегулируемые приводы исполнительных механизмов управления,операцион-ных механизмов и технологических устройств, механизмов дистанционногоуправления. Режим работы двигателя длительный или повторно-кратковременный,нерегулируемый по частоте вращения, реверсивный или нереверсивный.
В. Нерегулируемые приводы  прибороввремени, программных уст­ройств, МТЛ са-мопишущих приборов и др. Режим работадвигателя длитель­ный или повторно-кратко-временный с постояннойстабилизированной частотой вращения, нереверсивный.
Г. Приводы следящих систем управления (приводы РЛС, графопостроителей,ма-нипуляторов, привод стабилизации положения корпусов и др.). Режим работы длитель-ный илиповторно-кратковременный реверсивный, регулируемый по частоте вращения.
2. Характеристика источника питания двигателя: для постоянного тока –напряже-ние и допускаемые токи нагрузки; для переменного — напряжение, частотаи вид сети (однофазная, трехфазная).
3. Конструктивные требования:
способ крепления двигателя;
количество выходных концов вала ротора;
наличие встроенных элементов (тахогенератор, редуктор и др.).
4. Функциональные требования: допускаемое изменение частоты вращения,способ регулирования, время переходного процесса, характеристика режима работаследящей системы и входных сигналов.
5. Эксплуатационные требования: срок службы; температура внешней среды;тре-бования устойчивости к линейным ускорением, вибрации, к ударнымперегрузкам, к изменениям атмосферного давления и влажности.
6. Характеристика внешней нагрузки: числовое значение или закон измененияста-тического момента нагрузки; скорости и ускорения вала нагрузки.
2.2 Выбор серии электродвигателей
По исходным данным выбирают серии двигателей переменного или постоянноготока, соответствующих требованиям пп. 1 и 2 группы приво­да (А, Б, В или Г)(см. под-разд. 2.1), используя каталоги или ограничительные перечни, напримертаблице 2.1.
Из группы серий и типов выбирают двигатели, удовлетворяющие требованиям
пп.1-5 исходных данных, сравнивая требования с паспортными характеристиками конк-ретныхтипов двигателей. В первую очередь отбира­ют серии, соответствующие напря-жениюпитания, частоте сети и требуемой постоянной времени (для следящих систем),затем, учитывая степень обязательности, выбирают серии и типы, удовлетворяющиетребованиям к конструкции, сроку; службы и устойчивости к климатическим имехани-чес­ким воздействиям.
Сравнительные характеристики некоторых серий двигателей приве­дены втаблицах 2.2 и 2.3. Если исходныетребования перечнем серий одной группы не могут быть удов-летворены, используютсерии нижестоящих групп в таблице 2.1: группу Б, например, можно дополнитьперечнем групп В или Г.
Таблица 2.1-Переченьэлектродвигателей предпочтительного применения
Группа
Общая характеристика
Серии или типы электродвигателей
переменного тока
постоянного тока

А
Специальные
 
для аппаратуры магнитной записи
ЭДГ; типы: АД-5; АДТ-6; АДТ-1,6
КД-3,5 КДП-6-4;
ДК-16; КД-б-4
ДКС; ДКМ типы: Д16-06; ВДС-02 МД-0,35-2ООО-9
интегрирующие
ИД-1; ИД-2;   ИД-9
ДИ-6-1500А
для потенциомет-рических систем
РД-09
СЛ-267; СЛ-367
Б
Нерегулируемые

общего при-менения Редук-торн. двигатели со встроенным редуктором
УАД; АОЛБ; АОЛ
Дв. авиац. Д-100; МА Ред.: МКМ; МСВ; МС-160; МФА; ДР-1; 5Р, МН или ЭДН
В
со стабилизиро-ванной частотой вращения
 Г; ДСР; ДСГ; ДСА; ДСМ; ДСДР; ДСД; типы: СД-09; ЭГ-10
ДПР; ДПМ в исп. Н3; ДРВ; ДП в исп. Цр,
Г
Управляемые общего приме­нения в следящих системах
АДП; ДИД; ЭМ; ДКМ; АД; ДМ; АДИ;  ДАД;  АСМ; с тахоге-нераторами АДТ; ДГ; СМА; СМБ
ДПМ; ДПР; ДП, СЛ, ДП, СД, ПЯ,
Таблица 2.2-Электродвигатели постоянного тока
Характеристики параметры
Серии электродвигателей
 
Д ДРВ СД
ДПМ
ДПP
МИГ
ДА
Напряжение
питания В,
 

+
-
-
-
+
-
-
6
-
-
-
-
+
-
-
12
-
-
-
+
+
+
-
27
+
+
+
+
+
+
+
60
-
+
+
-
-
-
-
110
-
-
-
-
-
-
-
Номиналь
ная мощно-сть, Вт
от
0,1
0,1
8,0
0,5
0,3
10
2,0
до
200
300
150
14
80
600
600
Электромехани-ческая постоян-ная времени, мс
25…
100
15...100
11...150
45..90
12..20
1,3…8.5
30….160
С регулятором
скорости
   -
+
-
+/-
+/-
-
-
С редуктором
-
-
-
-
-
-
-
С тахогенер.
-
-
-
-
+/-
+/-
-
С 0В «Лев» и «Пр
-
-
-
-
-
-
+
С тормозной муфтой
-
-
-
-
-
-
+/-
Кол. концов вала
1/2
1
1
1/2
1/2
1/2
1
С фланцевым крепле­нием
+
+
+
-
+
+
+
С креплением по диа­метру
+
-
-
+
+
-
+
Последовательно-го возбуждения
+
-
-
-
-
-
+
Параллельного воз­буждения
+
+
+
-
-
-
-
С постоянным магни­том
+
-
-
+
+
+
-
Срок службы, тыс. ч, макс.
1,5
1,5
0,5
1,0
3,0
0,5
Устойчивость
к линейн. ускор
35
      15
15
50
100
35
к вибрационным нагрузкам
12
10
10
10
10
15
К ударным нагрузкам
35
10
35
50
50
35
К внешн. температу-рам,  °С:
Å
85
85
60
60
60
85
;
60
60
60
60
60
60
К влажности, %
98
98
98
98
98
98
К внешнему атмосферному давлен, кПа
2,5-150
2,5-150
2,5-200
50-
200
50-
300
2,5-
150
2.3. Выбор типоразмера двигателя и передаточногоотношения редуктора
Энергетические, кинематические и динамические показатели приво­да зависятодновременно от характеристик двигателя и от параметров редуктора. Оптимальныйва-риант сочетания типоразмера двигателя, струк­туры редуктора и егопередаточного отно-шения устанавливается, на осно­вании энергетического,кинематического и динамиче-ского расчета системы ДВИГАТЕЛЬ-РЕДУКТОР-НАГРУЗКА.Для приводов группы А методика та­кого расчета разрабатывается применительно кконкретному виду привода.



Таблица 2.3Электродвигатели переменного тока
Характеристи-ки, параметры
Серия єлектродвигателей
АДП
АДТ
ДИД
ДГ
ЭМ
ДKM
АД
Г
ДСД
ДСР
Видпита-ния
1-фазн.
3-фазн.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
+
-
-
Частота, Гц
50
400
500
1000
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
+
+
-
-
-
-
-
-
Напряжениепитания, В
36- 40
110
220
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
+
-
-
115
-
-
-
127
-
+
-
-
-
-
-
-
-
+
+
Номинальная
мощность, Вт
2,1 -62
0,3 -13
0,1 –10
0,1 –5,0
0,4 -50
0,2-60
0,3–3,5
1,0 -40
*
0,2–0,3
Эл.-мех. пост. времени, мс
6-82
22-500
26-160
50-290
15-170
15-150
10-20
30-50
Синхронные
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
С редуктором
-
-
-
-
+/-
-
-
+/-
+
+
С тахогенерат.
-
+
-
+
-
-
-
-
-
-
 Кол. кон­цов вала
1/2
1
1
1
1/2
1
1/2
1
1
1
С фланцевым
креплением
-
-
+
+
+
+
-
+
+
+
С креплением по диаметру
+
+
-
-
-
-
+
+
-
+
Срок службы,
тыс. часов max
2
2
1
1,5
1
1
1
5
1
10
Устойчивость
К лин. ускор.
25
25
8
15
15
15
8
8
К вибрациям
12
12
5
5
5
5
  3,5
3,5
К ударам
15
7
4
4
12
4
3
3
К внеш-ним  тем-перату-рам,°С
Å
70
60
100
100
80
80
70
50
50
60
Q
50
40
60
60
60
60
50
60
40
40
к влажности отн, %
98
98
98
98
98
98
98
98
98
98
к внешнему атмо­сфер-ному давле-нию. кПа
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
150
2,5…
200
2,5…
150
Примечание. Для параметров устойчивости указаны максимальныезначения по сериям двигателей. Виброуотойчивость — для частот 200...300 Гц.
х Номинальная мощность двигателей ДСД около 12 мкВт.

2.3.1 Неуправляемый привод (группы Б и В)
Основная нагрузка привода — постоянный и переменный во времени (рисунок1) статический момент Тн.с(t) на выходном валуредуктора в ре­жиме нормируемого или не-нормируемого по времени переходногопроцесса в периоды пуска или изменения нагру-зочного момента.      Тн                                                                           Т4
                     Т1                             Т3
                                       Т2                                                                    Т5
 
               
                t1        t2                 t3            t4                      t5   
                                               t∑
 
Рисунок2.1- График изменения статического момента нагрузки.
Исходный кинематический параметр — средняя или номинальная угловаяскорость на выходном валу редуктора -wн, рад/с.
Переходный процесс может быть ограничен временем tп , с или предельным угло-вымускорением вала нагрузки eн,рад/с2, при этом должен быть задан момент инерции нагрузки Iн, кг×м2.
В качестве рабочего режима двигателя принимается номинальный,для чего на его обмотки необходимо подавать номинальное напряжение, апередаточное отношение редуктора принимают
iр=ωдв /ωн,                                                                                                                 (2.1)
где  ωдв - номинальная угловая скорость двигателя, которыйнадлежит выбрать в следующем порядке.
1.Определить эквивалентный статический момент сопротивления на валуредук-тора, H·м:
                                                                               (2.2)
где Tiсреднее значение момента в интервалеi (см. рисунок 2.1);
ti — продолжительность интервала, c.
При постоянном значении момента Tнcпринимают. Тэ =Tнс .
2. Определить необходимую мощность двигателя, Вт:
Nдв = Тэ· ωн· кн /ηр ,                                                                                                         (2.3)
где кн — коэффициент запаса: 1,05… 1,1 — если нетограничений по времени пере-ходного процесса; 1.2...2,2 — при заданном времениразго­на; при этом чем больше мо-мент инерции нагрузки, тем больше следуетбрать запас по мощности; 
ηр — ориентировочное значение КПД редукто­ра: 0,7… О,9 — для простогоцилинд-рического, планетарного или волно­вого; 0,4… О,7 — для червячного.
3. Выбрать типоразмеры двигателей, номинальная мощность которых равна Nдв или несколькобольше. Если время разгона ограничено значе­нием tn, отбирают двигате-ли,электромеханическая постоянная времени которых меньше τ0=tn/6. Для приводовс длительном режимом работы предпочтение отдают двигателям с большим срокомслуж-бы и хорошим КПД, для повторно-кратковременного режима — высокоскоростным.
4. Определить передаточное отношение редуктора по уравнению (2.1). Послераз-работки кинематической схемы редуктора и геометрического расчета егоэлементов выбранный двигатель необходимо проверить:
по номинальной мощности, используя неравенство
Nном≥Тэ · ωдв / ηр ·iр,                                                                      (2.4)
где ηр — расчетное значение КПД редуктора;
по пусковому моменту, чтобы
Тп ≥ Тнсп / (iр ηр) + (Ірот + Ір +Ін/і2р)∙(ωдв/tn),                                   (2.5)
где Тнсп — наибольший статический моментнагрузки при пуске, Н∙м;
Ірот — момент инерции ротора двигателя, кг∙м2;
Ір — моментинерции редуктора, приведенный к валу двигателя, кг∙м2;
по времени разгона, чтобы
tр= 3∙ (Ірот + Ір+Ін/і2р) ∙ ωдв/ (Тп — Тсп) ≤ tn,                                      (2.6)
где Тсп — статический момент нагрузки припуске, приведенный к валу двигателя Н∙м: Тсп = Тнсп/(iр ηр).
   2.3.2Следящий привод. Группа Г
В следящем приводе вал нагрузки через редуктор поворачивается по сигналамуправления, поступающим от усилителей следящей системы. Привод, т.е. двигательи редутор, являясь исполнительной частью следящей системы должен обеспечиватьна нагрузочном валу необходимые статические и динамические характеристики(переме-щения, скорость и ускорение) в соответствии с требованиями оптимальногопе­реход-ного процесса либо в точности, повторяя закон изменения управляю­щегосигнала. В этих условиях выбор передаточного отношения редуктора играетрешающую роль. Оптимальное значение передаточного отношения зависит от выборакритерия оптими-зации (обеспечение максимального ус­корения вала нагрузки,получение минимальной мощности двигателя или наименьшего пускового момента), атакже от соотношения статического и динамического моментов.
Внешняя нагрузка следящего привода характеризуется статическим моментом Тнс,моментом инерции  Ін, а внутренняя — статическиммоментом сопротивления в редук-торе, учитываемым через КПД ηр, приве­денным моментом инерцииредуктора Ір, момен-том инерция ротора Ірот электродвигателя.
Для воспроизведения входного сигнала двигатель должен обеспечи­ватьнеобходи-мую угловую скорость ротора ω(t)= ωн(t)∙iрпри соответствующихзначениях вращаю-щего момента двигателя, равного моменту всех силсопротивления, т.е. значениям
T(t) = Тнс /(iр ηр)+ Ін·εн(t)/ ір + (Ірот + Ір) ∙ір · εн(t)                          (2.7)
идостаточную плавность слежения: приведенный к валу двигателя момент статическойнагрузки не должен превышать 5...1O%значения пускового момента электродвигателя, а, следовательно, передаточноеотношение ре­дуктора должно удовлетворять неравен-ству
                             ір ≥γ∙ Тнс/Tп,                                                                                                           (2.8)
где γ — коэффициент плавности следящей системы, а мощность двига­теляв номи-нальном режиме — неравенству
Nном≥ γ ·Тнс· ωнmax /2                                                             (2.9)
Для систем высокой точности с погрешностями установок угла 0,0002… О,001рад принимают γ = 10...20; при погрешностях по углу установки0,002...0,007 рад можно принимать γ=5...10.
Приведенные методы выбора параметров следящего привода не являютсяобщими, а применяются для условий, указываемых в наименовании методики и вовводной части к ним.
А. Для режимов с совпадающими во времени значениями ωнmax  и εнmax.
Методика применима для систем, отрабатывающих сигналывида
1) θ= ω0t; ω