Разработка руководства по эксплуатации и ремонту компонентов визира оптического устройства
4.3 Расчет напряженно - деформированного состояния детали в среде SolidWorks Simulation
Прежде всего, необходимо создать твердотельную модель детали в среде SolidWorks.
Проводим исследование напряженно-деформированного состояния, имитируя работу червячного вала под действием сил, действующихсо стороны зубчатого колеса и червячного сектора.
Расчет детали «червяк» производится с использованием модуляSimulation.Модуль предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния стержневых, пластинчатых, оболочечных и твердотельных конструкций, а также их произвольных комбинаций. Модуль Simulation организован таким образом, что в его рамках можно рассчитать все многообразие существующих конструкций, собирая их из вышеперечисленных макроэлементов. Внешняя нагрузка, так же как и условия закрепления конструкции, могут быть произвольными как по характеру, так и по местоположению.
Данный модуль позволяет решать следующие задачи:
- Тип анализа и их особенности;
- Линейный динамический: модальный; случайные колебания; гармонический;
- Нелинейный динамический;
- Нелинейный с учетом физической и геометрической нелинейности.
Свойства материалов:
- В нелинейном динамическом анализе для тел и оболочек: пластические по Мизесу, гиперупругие по Муни-Ривлину и Огдену, вязкоупругие, с эффектом памяти формы;
- В статическом нелинейном анализе - те же, плюс материалы с ползучестью. Поддерживается модель больших перемещений и больших пластических деформаций;
- В линейных динамических моделях можно определить коэффициенты демпфирования материалов.
Граничные и начальные условия, параметры настройки:
- Для статического нелинейного анализа - история нагружения;
- Для динамической модели в дополнение к статической и в зависимости от типа динамического анализа - перемещения, скорости, ускорения, спектр возбуждения, параметры гармонических нагрузок;
В зависимости от типа анализа тип и параметр модели демпфирования: модальное и Рэлеевское.
Виртуальные соединители:
- Болты с предварительным натягом, соединяющие как тела, оболочки;
- Штифты с конечной бесконечной жесткостью;
- Пружины, "сосредоточенные" и "распределенные", в том числе и с предварительным натягом. Пружины, соединяющие концентрические грани с радиальной и тангенциальной жесткостью;
- Шариковые и роликовые подшипники;
- Точки контактной сварки;
- Жесткая связь граней;
- Жесткий стержень
Сетки:
- Многослойные анизотропные плоские и криволинейные оболочки с назначенным углом армирования для каждого слоя;
- Трехслойные сэндвич-панели.
Результаты:
- Доступны параметры, присущие динамическим эффектам: скорости, ускорения, спектральные характеристики;
- Абсолютное большинство результатов доступно в зависимости от времени;
- Для большинства всех типов можно получить кривые отклика;
- Анимация динамических эффектов.
Вал с подшипниками и колесом изображен на рисунке 34.
Червячный вал
Выбирая тип расчетной опоры, необходимо учитывать, что деформативные перемещения валов - малы, и если конструкция действительной опоры допускает хотя бы небольшой поворот или перемещение, то этого достаточно чтобы считать ее шарнирной или подвижной.
Вал можно рассматривать как балку с шарнирно - подвижными опорами или с одной шарнирно - подвижной и одной шарнирно - неподвижной опорами.
В данном механизме червяк опирается на шариковые радиальные однорядные подшипники 1000093 ГОСТ 8338-75, поэтому в расчетной схеме вала эти подшипники заменим на шарнирно - подвижные опоры.
Подшипники, воспринимающие только радиальные нагрузки, изображаются в виде шарнирно - подвижных опор.
Ниже на рисунке 35 изображена схема нагружения вала.
Кинематическая схема червяка
Передача вращательного движения осуществляется от электродвигателя ДПМ - 20 -Н1 - 08Т ОСТ 160.515.022 - 76 через шестерню прямозубой цилиндрической передачи. Так как передача прямозубая, то осевой силы Faв зацеплении не будет.
Технические характеристики электродвигателя:
1. Номинальный вращающий момент: T = 1,96 (мНм);
2. Частота вращения вала: n = 4500 (об/мин.);
3. Мощность: P = 0,92 (Вт).
Движение в червячных передачах осуществляется по принципу винтовой пары или по принципу наклонной плоскости.
Определим вращающие моменты, передаваемые:
1) Цилиндрическим колесом:
2) Червяком:
Вычислим частоту вращения n2:
где Uц. п.- передаточное число цилиндрической передачи.
Тогда частота вращения n2определится:
Определим мощность P2червяка:
где зц. п. - КПД цилиндрической передачи.
Теперь найдем значение T2:
Силы в червячном зацеплении:
Силу взаимодействия червяка и колеса - Fn принимают сосредоточенной и приложенной в полюсе зацепления по нормали к рабочей поверхности витка. Ее задают тремя взаимно перпендикулярными составляющими: Ft,Fa, Fr.
На рисунке 36 показаны силы, действующие в зацеплении червячного вала с колесом.
Сечение червяка в осевой плоскости
1) В цилиндрической передаче:
Окружная сила:
Радиальная сила:
2) В червячной передаче:
Осевая сила:
Окружная сила:
Радиальная сила (раздвигает червяк и колесо):
Вычислим значение нормальной силы Fn:
В месте контакта червяка и колеса возникает изгибающий момент Mот действия осевой силы Fa.
Приступая к расчету, предварительно намечаем опасные сечения вала, которые подлежат расчету. При этом учитывается характер эпюр изгибающих и крутящих моментов, структурная форма вала и места концентрации напряжений.
Теперь проведем расчет и анализ напряженно - деформированного состояния вала в программной среде SolidWorksSimulation. На рисунке 37 показана трехмерная модель рассматриваемого вала.
Трехмерная модель червячного вала
На витках червяка создадим небольшие вырезы (площадки) - концентраторы напряжений, чтобы приложить давление, создаваемое нормальной силой Fn.
Нормальную силу Fnраспределим между тремя соседними витками червяка таким образом, что 50% этой силы будет приходиться на средний, а на
два крайних соседних витка - по 25%.
Шариковые радиальные подшипники при расчете заменим жесткой заделкой. На рисунке 38 изображены силы, действующие на вал.
Вал с приложенными нагрузками и закреплением
Для расчета вала создаем сетку конечных элементов (рисунок 39).
Сетка конечных элементов
На рисунке 40 показано распределение нормальных усилий и диаграмма напряжений.
Вал и эпюра нормальных напряжений.
Определим давления, приложенные к виткам:
где S - площадь вырезов на витках.
P1 = 0,1741 (Н/мм2);
P2 = 0,145 (Н/мм2);
P3 = 0,166 (Н/мм2).
На рисунке 41 приведено изображение эпюры перемещений.
Рисунок 41 - Вал и эпюра перемещений.
По цветной легенде, находящейся около рисунка, можно определить максимальные значения того или иного параметра и сделать следующие выводы о прочностных характеристиках детали.
По диаграмме нормальных напряжений видно, что напряжения в полюсе зацепления вала с червяком не значительны. А по диаграмме перемещенийясно, что перемещения витков очень малы.
В ходе расчетов, проведенных методом имитационного моделирования, были получены аппроксимированные результаты: наибольшие значения статического напряжения и деформационного растяжения, определенных разработчиком как допустимые при указанных нагрузках, деталь имеет необходимый запас прочности, требуемый для безопасного использования изделия в целом.