Разработать конструкцию клавиши управления РЭА
Введение
Различного рода кнопкам, клавишам управления и контактам принадлежит заметная роль в современной радиоэлектронной аппаратуре и средствах автоматики при решении широкого круга технических задач в приводных, программных, переключающих, тормозных, фиксирующих, блокировочных и многих других устройствах. Они являются одним из основных элементов средств автоматики и автоматизации. Сегодня трудно назвать отрасль промышленности, где бы не использовались те или иные клавиши управления, кнопки и контакты.
Относительная простота, компактность конструкций, широкие функциональные возможности этих устройств обусловили применение их в системах автоматики и телемеханики, управления, сигнализации, контроля, защиты, информационных и других отраслях техники, науки, производства.
С ростом уровня автоматизации и функциональным усложнением аппаратуры, с повышением плотности компоновки ее увеличивается число применяемых электрических устройств. К этим устройствам и их исполнительным элементам предъявляются все более высокие конструктивно-технологические, экономические и эксплуатационные требования (в частности, простоты и технологичности конструкций, уменьшения габаритных размеров, массы, потребляемой энергии, простоты обслуживания, удобства эксплуатации, сокращения сроков разработки).
Целью данного курсового проекта является разработка конструкции клавиши управления РЭА.
1 Назначение и области применения конструкции
Клавиша управления РЭА предназначена для подачи сигнала путем механического воздействия на колпачок устройства в цепях устройств автоматических систем. Может применяться в приборостроении, машиностроении для контроля и регулировки работы оборудования. В частности – включение (например, сигнализации при открытии дверей), отключение и переключение на другие системы или режимы работы. Клавиши управления нашли широкое применение почти во всех отраслях промышленности.
Условия эксплуатации клавиши управления предполагают ее использование при температурах (-20÷+40)м/span>С, влажности 95%. Условия эксплуатации также накладывают требования к материалам конструкции, которые должны обеспечить надежную работу устройства в течение всего периода эксплуатации.
2 Описание и обоснование выполненной конструкции.
Клавиша предназначена для коммутации постоянного тока. Устройство состоит из корпуса 7, патрона 1, гайки 6, подвижного контакта 2, кнопки 5 с закрепленными на ней колпачком 3 и шильдиком 4,капсуля 11, пружин 8, 10, контактов 9, 13, 14 и лепестков 12. Патрон 1 – армированное пластмассовое изделие, в котором заформован лепесток, изготовленный из МНЦС 16-29-1.8 ГОСТ 492-73. Подвижный контакт 2 состоит из пластины и четырех контактов, соединенных расклепкой. Пластина изготовлена из сталит БрАЖ9-4 ГОСТ 18175-78 , а контакты — из серебра твердотянутого Ср999 ГОСТ 6836-72. Колпачок 3 приклеивают к кнопке 5 клеем.
При нажатии кнопки 5 подвижный контакт 2 замыкает контакты 14.Индикация клавиши всегда нахадится в рабочем состоянии. Пружина 8 на двух диаметрально расположенных контактах служит для установки кнопки в исходное положение. Для надежности четыре контакта клавиши соединены по два, параллельно. Клавиша ставится в гнезда панели пульта и фиксируется выступами на корпусе 7.
Патрон 1, кнопка 5, гайка 6, корпус 7 и капсуль 11 изготовлены из поликарбоната ПК4-ОМ ТУ 1762-81. Поликарбонат литейный окрашенный, удовлетворительные прочность и ударопрочность, хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием. Широкая гамма красителей. Применяется для изготовления деталей сложной конфигурации, корпусов, цветных наружных деталей полупрозрачных и непрозрачных. Рабочий диапазон температур -40м/span>С…+140м/span>С.
Колпачок 3, шильдик 4 изготовлены из стекла органического СОЛ ГОСТ 15809-70. Полиметилметакрилат листовой. Высокие химическая и влагостойкость. Прозрачен, хорошо обрабатывается резанием, сваривается, в нагретом состоянии пластичен, допустимы гибка и формовка. Рабочий диапазон температур до +100м/span>С
Одним из элементов клавиши являются контакты, которые могут быть изготовлены из меди, бронзы, серебра. Медь М1 ГОСТ 859-78 мягкий пластичный металл, обладает хорошей тепло и электропроводностью. На воздухе подвергается окислению, поэтому необходимы частые зачистки или специальные гальванические покрытия типа О – Ви по ГОСТ 9.306-85, которое обеспечивается пайкой. Цвет покрытия от светло-серебристого до серого. Содержание висмута от 0.3…3.6%. Гальвано покрытие выполняется в определённых условиях и требует больших экономических затрат. Бронза Бр Б2 ГОСТ 18175-78. Обладает высокими механическими свойствами, высоким сопротивлением усталости, хорошей электро и теплопроводностью, штампуется. Рекомендуется для применения пружинящих контактов, щеток и токопроводящих деталей. Лучше всего работает при температурах -30м/span>С…+30м/span>С. Для увеличения износоустойчивости и увеличения твёрдости, расширения возможности работы необходимо производить гальванопокрытия О-Ви или кадмиевое. Наилучшим материалом контактов является КМК – А10(серебро, вольфрам, никель). Серебро обладает высокой электро и теплопроводностью, не является химически активным элементом. Вольфрам обладает большой износоустойчивостью, твёрдостью, может работать в агрессивных средах, высокая температура плавления. Никель является антикоррозионным элементом и выполняет функции гальванопокрытия.
3 Технические характеристики конструкции.
1. Клавиша управления обладает следующими техническими характеристиками:
– габаритные размеры:
высота – 82.5 мм;
ширина – 46.5 мм;
длина – 56.5 мм;
– ток через контакты 10А;
– напряжение питания 12В;
– усилие 15 кг;
– равномерно распределенное давление 108 кПа;
– допускаемое напряжение [σ]=50 МПа;
– цилиндрическая жесткость D=230;
– диаметр контактов 5 мм;
– высота контактов 1,6 мм;
– величины контактных усилий Рmin.констр=0.07 Н и Рmax=807 Н.
4 Расчёты подтверждающие надёжность и
работоспособность конструкции.
4.1 Расчёт контактов
В приборе применяются разрывные контакты. Они работают с образованием дуги при размыкании и для них наиболее пригодны тугоплавкие металлы и сплавы типа твёрдых растворов (напряжение дугообразования 12В и ток 0.6А меньше напряжения и тока при котором работают контакты . Поэтому в качестве материала контактов для уменьшения возможности сваривания выбираем Ср999 ГОСТ 6836-72 (серебро твердотянутое) имеющую следующее параметры:
Плотность ρ=10.5⋅103 кг/м3;
Температура плавления tпл = 961 м/span>С;
Удельное сопротивление ρуд = 1.6⋅10-4 Ом⋅м;
Удельная теплопроводность Cуд = 4.16 Вт/смм/span>С;
Твердость по Бринеллю (HB) = 30..60⋅107 Н/м2;
Температурный коэффициент сопротивления ТКС =0.41 1/м/span>С⋅10-3;
Модуль упругости E = 7.7⋅1010 Н/м2.
Исходя из значения тока определяем из таблицы 1 выбираем диаметр контакта и высоту контакта:
Таблица 1
Номинальный ток, А | Диаметр контакта D, мм | Высота контакта h, мм |
до 2 2-5 5-10 10-20 20-40 | 1-2 2-4 3-5 5-8 8-12 | 0,3-1,0 0,6-1,2 0,8-1,6 1,0-2,0 1,2-2,2 |
Диаметр контакта D = 5 мм;
Высота контакта h = 1,6 мм;
В данной конструкции цепь разветвляется на два контакта и вследствии этого ток, протекающий через контакт, будет в двое меньше.
1. Рассчитываем контактное сопротивление:
Ом
где Uk – напряжение в контакте.
2. Требуемая площадь контакта для нормального охлаждения:
мм²
где I=5А – ток через контакты;
с=0.48 – коэффициент охлаждения( при естественном охлаждении 0.48);
Δt=60м/span>С – допускаемое превышение температуры (для окисляющихся материалов 50м/span>…75м/span>С);
3. Минимальное контактное усилие:
Н
где с=1 – коэффициент шероховатости поверхности (с=1 для чисто обработанной поверхности);
b=1 – коэффициент, зависящий от характера деформации, вида и формы зоны контактирования (b=0.7…1; т.к. твердотянутое серебро Ср999 склонно к образованию поверхностных пленок, выбираем b=1.0 );
ρ =1.6⋅10-4 – удельное сопротивление материала;
НВ=50⋅107 – твёрдость по Бринеллю;
4. Определяем Рминконстр:
где
κзап=5 – коэффициент запаса, учитывающий износостойкость и изменение усилия Р от допусков на контактонесущую систему(κзап=1.5…5)
κf =1– коэффициент частоты тока (при f=2…10кГц κf =1.0…5.0);
κт =1– температурный коэффициент, учитывающий уменьшение усилия Р от изменения жёсткости контактонесущей системы при колебаниях температуры;
γ = 3.6⋅10-3 – температурный коэффициент изменения модуля упругости материала контактонесущей системы;
5. Определяем максимальное контактное усилие:
Н/мм²
Н
σк – напряжение для контакта сфера- плоскость;
rk=15 – радиус сферы(определяется по ГОСТ 3884-77,для ∅=5мм rк=15мм);
Е – модуль упругости;
6. Величина минимального зазора ∆min достаточного для самогашения дуги:
мм
величину реального зазора нужно брать в 1,3..2 раза больше расчетного.
В результате расчётов получены сферические контакты, выполненные из материала Ср999 ГОСТ 6836-72 (серебро твердотянутое) с размерами:
- диаметр d=5мм;
- высота h=1.6мм;
- радиус закругления rк = 15мм.
- сопротивление контактов Rк=8⋅10-3Ом;
- минимальное усилие на контактах Pмин=1.4 Н;
- максимальное Рмах=807 Н;
минимальный зазор между контактами Δ=1.13 мм.
4.2 Расчёт пружины.
Исходными данными для расчета пружин является:
– прикладываемое усилие 15кг.
– наружный диаметр пружины 6мм.
– диаметр проволоки 1мм.
– высота пружины в свободном состоянии 18мм.
– влажность 95%
В приборе используется пружина цилиндрическая сжатия. Для профилактики ржавления пружину необходимо оксидировать. Выберем материал для пружины сталь 65Г по ГОСТ 14959-69
– модуль сдвига G=8000 кг/мм²
– предел прочности 190 кг/мм²
– допускаемое напряжение [τ] = 150 кг/мм²
Выберем угол подъема витков в свободном состоянии α=12 град для придания пружине большей жесткости.
1. Средний диаметр пружины:
мм
2. Шаг пружины в свободном состоянии:
мм
3.Максимальный прогиб одного витка:
мм
С целью получения более надежной опорной поверхности крайние витки выберем сошлифованные.
4. Толщина опорного сошлифованного витка:
мм
где – доля сошлифованного витка.
5. Число рабочих витков пружины:
6. Полное число витков:
7. Прогиб одного витка под нагрузкой 1кг.:
мм
В данной конструкции используется две одинаковые пружины и нагрузка распределяется равномерно.
8. Прогиб одного витка пружины под рабочей нагрузкой:
мм
9. Высота пружины под рабочей нагрузкой:
мм
10. Рабочий ход пружины:
мм
11. Предельная нагрузка:
кг
где S – зазор между витками при нагрузке .
12. Индекс пружины:
13. Коэффициентформы сечения и кривизны витка:
14. Напряжение в материале пружины при нагрузке .
кг/мм²
15. Длина развернутой проволоки:
мм
При проведении расчётов была получена следующая пружина:
- материал – сталь 65г по ГОСТ 14959-69;
- диаметр проволоки d = 1мм;
- число рабочих витков n = 5.5;
- высота пружины в свободном состоянии Ho = 18мм;
- длина развернутой проволоки L = 112.4мм;
- индекс пружины с = 5.
4.3 Расчёт направляющей на заклинивание.
Точность поступательного перемещения подвижной детали – кнопки и колпачка, лёгкость и плавность движения, малый износ при требуемой нагрузке – важнейшие требования, которые необходимо обеспечивать при конструировании, изготовлении деталей и сборке направляющих. Для приборов, работающих в условиях больших перепадов температур, эти требования должны соблюдаться во всём диапазоне колебания температуры.
Типы направляющих классифицированы по виду трения:
- направляющие с трением скольжения: по цилиндрическим, по плоским или комбинированным поверхностям.
- направляющие с трением качения: на шариках, на роликах или иголках.
- направляющие с внутренним трением(упругие).
В приборе используется направляющая с трением скольжения. Для проверки правильности выбора посадки и класса точности направляющих проводят проверочный расчёт по формуле:
Δ – минимальный зазор при данной температуре;
D1 – наименьший при данном допуске диаметр охватывающей детали;
D2 – наибольший при данном допуске диаметр охватываемой детали;
α – коэффициент линейного расширения материала;
t и t0 – соответственно конечная и начальная температура;
Т.к. корпус сделан из поликарбоната ПК-4 ОМ, а кнопка и колпачок из поликарбоната ПК-4 ОМ и стекла органического СОЛ то в данном случае понадобится два расчета.
Рассчитаем сначала минимальный зазор между корпусом и кнопкой:
Температура, при которой работает прибор t=-20м/span>C:
температура, при которой работает прибор t=40м/span>C:
Произведем расчет минимального зазора между корпусом и колпачком:
температура, при которой работает прибор t=-20м/span>C:
температура, при которой работает прибор t=40м/span>C:
Произведем расчет максимального зазора:
Δмах – максимальный зазор;
l – длина направляющей;
h – длина выступающей части;
f – коэффициент трения;
В результате проведенных расчетов минимального зазор между корпусом и подвижной частью конструкции не должен быть меньше 1.04 мм, а максимальный зазор не должен превышать 5.8 мм.
4.4 Определение толщины колпачка клавиши управления
При расчете нужной толщины стенок в качестве расчетной модели принимается прямоугольная пластина размерами a×b постоянной толщины h с жесткой заделкой пластины по контуру и нагруженной по всей поверхности равномерно распределением давлением P(Па).
Определяем давление Р по формуле:
где m – масса, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
При соотношении a/b≤3 – для случая защемления пластины по контуру определяются коэффициенты С1 и С2.
Определяем действующий в сечении пластины максимально распределенный изгибающий момент Мmax, Па∙м2:
Мmax=C2∙P∙b2
Мmax=58,9∙10-3∙108000∙(34∙10-3)2=7,35 Па∙м2
Определяем допускаемое напряжение [σ], Па
[σ]= σт/[n]
где σт – предел текучести, Па;
[n] – запас прочности.
[σ]= 100∙106/2=50МПа
Из условий прочности минимальная толщина пластины, в мм, при допускаемом напряжении [σ], определяется по формуле:
Определяем цилиндрическую жесткость D:
где E – модуль упругости, Па;
μ – коэффициент Пуассона.
Определяем максимальный прогиб в центре пластины ωmax в метрах:
м
В результате расчета жесткости и прочности корпуса были получены следующие данные:
– минимальная толщина корпуса 0,00094м;
– жесткость 230;
– максимальный прогиб м.
Заключение
Клавиши управления РЭА является практически универсальной т.к. может быть использована в различных климатических условиях и применена для работы в агрессивных средах. Имеет относительно невысокую стоимость. Материалы, которые применяются в клавиши управления РЭА имеют широкое распространение. При ее изготовлении не требуется специальной технологической оснастки повышенной точности и специального оборудования. Детали могут быть изготовлены на различных предприятиях с использованием возможностей оборудования данных предприятий и квалификации рабочих. Основным условием изготовления деталей на различных предприятиях является:
- взаимозаменяемость деталей;
- надёжность;
- точность.
Преимущество клавиши заключается в следующем:
- она взрыво- и пожаробезопасена;
- имеет малый износ контактов;
- пригодна для работы в условиях весьма частых отключений;
- для дугогашения не требуется специальная дугогасящая среда.
В клавиши управления РЭА используются пружина с параметрами:
- материал – пружинная проволока по ГОСТ 14959-69;
- диаметр проволоки – d=1мм;
- число рабочих витков – n=5.5;
- длина пружины в свободном состоянии – Н0=18мм;
- длина проволоки – L=112.4мм
- индекс пружины- с=5.
контакты:
- диаметр d=5мм;
- высота h=1.6мм;
- сопротивление контактов Rк=8⋅10-3Ом;
- минимальное усилие на контактах Pмин=0.07Н;
- максимальное Рмах=807Н;
- зазор между контактами Δ=1.13мм.