ВВЕДЕНИЕ

Содержание настоящего пособия соответствует программе курса «Детали машин и основы конструировании» для машиностроительных специальностей высших технических учебных заведений.

Курс «Детали машин и основы конструирования» является завершающим в цикле общетехнических предметов, которые служат базой для изучения специальных дисциплин.

В учебном пособии приводятся описание и анализ типовых современных конструкций деталей, применяемых в отечественном машиностроении.

Большинство расчётных формул приводятся без промежуточных преобразований, когда это не мешает объяснению физического смысла, что облегчит учащемуся воспринимать предмет.

Основная задача дисциплины «Детали машин и основы конструирования» - повышение квалификации студентов путём изучения методов, правил и норм расчёта и конструирования типовых деталей и сборочных единиц машин.

Данное учебное пособие разработано для формирования у студентов необходимых компетенций, а также знаний, умений и навыков в целях владения будущими специалистами инженерным подходом к решению задач на прочность, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость, износостойкость и коррозионностойкость, исходя из заданных условий работы деталей в машине.

В учебном пособии приведены основные принципы и правила проектирования машин и их деталей на примере приводов общего назначения, а также дана информация по выбору материалов деталей машин и методам расчёта.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТАЛЯХ МАШИН

Курс «Детали машин и основы конструирования» является первым из расчётно-конструкторских курсов, в котором изучают методики инженерного расчёта и основы проектирования машин и механизмов.

Машина - устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации в целях замены или облегчения физического и умственного труда человека.

Механизмом называют систему твёрдых тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел (редуктор, коробка передач и др.).

Любая машина (механизм) состоит из деталей.

Деталь - такая часть машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.п.) или сложными (корпус редуктора, станина станка и т.п.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы.

Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта и т.п.). Сложные узлы (редуктор) могут включать подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колёсами и т.п.

Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т.п.). Эти детали (узлы) называют деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин и основы конструирования». Все другие детали (поршни, лопатки турбин, гребные винты и т.п.) относятся к деталям специального назначения и изучаются в специальных курсах.

На развитие современного курса «Детали машин и основы конструирования» большое влияние оказывает быстрый прогресс отечественного и зарубежного машиностроения. Этот прогресс требует всё более широкой стандартизации и унификации деталей общего назначения, а также их изготовления в массовых количествах на специализированных заводах. В условиях массового и специализированного производства значение курса «Детали машин и основы конструирования» возрастает.

Основные требования к конструкции деталей машин. Совершенство конструкции детали оценивают по её надёжности и экономичности.

Надёжность - это свойство изделий выполнять свои функции в течение заданного срока или наработки, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надёжность закладывается на стадии проектирования, поддерживается на стадии изготовления и эксплуатации. Надёжность изделий определяется безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью.

Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы детали

Р = —, п

где Ди - число деталей, которые выдержали испытание; п - общее число испытываемых деталей.

При последовательном соединении деталей в машине вероятность безотказной работы машины определяется по формуле

п

р=/>|р2/’3.../>„ = пл.

/=1

где Р]2,Рт> - безотказность работы 1-й, 2-й и т.д. деталей.

Из формулы можно сделать два вывода:

  • - вероятность безотказной работы машины всегда меньше вероятности безотказной работы самой малонадёжной детали, входящей в неё; таким образом, надо стремиться к повышению надёжности данной детали;
  • - в машинах должно быть минимальное число деталей.

В случае параллельного соединения деталей в машине и при условии равнонадёжности всех деталей вероятность её безотказной работы можно определить по формуле

Р = 1-(1-Р;)” .

При параллельном соединении деталей в машине с их увеличением в машине вероятность безотказной работы увеличивается, но при этом увеличивается вес и сложность всей конструкции. Следует отметить, что в ряде случаев необходимо применять параллельные соединения (тормозная система автомобиля).

Изменение интенсивности отказов в зависимости от времени

Рис. 1.1. Изменение интенсивности отказов в зависимости от времени

Условия безотказной работы машины в течение некоторого времени можно представить графической зависимостью (рис. 1.1).

Интенсивность отказов 2 определяется по формуле

. Ал Л — “ 9 nkt

где ДГ - продолжительность работы машины.

Анализируя график (рис. 1.1), можно сделать следующие выводы:

  • - изделие необходимо эксплуатировать после прохождения зоны приработки (обкатки), которая может осуществляться как на заводе изготовителе, так и непосредственно потребителем;
  • - ремонт машины необходимо проводить до наступления зоны интенсивного износа.

В зоне эксплуатации детали вероятность безотказной работы определяется формулой

Р = е~и .

Для повышения показателей надёжности необходимо:

  • - устранять недолговечные детали, которые имеют более низкий показатель надёжности;
  • - применять статически определимые системы, являющие более надёжными с точки зрения расчёта и проектирования;
  • - применять современные смазочные материалы, способствующие увеличению надёжности;
  • - устанавливать предохранительные устройства, обеспечивающие защиту машины от выхода из строя.
  • - применять стандартизованные и нормализованные детали, позволяющие увеличивать надёжность изделия.

Экономичность машины определяется выбором материала, расчётов и стоимостью производства и эксплуатации.

Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом.

Выбор материала подчинён следующим требованиям:

  • - удовлетворение основным критериям работоспособности: прочность, жёсткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость, виброустойчивость;
  • - возможность изготовления;
  • - стоимость и дефицитность материала;
  • - удовлетворение специальным требованиям материала (антикоррозионность, антифрикционность).

Рекомендации по выбору материалов и их механических характеристик приведены в соответствующих разделах курса в конкретном приложении к различным деталям.

Чёрные металлы (чугун, сталь) - прочны, дёшевы, но имеют высокий удельный вес и подвержены коррозии.

Цветные металлы - это группа материалов, обладающих лёгкостью, коррозионной стойкостью, фрикционной стойкостью, однако они дороги и дефицитны.

Пластмассы - способны работать без смазки, работоспособны при высоких температурах.

Особенности расчёта деталей машин. При проектировании необходимо учитывать большое число факторов. Выразить эти факторы в аналитической форме не всегда возможно, поэтому расчёты в курсе «Детали машин и основы конструирования» часто носят расчётный или эмпирический характер. Очень важно выбрать расчётную схему, учесть главные и отбросить второстепенные факторы. В курсе «Детали машин и основы конструирования» применяются проектный и проверочный расчёты.

Проектный расчёт - предварительный, упрощённый расчёт, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения её размеров и материала.

При проектной форме расчётов число неизвестных превышает число расчётных уравнений, поэтому отдельным величинам приходиться задаваться, ориентируясь на данные опыта (в основном существующие конструкции).

Проверочный расчёт - уточнённый расчёт известной конструкции, выполняемый в целях проверки её прочности или определения норм нагрузки.

При проверочной форме расчёта число неизвестных равно числу проверочных уравнений. Этот метод используется при расчёте готовых конструкций.

Требования, предъявляемые к машинам и их деталям. При проектировании новых машин к ним предъявляют следующие основные требования: высокая производительность; надёжность и долговечность; простота управления, обслуживания и ухода; быстрая окупаемость всех затрат на проектирование и изготовление машины; малые габариты, транспортабельность, соответствие эстетическим требованиям.

Детали проектируемой машины должны удовлетворять следующим требованиям: обладать достаточной прочностью, жёсткостью, устойчивостью, износостойкостью, теплостойкостью, коррозионностой-костью; допускать возможность изготовления из недорогостоящих и не дефицитных материалов; иметь такую конструктивную форму, чтобы их можно было изготовить наиболее простыми и производительными технологическими процессами, т.е. детали должны быть технологичными; обладать высокой надёжностью, т.е. выполнять заданные функции с сохранением эксплуатационных показателей в течение требуемой наработки (в часах, километрах или других единицах).

Основные критерии работоспособности и расчёта деталей. Прочность - способность детали выдерживать нагрузки без видимых разрушений, находясь в зоне упругих деформаций.

Прочность детали обеспечивается напряжениями, величина которых меньше или равна допустимым. В отличие от прочности, изучаемой в курсе «Сопротивление материалов» прочность в курсе «Детали машин и основы конструирования» обеспечивается с учётом реальных условий работы. Эти условия учитываются введением специальных коэффициентов в расчётные формулы.

Работоспособность многих деталей машин зависит от контактной прочности, определяемой контактными напряжениями. В месте соприкосновения двух тел в тех случаях, когда размеры площадки касания малы по сравнению с размерами тел (сжатие двух шаров, шара и плоскости, двух цилиндров и т.п.) возникают контактные напряжения.

Если контактные напряжения превышают величину допускаемого напряжения, то на поверхности деталей появляются вмятины, борозды или мелкие раковины. Подобные повреждения наблюдаются у механических передач, а также в подшипниках качения.

Схема сжатия двух цилиндров с параллельными осями

Рис. 1.2. Схема сжатия двух цилиндров с параллельными осями: а - контактные напряжения; б - контактные и касательные напряжения

При расчёте контактных напряжений различают два характерных случая: первоначальный контакт в точке (два шара, шар и плоскость и т.п.); первоначальный контакт по линии (два цилиндра с параллельными осями, цилиндр и плоскость и т.п.).

Рассмотрим случай сжатия двух цилиндров с параллельными осями (рис. 1.2). До приложения удельной нагрузки q цилиндры соприкасались по линии. Под нагрузкой линейный контакт переходит в контакт по узкой площадке. При этом точки максимальных нормальных напряжений И располагаются на продольной оси симметрии контактной площадки. Величину этих напряжений вычисляют по формуле Г. Герца (Н. Hertz, 1857 - 1894)

(1.1)

где Епр - приведённый модуль упругости:

_ хЕ2

"Р (?1+?2)'

Здесь Е, Е2 модули упругости цилиндров; рпр - приведённый радиус кривизны; ц - коэффициент Пуассона, для металлов принимается равным ц = 0,3. Тогда

I аЕ

=o,418 , (1.2)

V Pnp

Помимо нормальных контактных напряжений в зоне касания действуют максимальные касательные напряжения, также влияющие на сохранность рабочих поверхностей. Эти напряжения расположены на высоте z = 0,86 вдоль оси у (рис. 1.2, б) и определяются по формуле

^тах

Однако при наличии скольжения в зоне контакта величина ттах увеличивается; кроме того, напряжения приближаются к зоне касания, например, при коэффициенте трения f = 0,2

ттах=0,36пя.

Приближение касательных напряжений к поверхности контакта, увеличивает вероятность возникновения и увеличения усталостных трещин.

Помимо этого рост усталостных трещин ускоряет наличие между деталями масла. Попадая в зону контакта, трещина закрывается, а заполняющее её масло подвергается высокому давлению. Это давление способствует развитию трещины до тех пор, пока не произойдёт выкрашивание частицы металла.

Жёсткость - способность детали сопротивляться упругим деформациям в процессе её эксплуатации. Жёсткость детали определяется расчётом по допускаемому значению перемещения (линейного и углового). Для случая изгиба

j<[y] и 0<[0],

где у - прогиб; 0 - угол перекоса подшипников.

При кручении

Ф<[ф],

где ф - угол закручивания.

При растяжении (сжатии)

Д/<[Д/],

где / - удлинение (укорочение).

Износостойкость - сопротивляемость детали изнашиванию:

  • - механическому изнашиванию, т.е. истиранию неровностей, имеющихся на сопряжённых поверхностях взаимно перемещающихся деталей;
  • - изнашиванию в результате абразивного действия посторонних твёрдых частиц (пыль, песок, грязь), попадающих между трущимися поверхностями деталей;
  • - молекулярно-механическому изнашиванию, когда при высоких скоростях и контактных давлениях создаются условия для выдавливания масляной плёнки из промежутка между трущимися поверхностями деталей и приваривания или молекулярного сцепления частиц деталей с последующим отрывом при относительном их перемещении;
  • - коррозионно-механическому изнашиванию, когда продукты коррозии, возникающие на трущихся поверхностях деталей, стираются механическим путём.

Интенсивность износа зависит от скорости скольжения, коэффициента трения, свойств материала деталей. Все эти величины изменяются в процессе работы, поэтому их определение в аналитической форме не представляется возможным. Расчёты на износостойкость в настоящее время являются недостаточно обоснованными, однако в некоторых узких областях машиностроения эти расчёты действуют на основе эмпирических данных, т.е. на основе эксперимента.

Теплостойкость - способность сохранять свои свойства при действии высоких температур.

Увеличение температуры детали изменяет её размеры и свойства, что приводит к уменьшению качества работы и в конечном итоге к выходу из строя детали. Поэтому в необходимых случаях проводятся тепловые расчёты.

Условие расчёта на теплостойкость

где t - температура машины, детали, смазывающей жидкости и т.п.; [/] - допускаемая температура нормальной работы.

Виброустойчивость - способность работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний. В связи с повышением скоростей машин явления колебаний становятся всё более опасными и поэтому расчёт на виброустойчивость всё более актуален.

С увеличением скорости движения звеньев увеличивается вероятность появления резонансных колебаний. В условиях резонанса возможны неточности и даже отказы в работе машин и механизмов. Расчёты на виброустойчивость предполагают расчёт собственных и вынужденных частот колебаний и определение резонансной частоты. В этом случае условием нормальной работы машины или механизма является

п < 0,7 пкр ,

где п - число оборотов, мин1 (вынужденная частота колебаний); иКр - критическая частота вращения вала при которой наступает резонанс (собственная частота, которая зависит от упругих свойств вала), мин-1.

Коррозионностойкостъ - способность детали сопротивляться коррозии. Коррозия является причиной преждевременного разрушения многих конструкций. Коррозия особенно опасна для поверхностей трения и деталей, работающих при переменных напряжениях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >