В.В. Коробков
Детали машин
и основы конструирования
(Курс лекций)
НовосибирскУДК 621.81
Правообладатели
Автором настоящего учебного пособия является доцент кафедры общетехнических дисциплин НВВКУ, служащий РА В.В. Коробков, инженер-механик, к.т.н., доцент, бронзовый медалист ВДНХ СССР, изобретатель СССР.Мультимедиа продукт «Детали машин и основы конструирования» © 2006, созданный Новосибирским высшим военным командным училищем (военным институтом), г. Новосибирск, защищен российским и международным законодательством в области авторских прав и интеллектуальной собственности.
Не допускается копировать с коммерческой целью настоящий мультимедийный продукт или какие-либо его части, продавать, сдавать в аренду или в прокат, перепроектировать, перекомпилировать, дизассемблировать, изменять, дополнять и модифицировать, а также создавать производные продукта без письменного согласия правообладателей.
Инструкция
Для выбора отдельной лекции подвести курсор снизу к её цветному названию в Содержании (стр. 3) и, удерживая клавишу(при этом курсор примет форму руки с вытянутым указательным пальцем), нажать левую клавишу мыши.
В конце каждой лекции, после списка контрольных вопросов, имеется значок < >, нажатие на который аналогично предыдущему возвращает Вас на страницу « с одержание».
Передвижение по тексту внутри лекции осуществляется обычным для редактора Word способом (скроллинг с правой стороны страницы; клавиши < Page Up > и < Page Down >; < > и < >).
^
Предисловие
Тема 1. Общие сведения о деталях машин
Лекция № 1. Общие сведения о деталях машин
Тема 2. Механические передачи
Лекция № 2. Ремённые передачи
^Лекция № 3. Цепные передачи
Лекция № 4. Общие сведения о зубчатых передачах
Лекция № 5. Цилиндрические и конические зубчатые передачи
Лекция № 6. Червячные передачи
^Лекция № 7. Червячные передачи (продолжение)
Лекция № 8. Планетарные и волновые передачи
Тема 3. Валы и подшипники
Лекция № 9. Валы и оси
Лекция № 10. Подшипники скольжения
Лекция № 11. Подшипники качения
^Тема 4. Соединения деталей
Лекция № 12. Неразъёмные соединения
Лекция № 13. Резьбовые соединения
Лекция № 14. Разъёмные соединения
для передачи крутящего момента
^
Тема 5. Корпусные детали механизмов,
смазочные и уплотняющие устройства
Лекция № 15. Корпусные детали,
смазочные и уплотняющие устройства
Тема 6. Муфты механических приводов
Лекция № 16. Механические муфты
Тема 7. Упругие элементы машин
^Лекция № 17. Упругие элементы машин
Приложение 1. Основные понятия о допусках и посадках
Приложение 2. Система отверстия (Поля допусков)
Предисловие
Настоящее издание курса лекций представляет собой учебное пособие по учебному курсу «Детали машин и основы конструирования», читаемому в Новосибирском высшем военном командном училище (военном институте) НВВКУ.Курс лекций нацелен на формирование базовых знаний, необходимых курсантам для успешного последующего изучения многоцелевых гусеничных и колесных машин, их конструкции и рабочих процессов, происходящих в них при обычных и экстремальных условиях. В свою очередь, Курс лекций базируется на знаниях, полученных курсантами при изучении естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин: высшей математики, физики, теоретической механики, теории механизмов и машин, инженерной графики, сопротивления материалов, материаловедения, а также общего устройства боевых машин и принципов работы основных систем, механизмов и узлов.
Учебное пособие имеет в основном военно-прикладную направленность. При изложении учебного материала даются ссылки на примеры применения изучаемых типовых изделий в многоцелевых гусеничных и колесных машинах, средствах технического обслуживания и паркового оборудования.
В лекциях изложена основная часть теоретического материала. Они отражают состояние вопроса в целом, содержат классификацию и обобщения, систематизирующие знания обучаемых, а также включают конкретные сведения и указания, направленные на решение практических задач. Расчётная часть максимально приспособлена к использованию современных вычислительных средств, табличные данные в основном заменены эмпирическими регрессионными формулами, имеющими высокую степень корреляции (как правило не ниже 0,9) и легко решаемыми с применением инженерных калькуляторов. Из выводов расчетных зависимостей исключены громоздкие математические преобразования, а расчетные схемы и формулы представлены в виде, удобном для вычислений. Основное внимание обращается на физический смысл и размерность входящих в зависимость величин, а также на выбор основных параметров и расчетных коэффициентов.
^
Тема 1. общие сведения о деталях машин
Лекция № 1. общие сведения о деталях машин
Вопросы, изложенные в лекции:
Общие сведения о деталях машин. Требования к деталям машин.
Предмет и дисциплина «Детали машин».
^
Детали
машин
-
прикладная научная дисциплина, изучающая общеинженерные методы проектирования (расчета и конструирования) элементов машин и механизмов.
Изучение машин и их проектирование базируется на известных фундаментальных законах природы.
Курс « д етали машин и основы конструирования» является заверша-ющим в общеинженерной подготовке курсантов высших общевойсковых и танковых командных институтов.
Цель курса - создать теоретическую базу для последующего изучения конструкции многоцелевых гусеничных и колесных машин (МГКМ), их эксплуатации и ремонта с учетом критериев работоспособности, надежно-сти и технологичности.
Задача курса - изучение типовых конструкций элементов механизмов общепромышленного и военного применения, основных принципов их ра-боты и методов проектирования, включая расчет параметров и конструк-тивные особенности. В результате изучения дисциплины курсанты должны:
^ Иметь представление:
о принципах проектирования деталей и узлов боевых машин и авто-мобилей;
о влиянии материалов и технологичности конструкций на эффектив-ность и эксплуатационные качества БМП и БТР.
Знать:
характерные виды разрушения и основные критерии работоспособ-ности узлов и агрегатов БМП и БТР.
Уметь:
производить оценку работоспособности механизмов бронетанкового вооружения, выполнять расчеты при проектировании типовых деталей и узлов ВВТ;
оценивать достоинства и недостатки конструкции узлов и агрега-тов боевых машин;
конструировать узлы и агрегаты боевых машин.
Внимательный анализ состава самых различных машин (транспорт-ных, военных, сельскохозяйственных, технологических и т.п.) показывает, что все они включают значительное количество однотипных деталей узлов и механизмов. По этой причине курс деталей машин посвящен изучению наиболее общих элементов машин, способов их расчета и конструирования. Это, в свою очередь, обусловливает важность данного курса не только в свете прикладного применения, но также и с точки зрения развития техни-ческой культуры будущего офицера, поскольку техническая культура - это одна из многочисленных граней общечеловеческой культуры.
Объем курса составляет 180 часов; из них учебных занятий с преподавателем (аудиторных) 116 часов - лекций 32 часа, практических, лабораторных и самостоятельных занятий под руководством преподавателя 84 часа, включая 36 часов курсового проектирования.
Литература для изучения:
Детали машин и подъемное оборудование: Учеб. пособие для выс-ших общевойсковых и танковых училищ /Мельников Г.И., Леоненок Ю.В. и др. - М.: Воениздат, 1980. - 376 с.
Гузенков П.Г. Детали машин: Учеб. пособие для студентов втузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. школа, 1982.- 351 с.
Куклин Н.Г. и др. Детали машин: Учебник для техникумов / Н.Г. Куклин, Г.С. Куклина, В.К. Житков. – 5-е изд., перераб. и допол. – М.: Илекса, 1999.- 392 с.
Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 383 с.
Соловьев В.И. и др. Курсовое проектирование деталей машин. Методич. рекомендации / В.И. Соловьев, В.В. Коробков, Л.П. Соловьева, И.С. Кацман. изд. 2-е. - Новосибирск: НВОКУ, 1995. - 151 с.
Соловьева Л.П., Соловьев В.И. Курсовое проектирование деталей машин: Учебно-справ. пособие. - Новосибирск: НВОКУ, 1994. - 56 с.
Шейнблит А.Е. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1991. - 432 с.
Общие сведения о деталях машин. Требования к
деталям машин.
Основные определения.
^ Машина (от латинского machina ) - механическое устройство, выполняющее движения с целью преобразования энергии, материалов или информации.
Основное назначение машин - частичная или полная замена производ-ственных функций человека с целью повышения производительности, облегчения человеческого труда или замены человека в недопустимых для него условиях работы.
В зависимости от выполняемых функций машины делятся на энерге-тические, рабочие (транспортные, технологические, транспортирующие), информационные (вычислительные, шифровальные, телеграфные и т.п.), машины-автоматы, сочетающие в себе функции нескольких видов машин, включая информационные.
Агрегат (от латинского aggrego - присоединяю)- укрупненный унифи-цированный элемент машины (например, в автомобиле: двигатель, топли-воподающий насос), обладающий полной взаимозаменяемостью и выполня-ющий определенные функции в процессе работы машины.
Механизм - искусственно созданная система материальных тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое (необходимое) движение других тел.
Прибор - устройство, предназначенное для измерений, производ-ственного контроля, управления, регулирования и других функций, связан-ных с получением, преобразованием и передачей информации.
^ Сборочная единица (узел) - изделие или часть его (часть машины), составные части которого подлежат соединению между собой (собира-ются) на предприятии изготовителе (смежном предприятии). Сборочная единица имеет, как правило, определенное функциональное назначение.
Деталь - наименьшая неделимая (не разбираемая) часть машины, агрегата, механизма, прибора, узла.
Сборочные единицы (узлы) и детали делятся на узлы и детали общего и специального назначения.
Узлы и детали общего назначения применяются в большинстве совре-менных машин и приборов (крепежные детали: болты, винты, гайки, шай-бы; зубчатые колеса, подшипники качения и т.п.). Именно такие детали изу-чаются в курсе деталей машин.
К узлам и деталям специального назначения относятся такие узлы и детали, которые входят в состав одного или нескольких типов машин и при-боров (например, поршни и шатуны ДВС, лопатки турбин газотурбинных двигателей, траки гусениц тракторов, танков и БМП) и изучаются в соответ-ствующих специальных курсах (например, таких как "Теория и конструкция ДВС", "Конструкция и расчет гусеничных машин" и др.).
В зависимости от сложности изготовления детали, в свою очередь, делятся на простые и сложные. Простые детали для своего изготовления требуют небольшого числа уже известных и хорошо освоенных технологи-ческих операций и изготавливаются при массовом производстве на станках-автоматах (например, крепежные изделия - болты, винты, гайки, шайбы, шплинты; зубчатые колеса небольших размеров и т.п.). Сложные детали имеют чаще всего достаточно сложную конфигурацию, а при их изго-товлении применяются достаточно сложные технологические операции и используется значительный объем ручного труда, для выполнения которого в последние годы все чаще применяются роботы (например, при сборке-сварке кузовов легковых автомобилей).
По функциональному назначению узлы и детали делятся на:
1.Корпусные детали, предназначенные для размещения и фиксации подвижных деталей механизма, для их защиты от действия неблагоприят-ных факторов внешней среды, а также для крепления механизмов в составе машин и агрегатов. Часто, кроме того, корпусные детали используются для хранения эксплуатационного запаса смазочных материалов.
2. Соединительные для разъемного и неразъемного соединения (на-пример, муфты – устройства для соединения вращающихся валов; болты винты шпильки гайки – детали для разъемных соединений; заклепки – детали для неразъемного соединения).
3. Передаточные механизмы и детали, предназначенные для пере-дачи энергии и движения от источника (двигателя) к потребителю (испол-нительному механизму), выполняющему необходимую полезную работу.
В курсе деталей машин рассматриваются в основном передачи вращательного движения: фрикционные, зубчатые, ременные, цепные и т.п. Эти передачи содержат большое число деталей вращения: валы, шкивы, зубчатые колеса и т.п.
Иногда возникает необходимость передавать энергию и движение с преобразованием последнего. В этом случае используются кулачковые и рычажные механизмы.
4. Упругие элементы предназначены для ослабления ударов и вибра-ции или для накопления энергии с целью последующего совершения меха-нической работы (рессоры колесных машин, противооткатные устройства пушек, боевая пружина стрелкового оружия).
5. Инерционные детали и элементы предназначены для предотвра-щения или ослабления колебаний (в линейном или вращательном движе-ниях) за счет накопления и последующей отдачи кинетической энергии (ма-ховики, противовесы, маятники, бабы, шаботы).
6. Защитные детали и уплотнения предназначены для защиты внут-ренних полостей узлов и агрегатов от действия неблагоприятных факторов внешней среды и от вытекания смазочных материалов из этих полостей (пы-левики, сальники, крышки, рубашки и т.п.).
7. Детали и узлы регулирования и управления предназначены для воздействия на агрегаты и механизмы с целью изменения их режима работы или его поддержания на оптимальном уровне (тяги, рычаги, тросы и т.п.).
Основными требованиями, предъявляемыми к деталям машин, явля-ются требования работоспособности и надежности . К деталям, непосред-ственно контактирующим с человеком-оператором (ручки и рычаги управления, элементы кабин машины, приборные щитки и т.п.), кроме названных предъявляются требования эргономичности и эстетичности .
Работоспособность и надежность изделий.
Работоспособность
-
состояние изделия, при котором в данный момент времени его ос-новные параметры находятся в пределах, уста-новленных требованиями нормативно-технической документации и необходимых для выполнения его функциональной задачи
.
Работоспособность количественно оценивается следующими показа-телями:
1 . Прочность - способность детали выдерживать заданные нагрузки в течение заданного срока без нарушения работоспособности.
2. Жесткость - способность детали выдерживать заданные нагрузки без изменения формы и размеров.
3. Износостойкость - способность детали сопротивляться изнаши-ванию.
4. Стойкость к специальным воздействиям - способность детали сохранять работоспособное состояние при проявлении специальных воз-действий (теплостойкость, вибростойкость, радиационная стойкость, кор-розионная стойкость и т.п.).
Неработоспособное состояние наступает вследствие отказа.
Отказ - событие, нарушающее работоспособность. Отказы делятся на постепенные и внезапные; полные и частичные; устранимые и неустра-нимые.
Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сох-раняя свои показатели в пределах, установленных требованиями норма-тивно-технической документации, при соблюдении заданных условий ис-пользования, обслуживания, ремонта и транспортирования .
Свойство надежности количественно оценивается следующими пока-зателями: наработкой на отказ (среднее время работы изделия между двумя, соседними по времени отказами), коэффициентом готовности или коэффициентом технического использования (отношение времени работы изделия к сумме времен работы, обслуживания и ремонта в течение задан-ного срока эксплуатации), вероятностью безотказной работы и некото-рыми другими.
Проектирование и расчет типовых изделий.
Проектирование изделия
– разработ-ка комплекта документации, необходимой для его изготовления, наладки и эксплуата-ции в заданных условиях и в течение заданного срока.
Такой комплект технической документации включает:
1. Комплект конструкторской документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСКД).
2. Комплект технологической документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСТД).
3. Комплект эксплуатационной документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСКД). Последний включает формуляры, техни-ческие описания, инструкции по эксплуатации, инструкции по техничес-кому обслуживанию, плакаты, макеты и т.п.
4. Комплект ремонтной документации - ремонтные карты, ремонтно-технологические документы и т.п.
При проектировании решаются следующие основные задачи:
1. Обеспечение заданных параметров изделия для работы в заданных условиях.
2. Обеспечение минимальных затрат на производство заданного коли-чества изделий при сохранении заданных эксплуатационных параметров для каждого выпущенного изделия.
3. Сведение к минимуму эксплуатационных затрат при сохранении заданных эксплуатационных параметров изделия.
При решении каждой из основных задач приходится находить реше-ние целого ряда частных задач на разных этапах проектирования. При этом различные требования к изделию зачастую вступают в противоречие между собой. Искусство конструктора как раз и состоит в том, чтобы принять решение, максимизирующее положительный эффект от разрабатываемого изделия.
Процесс проектирования изделия состоит из многих этапов (состав-ление технического задания, расчет, конструирование, изготовление и испытание опытных образцов, разработка технологической документации, разработка эксплуатационной документации и т.п.), одними из главных среди которых являются расчет и конструирование.
В машиностроении основным является расчет деталей на прочность, который обычно выполняется в двух вариантах: 1) проектный расчет , и 2) проверочный расчет .
Целью проектного расчета является установление необходимых раз-меров узлов и деталей, соответствующих заданным нагрузкам и условиям работы. В этом случае расчет выполняется исходя из основного условия прочности:
p <[ p ] , (1.1)
где р - наиболее опасные напряжения (нормальные, изгибающие, касательные или контактные) из действующих в детали, а [р] - напряжения того же вида, допускаемые для материала, из которого планируется изготав-ливать деталь. Допускаемые напряжения для материала детали определяют как результат деления предельных для данного материала напряжений на выбранный (или заданный нормативной документацией) коэффициент запаса прочности:
, (1.2)
где под предельным напряжением p l в зависимости от условий работы детали понимается чаще всего либо предел прочности р в ( в или в ), либо предел текучести р т ( т или т ), либо предел выносливости р r ( r или r ); в частном случае это может быть предел выносливости при симметричном цикле нагружения р -1 ( -1 или -1 ). При этом допускаемый коэффициент запаса назначается либо нормативными документами (международные и государственные стандарты, ведомственные нормали и правила), либо из условия безотказной работы изделия в течение заданного нормативного срока его эксплуатации (указывается в техническом задании на разрабатываемое изделие).
Проверочный расчет в зависимости от поставленной задачи обычно выполняется в одном из двух вариантов: 1) определение предельно допустимых параметров (нагрузки, деформации, температуры нагрева и т.п.) в критической ситуации или 2) определение параметров, явившихся причиной разрушения детали, в процессе экспертизы аварий и катстроф. Проверочный расчет выполняется, исходя из условия
,
(1.3)
где p – действующий параметр; p n – предельный параметр. Или же при проверочном расчете определяется действующий (фактический) коэффициент запаса по проверяемому параметру:
(1.4)
Для нормально работающей детали величина нормативного и фактического коэффициентов запаса обычно больше единицы, а фактический коэффициент запаса по величине больше нормативного.
В первой части лекции кратко очерчен круг вопросов, исследуемых прикладной научной дисциплиной «Детали машин», представлены объем, цели и задачи учебного курса « д
Во второй ее части определены основные элементы машин, изложены главные требования к ним и даны основные понятия и определения, касающиеся эксплуатационных качеств изделий (машин, механизмов и приборов).
Третья часть лекции раскрывает смысл и содержание понятия «проектирование». Здесь же представлены базовые положения расчета типовых изделий.
Материал настоящей лекции служит основой при изучении всех последующих разделов курса « д етали машин и основы конструирования».
Вопросы для самоконтроля:
Каков круг вопросов, исследуемых научной дисциплиной «Детали машин»?
Почему эту дисциплину называют прикладной научной дисциплиной?
Что изучается в курсе «Детали машин и основы конструирования»?
Что понимается в деталях машин под термином «машина», в чем ее назначение?
Какие виды машин Вы можете назвать в зависимости от их функционального назначения?
Какие элементы машин вы знаете?
В чем разница между механизмом и прибором?
Может ли быть агрегат механизмом или механизм агрегатом? В чем заключается разница между ними?
Чем отличается сборочная единица от механизма и агрегата?
Назовите основные отличительные особенности детали. Приведите примеры.
Назовите основные отличительные особенности агрегата. Приведите примеры.
Какие функции могут выполнять узлы и детали в машине?
Какие основные требования, предъявляемые к элементам машин?
Что понимается под термином «работоспособность»? Какими показателями она характеризуется?
Какое событие нарушает работоспособность?
Что понимается под термином «надежность»? Какими показателями она характеризуется?
Что понимается под термином «проектирование изделия»?
Наличие каких комплектов документации позволяет утверждать, что проектирование изделия выполнено полностью?
Какие основные задачи решаются в процессе проектирования?
Назовите главный вид расчета деталей, выполняемый в процессе проектирования?
В чем разница между проектным и проверочным расчетом? Какие критерии используются при этих видах расчета?
Для механических и машиностроительных специальностей
Составил
к.т.н., доц. Еремеев В.К.
Иркутск 2008г.
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий конспект лекций по курсу "Детали машин" следует рассматривать как краткое изложение программных вопросов курса, облегчающее усвоение учебного материала и подготовку к экзаменам. Конспект изложен на базе основных учебников Д.Н.Решетова,
М.И. Иванова, П.Г. Гузенкова "Детали машин" и методического пособия В.К. Еремеева и Ю.Н. Горнова « Детали машин. Курсовое проектирование». Пользование конспектом ни в коем случае не исключает подготовки по учебникам, а лишь выделяет основные положения, соответствующие курсу "Детали машин" по машиностроительным и механическим специальностям. В ряде мест конспекта приводятся указания на те вопросы, которые необходимо подготовить только по учебникам, так как, за краткостью изложения, в конспект они не вошли. Это касается главным образом описательной стороны курса и конструктивных особенностей отдельных узлов и деталей машин.
Конспект рассчитан на сокращенную программу - 70 лекционных часов, поэтому в него не вошли такие разделы курса, как: заклепочные соединения, клиновые соединения и специальные виды зубчатых передач. Предполагается, что с этими вопросами студенты могут ознакомиться самостоятельно. Изложение учебного материала в конспекте соответствует программе курса "Детали машин" и содержанию экзаменационных билетов. Порядок изложения отдельных разделов несколько изменен в сравнении с основными учебниками по опыту преподавания предмета автором данного конспекта и с целью возможности досрочной подготовки студентов на практических занятиях к началу курсового проектирования.
«Детали машин» являются первым из расчетно-конструкторских курсов, в котором изучают основы проектирования машин и механиз мов.
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 (коленчатый вал, 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, редуктор и т. п.). Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, редуктор включает подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами 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 дета лями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин». Все другие детали, применяющиеся только в одном или нескольких типах машин (поршни, лопатки турбин, гребные винты и т. п.), относят к деталям специального назначения и изучают в специальных курсах.
Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень больших количествах (например, в СССР до 1992г. ежегодно изготавливали около миллиарда зубчатых колес). Поэтому любое усовершенствование методов расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность, приносит большой экономический эффект.
Основные требования к конструкции деталей машин .
Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности . Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. Экономичность определяют стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию.
Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин : прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброус тойчивость. Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее функционального назначения и условий работы. Например, для крепежных винтов главным критерием является прочность, а для ходовых винтов - износостойкость. При конструировании деталей их работоспособность обеспечивают в основном выбором соответствующего материала, рациональной конструктивной формой и расчетом размеров по одному или нескольким критериям.
Прочность является главным критерием работоспособности боль шинства деталей. Непрочные детали не могут работать. Следует помнить, что разрушения частей машины приводят не только к простоям, но и к несчастным случаям.
Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала (например, σ в ). Это связано обычно со случайными перегрузками, не учтенными при расчетах, или со скрытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т. п.). Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала (например, σ -1 ). Сопротивление усталости значительно понижается при наличии концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой детали (галтели, канавки и т. п.) или с дефектами производства (царапины, трещины и пр.).
Основы расчетов на прочность изучают в курсе сопротивления материалов. В курсе деталей машин общие методы расчетов на прочность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов.
Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой.
Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Такими условиями могут быть: условия работы сопряжённых деталей (например, качество зацепления зубчатых колес и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов); технологические условия (например, точность и производительность обработки на металлорежущих станках в значительной степени определяются жесткостью станка и обрабатываемой детали).
Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Значение расчетов на жесткость возрастает в связи с широким внедрением высокопрочных сталей, у которых увеличиваются характеристики прочности (σ в и σ -1), а модуль упругости
Е (характеристика жесткости) остается почти неизменным. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.
Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в подшипниках, в направляющих, в зубчатых зацеплениях, в цилиндрах поршневых машин и т. п. Увеличение зазоров снижает качественные характеристики механизмов: мощность, к. п. д., надежность, точность и пр. Детали, изношенные больше нормы, бракуют и заменяют при ремонте. Несвоевременный ремонт приводит к поломке машины, а в некоторых случаях и к аварии.
Интенсивность изнашивания и срок службы детали зависят от давления, скорости скольжения, коэффициента трения и износостойкости материала. Для уменьшения изнашивания широко используют смазку трущихся поверхностей и защиту от загрязнения, применяют антифрикционные материалы, специальные виды химико-термической обработки поверхностей и т. д.
Следует отметить, что изнашивание выводит из строя большое число деталей машины. Оно значительно увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения периодических ремонтных работ. Высокая стоимость ремонта обусловлена значительными затратами ручного, высококвалифицированного труда, который трудно механизировать и автоматизировать. Для многих типов машин за весь период их эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Износостойкость деталей машин существенно уменьшается при наличии коррозии. Коррозия является причиной преждевременного разрушения многих машин. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла. Для защиты от коррозии применяют антикоррозийные покрытия или изготовляют детали из специальных коррозийно-устойчивых материалов. При этом особое внимание уделяется деталям, работающим в присутствии воды, пара, кислот, щелочей и других агрессивных сред.
Теплостойкость . Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: понижение прочности материала и появление ползучести; понижение защищающей способности масляных пленок и следовательно увеличение изнашивания деталей; изменение зазоров в сопряженных деталях, которое может привести к заклиниванию или заеданию; понижение точности работы машины (например, прецизионные станки).
Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, выполняют тепловые расчеты и, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).
Виброустойчивость . Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. В некоторых случаях вибрации снижают качество работы машин. Например, вибрации в металлорежущих станках снижают точность обработки и ухудшают качество поверхности обрабатываемых деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Вредное влияние вибраций проявляется также и вследствие увеличения шумовых характеристик механизмов, В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает, поэтому расчеты на колебания приобретают все большее значение.
Особенности расчета деталей машин. Для того чтобы составить математическое описание объекта расчета и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции заменяют идеализированными моделями или расчетными схемами. Например, при расчетах на прочность по существу несплошной и неоднородный материал деталей рассматривают как сплошной и однородный, идеализируют опоры, нагрузки и форму деталей. При этом расчет становится приближенным, В приближенных расчетах большое значение имеет правильный выбор расчетной схемы, умение оценить главные и отбросить второстепенные факторы.
Погрешности приближенных расчетов существенно снижаются при использовании опыта проектирования и эксплуатации аналогичных конструкций. В результате обобщения предшествующего опыта вырабатывают нормы и рекомендации, например нормы допускаемых напряжений или коэффициентов запасов прочности, рекомендации по выбору материалов, расчетной нагрузки и пр. Эти нормы и рекомендации в приложении к расчету конкретных деталей приведены в соответствующих разделах данного конспекта лекций. Здесь отметим, что неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма от ветственным этапом расчета. Заниженное значение запаса прочности приводит к разрушению детали, а завышенное - к неоправданному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает весьма существенное значение.
Факторы, влияющие на запас прочности, многочисленны и разнообразны: степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул и определения расчетных нагрузок, влияние качества технологии, условий эксплуатации и пр. Если учесть все разнообразие условий работы современных машин и деталей, а также методов их производства, то станут очевидными большие трудности в раздельной количественной оценке влияния перечисленных факторов на значение запасов прочности. Поэтому в каждой отрасли машиностроения, основываясь на своем опыте, вырабатывают свои нормы запасов прочности для конкретных деталей. Нормы запасов прочности не являются стабильными. Их периодически корректируют по мере накопления опыта и роста уровня техники.
В инженерной практике встречаются два вида расчета - проектный и проверочный.
Проектный расчет - предварительный, упрощенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения ее размеров и материала.
Проверочный расчет - уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.
При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому некоторыми неизвестными параметрами задаются, принимая во внимание опыт и рекомендации, а некоторые второстепенные параметры просто не учитывают. Такой упрощенный расчет необходим для определения тех размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции. В процессе проектирования расчет и чертежную проработку конструкции выполняют параллельно. При этом ряд размеров, необходимых для расчета, конструктор определяет по эскизному чертежу, а проектный расчет приобретает форму проверочного для намеченной конструкции. В поисках лучшего варианта конструкции часто приходится выполнять несколько вариантов расчета. В сложных случаях поисковые расчеты удобно выполнять на ЭВМ. То обстоятельство, что конструктор сам выбирает расчетные схемы, запасы прочности и лишние неизвестные параметры, приводит к неоднозначности инженерных расчетов, а следовательно, и работоспособности конструкций. В каждой конструкции отражаются творческие способности, знание и опыт конструктора. Внедряются наиболее совершенные решения.
Расчетные нагрузки. При расчетах деталей машин различают расчетную и номинальную нагрузку. Расчетную нагрузку, например вращающий момент Т, определяют как произведение номинального момента Т н на динамический коэффициент режима нагрузки К* Т =Т н *К.
Номинальный момент соответствует паспортной (проектной) мощности машины. Коэффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением. Значение этого коэффициента зависит от типа двигателя, привода и рабочей машины. Если режим работы машины, ее упругие характеристики и масса известны, го значение К можно определить расчетом. В других случаях значение К выбирают, ориентируясь на рекомендации. Такие рекомендации составляют на основе экспериментальных исследований и опыта эксплуатации различных машин.
При расчете некоторых механизмов вводят дополнительные коэффициенты нагрузки, учитывающие специфические особенности этих механизмов, см., например, зубчатые передачи, гл. 4.
Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом. При изложении этого вопроса предполагают, что изучающим известны основные сведения о свойствах машиностроительных материалов и способах их производства из курсов материаловедения, технологии материалов, сопротивления материалов.
Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы: соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, износостойкость и др.); требования к массе и габаритам детали и машины в целом; другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т. д.); соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.); стоимость и дефицитность материала.
Черные металлы , подразделяемые на чугуны и стали, имеют наибольшее распространение. Это объясняется прежде всего их высокой прочностью и жесткостью, а также сравнительно невысокой стоимостью. Основные недостатки черных металлов - большая плотность и слабая коррозионная стойкость.
Цветные металлы - медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие - применяют главным образом в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминия и т. д.). Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполнения особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозинности и др.
Неметаллические материалы - дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы также находят широкое применение.
Пластмассы и композитные материалы - сравнительно новые, но уже хорошо освоенные выпуском, применение которых в машиностроении все более расширяется. Современное развитие химии высокомолекулярных соединений позволяет получить материалы, которые обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью и т. д.
Пластмассы технологичны. Они обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются пластическим деформированием при сравнительно невысоких температурах и давлениях. Это позволяет получать из пластмасс изделия почти любой сложной формы высокопроизводительными методами: литьем под давлением, штамповкой, вытяжкой или выдуванием. Другим преимуществом пластмасс и композитных материалов является сочетание легкости и высокой прочности. По этому показателю некоторые их виды могут конкурировать с лучшими сортами стали и дюралюминия. Высокая удельная прочность позволяет, использовать данные материалы в конструкциях, уменьшение массы которых имеет особо важное значение.
Основные потребители пластмасс в настоящее время - электрорадиотехническая и химическая промышленность. Здесь из пластмасс изготовляют корпуса, панели, колодки, изоляторы, баки, трубы и другие детали, подвергающиеся действию кислот, щелочей и т. п. В других отраслях машиностроения пластмассы применяют, главным образом, для производства корпусных деталей, шкивов, вкладышей подшипников, фрикционных накладок, втулок, маховичков, рукояток…
Технико-экономическая эффективность применения пластмасс и композитных материалов в машиностроении определяется в основном значительным снижением массы машин и повышением их эксплуатационных качеств, а также экономией цветных металлов и сталей. Замена металла пластмассами значительно снижает трудоемкость и себестоимость машиностроительной продукции. При замене черных металлов пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5. . .6 раз, а себестоимость - в 2. . .6 раз. При замене пластмассами цветных металлов себестоимость снижается в 4. . .10 раз.
Порошковые материалы получают методом порошковой метал лургии, сущность которой состоит в изготовлении деталей из порошков металлов путем прессования и последующего спекания в пресс-формах. Применяют порошки однородные или из смеси различных металлов, а также из смеси металлов с неметаллическими материалами, например с графитом. При этом получают материалы с различными механическими и физическими свойствами (например, высокопрочные, износостойкие, антифрикционные и др.).
В машиностроении наибольшее распространение получили детали на основе железного порошка. Детали, изготовленные методом порошковой металлургии, не нуждаются в последующей обработке резанием, что весьма эффективно при массовом производстве. В условиях современного массового производства развитию порошковой металлургии уделяется большое влияние.
Использование вероятностных методов расчета.
Основы теории вероятности изучают в специальных разделах математики. В курсе деталей машин вероятностные расчеты используют в двух видах: принимают табличные значения физических величин, подсчитанные с заданной вероятностью (к таким величинам относятся, например, механические характеристики материалов σ в, σ_ 1 , твердость Н и др., ресурс наработки подшипников качения и пр.); учитывают заданную вероятность отклонения линейных размеров при определении расчетных значений зазоров и натягов, например в расчетах соединений с натягом и зазоров в подшипниках скольжения при режиме жидкостного трения.
Установлено, что отклонения диаметров отверстий D и валов d подчиняются нормальному закону распределения (закону Гаусса). При этом для определения вероятностных зазоров S p и натягов N p получены зависимости:
Sp
min
- max
=
,
,
где верхние и нижние знаки относятся соответственно к минимальному и максимальному зазору или натягу, S = 0,5 (S min +S max), N =0.5(Nmin +N max); допуски T D = ES - EJ и T d =es-ei; ES , es -верхние, a EJ , ei -нижние предельные отклонения размеров.
Коэффициент С зависит от принятой вероятности Р обеспечения того, что фактическое значение зазора или натяга располагается в пределах S P min …S P max или N P min … N P max:
P ……….. 0.99 0.99 0.98 0.97 0.95 0.99
C ……… 0.5 0.39 0.34 0.31 0.27 0.21
На
рис. представлено графическое изображение
параметров формулы
для соединения с натягом. Здесь f
(D
)
и
f
(d
)
плотности
распределения
вероятностей случайных величин D
и
d
.
Заштрихованы
участки
кривых, которые не учитывают как
маловероятные при расчетах
с принятой вероятностью Р.
Применение вероятностных расчетов позволяет существенно повысить допускаемые нагрузки при малой вероятности отказов. В условиях массового производства это дает большой экономический эффект.
Надежность машин .
Приняты следующие показатели надёжности:
Показатели безотказности
Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки, отказ не возникнет.
Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия.
Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.
Интенсивность отказов – показатель надёжности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными.
Параметр потока отказов - показатель надёжности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольную малую его наработку к значению этой наработки (соответствует интенсивности отказов для неремонтируемых изделий, но включает повторные отказы).
Показатели долговечности
Технический ресурс (ресурс) – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до предельного состояния работоспособности. Ресурс выражается е единицах времени работы (обычно в часах), или длины пути пробега (в километрах), или в количестве единиц выпускаемой продукции.
Срок службы – календарная наработка до предельного состояния работоспособности (в годах).
Показатели ремонтопригодности и сохраняемости
Среднее время восстановления до работоспособного состояния.
Вероятность восстановления до работоспособного состояния в заданное время.
Сроки сохраняемости: средний и γ - процентный.
Комплексные показатели (для сложных машин и поточных линий.)
Различают три периода, от которых зависит надежность: проектирования, производства, эксплуатации.
При проектировании закладываются основы надежности. Плохо продуманные, неотработанные конструкции не бывают надежными. Конструктор должен отразить в расчетах, чертежах, технических условиях и другой технической документации все факторы, обеспечивающие надежность.
При производстве обеспечиваются все средства превышения надёж ности, заложенные конструктором. Отклонения от конструкторской документации нарушают надежность. В целях исключения влияния дефектов производства все изделия необходимо тщательно контролировать.
При эксплуатации реализуется надежность изделия. Такие понятия надежности, как безотказность и долговечность, проявляются только в процессе работы машины и зависят от методов и условий ее эксплуатации, принятой системы ремонта, методов технического обслуживания, режимов работы и пр.
Основные причины, определяющие надежность, содержат элементы случайности. Случайны отклонения от номинальных значений характеристик прочности материала, номинальных размеров деталей и прочих показателей, зависящих от качества производства; случайны отклонения от расчетных режимов эксплуатации и т. д. Поэтому для описания надежности используют теорию вероятности.
Надежность оценивают вероятностью сохранения работоспособно сти в течение заданного срока службы . Утрату работоспособности называют отказом . Если, например, вероятность безотказной работы изделия в течение 1000 ч. равна 0,99, то это значит, что из некоторого большого числа таких изделий, например из 100, один процент или одно изделие потеряет свою работоспособность раньше чем через 1000 ч. Вероятность безотказной работы (или коэффициент надежности) для нашего примера равна отношению числа надежных изделий к числу изделий, подвергавшихся наблюдениям:
P(t) =99/100=0,99.
Значение коэффициента надежности зависит от периода наблюдения t , который включен в обозначение коэффициента. У изношенной машины Р(t ) меньше, чем у новой (за исключением периода обкатки, который рассматривают особо).
Коэффициент надежности сложного изделия выражается произведением коэффициентов надежности составляющих элементов:
P (t )= P 1 (t ) P 2 (t )... P n (t ).
Анализируя эту формулу, можно отметить следующее;
- надежность сложной системы всегда меньше надежности самого ненадежного элемента, поэтому важно не допускать в систему ни од ного слабого элемента.
-
чем
больше элементов имеет система, тем
меньше ее надежность.
Если,
например, система включает 100 элементов
с одинаковой надежностью
Р
п
(t)
= 0,99, то надежность P(t)
= 0,99 100
0,37.
Такая система, конечно, не может быть
признана работоспособной, так как онабольше
простаивает, чем работает. Это позволяет
понять, почему проблема
надежности стала особенно актуальной
в современный период развития техники
по пути создания сложных автоматических
систем. Известно, что многие такие
системы (автоматические линии, ракеты,
самолеты, математические машины и др.)
включают десятки и сотни тысяч
элементов. Если в этих системах не
обеспечивается достаточная
надежность каждого элемента, то они
становятся непригодными или неэффективными.
Изучением надежности занимается самостоятельная отрасль науки и техники.
Ниже излагаются основные пути повышения надежности на стадии проектирования, имеющие общее значение при изучении настоящего курса.
1. Из предыдущего ясно, что разумный подход к получению высокой надежности состоит в проектировании по возможности простых изделий с меньшим числом деталей. Каждой детали должна быть обеспечена достаточно высокая надежность, равная или близкая к надежности остальных деталей.
2. Одним из простейших и эффективных мероприятий по повышению надежности является уменьшение напряженности деталей (повышение запасов прочности). Однако это требование надежности вступает в противоречие с требованиями уменьшения габаритов, массы и стоимости изделий. Для примирения этих противоречивых требований рационально использовать высокопрочные материалы и упрочняющую технологию: легированные стали, термическую и химико-термическую обработку, наплавку твердых и антифрикционных сплавов на поверхность деталей, поверхностное упрочнение путем дробеструйной обработки или накатки роликами и
т. п. Так, например, путем термической обработки можно увеличить нагрузочную способность зубчатых передач в 2 - 4 раза. Хромирование шеек коленчатого вала автомобильных двигателей увеличивает срок службы по износу в 3 - 5 и более раз. Дробеструйный наклеп зубчатых колес, рессор, пружин и прочее повышает срок службы по усталости материала в 2-3 раза.
Эффективной мерой повышения надежности является хорошая система смазки: правильный выбор сорта масла, рациональная система подвода смазки к трущимся поверхностям, защита трущихся поверхностей от абразивных частиц (пыли и грязи) путем размещения изделий в закрытых корпусах, установки эффективных уплотнений и т. п.
Статически определимые системы более надежны. В этих системах меньше проявляется вредное влияние дефектов производства на распределение нагрузки.
Если условия эксплуатации таковы, что возможны случайные перегрузки, то в конструкции следует предусматривать предохрани тельные устройства (предохранительные муфты или реле максимального тока).
Широкое использование стандартных узлов и деталей, а также стандартных элементов конструкций (резьб, галтелей и пр.) повышает надежность. Это связано с тем, что стандарты разрабатывают на основе большого опыта, а стандартные узлы и детали изготовляют на специализированных заводах с автоматизированным производством. При этом повышаются качество и однородность изделий.
7. В некоторых изделиях, преимущественно в электронной аппаратуре, для повышения надежности применяют не последовательное, а параллельное соединение элементов и так называемое резервирование. При параллельном соединении элементов надёжность системы значительно повышается, так как функцию отказавшего элемента принимает на себя параллельный ему или резервный элемент. В машиностроении параллельное соединение элементов и резервирование применяют редко, так как в большинстве случаев они приводят к значительному повышению массы, габаритов и стоимости изделий, Оправданным применением параллельного соединения могут служить самолеты с двумя и четырьмя двигателями. Самолет с четырьмя двигателями не терпит аварии при отказе одного и даже двух двигателей.
8. Для многих машин большое значение имеет ремонтопригодность. Отношение времени простоя в ремонте к рабочему времени является одним из показателей надежности. Конструкция должна обеспечивать легкую доступность к узлам и деталям для осмотра или замены. Сменные детали должны быть взаимозаменяемыми с запасными частями. В конструкции желательно выделять так называемые ремонтные узлы. Замена поврежденного узла заранее подготовленным значительно сокращает ремонтный простой машины.
Перечисленные факторы позволяют сделать вывод, что надежность является одним из основных показателей качества изделия. По надеж ности изделия можно судить о качестве проектно-конструкторских работ, производства и эксплуатации.
Изложены основные темы курса «Детали машин и основы конструирования». Рассмотрены основы расчета и конструирования деталей и сборочных единиц машин общего назначения: соединении, механических передач, валов и осей, подшипников и муфт.
Предназначено для подготовки студентов технических специальностей вузов по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
Содержание и основные задачи курса.
«Детали машин и основы конструирования» - научная дисциплина по расчету, проектированию и конструированию деталей и узлов общемашиностроительного назначения. В ее задачи входят обобщение инженерного опыта создания машиностроительных конструкций, разработка научных основ расчета и проектирования надежных элементов и узлов конструкций.
Машина - устройство, предназначенное для выполнения полезной работы, связанной с производством, обработкой, преобразованием энергии и информации. Основу каждой машины составляют устройства, называемые механизмами.
Механизм - это система тел. предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение остальных тел. Механизм имеет ведущие и ведомые звенья.
Ведущее звено - звено, которому движение передается извне. Остальные звенья механизма, которым передается движение от ведущего звена, называют ведомыми.
Машины состоят из деталей, которые объединены в узлы.
Деталь - это элементарная часть машины, которая изготавливается без сборочных операций и не может быть разобрана без разрушения. Изготавливается из однородного по наименованию и марке материала (болты, шпильки, шпонки. заклепки и пр.).
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Тема 1. Общие принципы проектирования деталей и узлов машин
1.1. Содержание и основные задачи курса
1.2. Требования к деталям и критерии их работоспособности
1.2.1. Критерии работоспособности
1.2.2. Критерии надежности
1.2.3. Критерии экономичности
Тема 2. Общие сведения о проектировании. Выбор допускаемых напряжении
2.1. Общие сведения о проектировании
2.2. Выбор допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности
Тема 3. Сварные соединения
3.1. Общие сведения о сварных соединениях
3.2. Конструкции сварных соединений и их расчет на прочность
3.2.1. Стыковые соединения
3.2.2. Нахлесточные соединения
3.2.3. Тавровые соединения
3.3. Допускаемые напряжения в сварных соединениях
Тема 4. Резьбовые соединения
4.1. Типы и основные параметры резьб
4.2. Соотношение сил и моментов в резьбовых деталях при затяжке
4.3. Расчет резьбы на прочность
4.4. Расчет на прочность одиночных болтов при различных случаях нагружения
4.4.1. Расчет незатянутого болта, нагруженного внешней растягивающей силой
4.4.2. Расчет затянутого болта при отсутствии внешней нагрузки
4.4.3. Расчет болтов, нагруженных поперечными силами
4.4.4. Расчет болта, нагруженного эксцентричной нагрузкой
4.4.5. Расчет затянутых болтов при действии внешней нагрузки, раскрывающей стык деталей
4.5. Расчет соединений, включающих группу болтов
4.5.1. Расчет групповых болтовых соединений под действием нагрузки, раскрывающей стык детали
4.5.2. Расчет групповых болтовых соединений под действием нагрузки, сдвигающей детали в стыке
4.6. Расчет болтов при действии переменной нагрузки
4.7. Допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности материала резьбовых деталей
Тема 5. Соединение деталей с натягом
Тема 6. Шпоночные и шлицевые (зубчатые) соединения
Тема 7. Общие сведения о заклепочных, клеммовых, паяных, клеевых и штифтовых соединениях
7.1. Заклепочные соединения
7.2. Клеммовые соединения
7.3. Паяные соединения
7.4. Клеевые соединения
7.5. Штифтовые соединения
Тема 8. Общие сведения о механических передачах
Тема 9. Фрикционные передачи
9.1. Цилиндрическая фрикционная передача
9.2. Коническая фрикционная передача
9.3. Вариаторы
9.4. Расчет на прочность фрикционных передач
Тема 10. Ременные передачи
10.1. Общие сведения
10.2. Силы в передаче
10.3. Скольжение ремня. Передаточное число
10.4. Напряжения в ремне
10.5. Критерии работоспособности ременных передач
Тема 11. Цепные передачи
11.1. Общие сведения
11.2. Приводные цепи
11.3. Звездочки
11.4. Передаточное число цепной передачи
11.5. Основные геометрические соотношения
11.6. Силы в ветвях цепи
11.7. Критерии работоспособности цепной передачи
Тема 12. Зубчатые передачи
12.1. Общие сведения
12.2. Цилиндрические зубчатые передачи
12.2.1. Геометрия и кинематика цилиндрических передач
12.2.2. Силы в передаче
12.2.3. Виды разрушения зубьев и критерии работоспособности зубчатых колес
12.2.4. Расчет на контактную прочность цилиндрических зубчатых передач
12.2.5. Расчет на изгиб цилиндрических зубчатых передач
12.3. Конические зубчатые передачи
12.3.1. Геометрия и кинематика конических зубчатых передач
12.3.2. Силы в передаче
12.3.3. Расчет на контактную прочность конических зубчатых передач
13.3.4. Расчет на изгиб конических зубчатых передач
12.4. Основные сведения о планетарных и волновых передачах
12.4.1. Планетарные передачи
12.4.2. Волновые передачи
Тема 13. Червячные передачи
13.1. Общие сведения
13.2. Геометрия червячных передач
13.3. Кинематические параметры передачи
13.4. Силы в зацеплении
13.5. Виды разрушения зубьев червячных колес и критерии работоспособности
13.6. Расчет передачи на контактную прочность
13.7. Расчет по напряжениям изгиба
13.8. Тепловой расчет червячной передачи
Тема 14. Рычажные передачи
Тема 15. Передача винт - гайка
Тема 16. Валы и оси
16.1. Общие сведения
16.2. Расчет валов на прочность
Тема 17. Подшипники качения
17.1. Общие сведения
17.2. Виды разрушения подшипников и критерии работоспособности
17.3. Расчет на динамическую грузоподъемность и долговечность
17.4. Уплотняющие устройства в узлах подшипников качения
Тема 18. Подшипники скольжения
18.1. Общие сведения
18.2. Режимы смазки в подшипниках скольжения
18.3. Виды разрушения и критерии работоспособности
18.4. Расчет подшипников скольжения в условиях несовершенной смазки
18.5. Расчет подшипников скольжения в условиях жидкостного трения
Тема 19. Муфты
19.1. Общие сведения
19.2. Глухие муфты
19.3. Жесткие компенсирующие муфты
19.4. Упругие компенсирующие муфты
19.5. Сцепные муфты
19.6. Самоуправляемые муфты
Список литературы.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Детали машин и основы конструирования, Ханов A.M., 2010 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Учебное пособие по курсовому проектированию для студентов специальностей
1-08 01 01, 1-36 01 08, 1-36 05 01, 1-36 06 01, 1-36 07 01, 1-43 01 06, 1-46 01 01, 1-46 01 02, 1-47 02 01, 1-48 01 01, 1-48 01 02, 1-48 01 04,
1-48 01 05, 1-48 02 01, 1-57 01 01, 1-57 01 03
очной и заочной форм обучения
УДК 621.80076.50 ББК 34.441
Составители:
доцент А.Ф. Дулевич, ассистент С.А. Осоко, ассистент А.М. Лось, доцент Ф.Ф. Царук, доцент С.Е. Бельский
Рецензенты:
Доктор техн. наук, заведующий кафедрой «Сопротивление материалов и деталей машин» БГАТУ А.Н. Орда;
кандидат техн. наук, доцент кафедры метрологии и стандартизации БГУИР А.Г. Архипенко;
Детали машин и основы конструирования: Учеб. пособие по курсовому проек-
1-48 01 02, 1-48 01 04, 1-48 01 05, 1-48 02 01, 1-57 01 01, 1-57 01 03 оч. и заоч.
форм обучения /Сост. А.Ф. Дулевич и др. – Мн.: БГТУ, 2005. – 160 с.
ISBN 985-434-297-2.
В пособии излагаются методики и последовательность кинематического и силового расчета привода, проектного и проверочного расчета основных механических передач, валов, подшипников и шпоночных соединений, вопросы выбора конструкций основных элементов редуктора и нормирования точности геометрических параметров деталей и их сопряжений, а также основные требования к оформлению конструкторской документации курсового проекта.
УДК 621.80076.50ББК 34.441
ВВЕДЕНИЕ
Для развития навыков проектирования и приложения теоретических знаний предпочтительны объекты, которые не только широко распространены и имеют большое практическое значение, но
и не подвержены в обозримом будущем моральному старению. Этими свойствами в полной мере обладают объекты, изучаемые в курсе «Детали машин и основы конструирования», они также присущи всем современным машинам, механизмам, приборам, эксплуатирующимся в любых условиях – от глубин океана до космоса.
Курс «Детали машин и основы конструирования» является общетехнической дисциплиной, которую изучает большое количество студентов высших учебных заведений.
Обучение методике конструирования механических приводов технологического оборудования, а также деталей и сборочных единиц, встречающихся в большинстве машин, невозможно без изучения чертежей существующих конструкций, узлов и деталей.
Это пособие в систематизированном виде содержит наиболее распространенные типовые конструкции соединений узлов и деталей машин, что позволит студентам успешно выполнить графическую часть курсовых и дипломных проектов.
Материал в пособии представлен в том порядке, в котором он изучается в учебных дисциплинах по учебному плану. В качестве иллюстраций приведены, по возможности, простые схемы, содержащие основные черты конструкции и позволяющие понять условия работы
и расчета деталей. Конструкцию деталей студенты дополнительно изучают на лабораторных занятиях и при курсовом проектировании.
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
1.1. Цели и задачи проектирования
Целью выполнения курсового проекта (КП) является приобретение первых инженерных навыков по расчету и конструированию типовых механизмов, узлов и отдельных деталей машин, на основе ранее полученных теоретических знаний по общеобразовательным и общетехническим дисциплинам.
Основными задачами курсового проекта являются:
ознакомление с научно-технической литературой по теме курсового проекта;
изучение известных аналогичных машин и механизмов с анализом их достоинств и недостатков;
выбор оптимального варианта конструкции с учетом требований технического задания;
выбор материала и выполнение необходимых проектных и проверочных расчетов с целью обеспечения технических характеристик проектируемого объекта;
выбор и обоснование необходимой точности изготовления деталей и узлов, шероховатости поверхностей, допусков и посадок размеров, форм и расположения;
выполнение графической части КП в соответствии с требованиями ЕСКД.
1.2. Основные этапы разработки конструкторской документации
В соответствии с требованиями ГОСТ 2.103 «Стадии разработки» предусмотрены следующие этапы разработки конструкторской документации:
техническое задание;
техническое предложение;
эскизный проект;
технический проект;
рабочая конструкторская документация.
Техническое задание (ТЗ) выдается заказчиком.
Техническое предложение (ТП) разрабатывается на основании ТЗ исполнителем по согласованию с заказчиком и в него входит: со-
вокупность документов по обоснованию технической и техникоэкономической целесообразности разработки изделия с учетом требований ТЗ. ТП утверждается заказчиком исполнителем.
Эскизный проект предполагает разработку комплекса документации, дающей общее представление о конструкции и принципе работы устройства в целом и техническом решении его отдельных деталей и узлов. Эскизный проект является основой для дальнейшей разработки технического проекта и рабочей конструкторской документации.
Технический проект – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации.
Технический проект после согласования и утверждения в установленном порядке служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.
Рабочая конструкторская документация предназначена для изготовления деталей и узлов, которые должны выполнять свои функции и обеспечивать работоспособность устройства в целом.
Ограниченность времени, отводимого на выполнение курсового проекта, приводит к необходимости совмещать и сокращать объем разрабатываемой документации.
На основании расчетов, перечень и содержание которых указаны в задании на проектирование, определяется конструкция устройства и разрабатывается общий вид изделия в виде эскизного проекта.
На основании эскизного проекта, с учетом внесенных при дальнейшей проработке уточнений и изменений, на листе ватмана карандашом либо на компьютере (по согласованию с преподавателем) выполняется сборочный чертеж устройства. Кроме сборочного чертежа устройства студенты выполняют сборочный чертеж привода, узлов и рабочие чертежи деталей, оговариваемые в задании на курсовое проектирование.
Все расчеты, описания и приложения оформляются в виде пояснительной записки к курсовому проекту, которая выполняется в соответствии с ГОСТ 2.105 и СТП 05-11.
1.3. Основные требования к эскизному проекту
На основании результатов кинематического и прочностного расчетов на миллиметровой бумаге, в масштабе 1:1, выполняется эскизный проект. Он начинается с нанесения осевых линий валов с уче-
том межосевых расстояний и диаметров вершин и размеров зубчатых колес. Вычерчивают валы по посадочному диаметру внутреннего кольца подшипника без обозначения их размеров по длине, наносят габаритные размеры предварительно выбранных подшипников. Детали механизма следует располагать в корпусе компактно, более полно используя его пространство.
В дальнейшем прорабатывают конструкции отдельных деталей, выбирают способы соединения их с другими элементами механизма. При этом необходимо определить:
способы установки валов в подшипниках;
крепление зубчатых колес на валах, подшипников – на валах и в корпусе;
способы регулировки зазоров в подшипниках;
способы и устройства для смазки подшипников и передач;
виды и конструктивное оформление несущих деталей.
Конструкция проектируемого механизма должна обеспечивать возможность его сборки и разборки, свободный доступ для регулировки, настройки отдельных узлов и замены деталей. Предпочтителен узловой метод сборки, при котором отдельные детали собираются в узлы, а из них собирается механизм. Например, на валу монтируются зубчатые колеса, подшипники качения, дистанционные втулки, а затем собранный узел устанавливается в корпусе.
Тип и способ изготовления корпусных деталей выбирается в зависимости от объемов производства. При серийном производстве целесообразно корпуса выполнять литыми, штампованными или прессованными (из пластмасс), а при индивидуальном или мелкосерийном производстве – сварными или сборными. При проектировании разъемного корпуса необходимо предусмотреть элементы, обеспечивающие фиксацию взаимного положения корпусных деталей и соосность отверстий под подшипники.
При выборе конструкции необходимо изучить известные технические решения и выполнить их анализ, максимально использовать унифицированные детали и узлы. Для повышения технологичности и уменьшения трудоемкости изготовления конструкции следует сокращать номенклатуру используемых стандартных и нормализованных деталей и узлов, а также используемых материалов. Везде, где возможно, следует применять в деталях форму тел вращения, технологически более простую в изготовлении.
Для наиболее удачного размещения деталей и узлов рекоменду-
ется рассмотреть несколько вариантов конструкции проектируемого устройства. При этом возможны существенные изменения первоначально разработанной конструкции и выполненных расчетов. В качестве окончательного варианта конструктивного решения выбирается наиболее удачная эскизная проработка проектируемого устройства, обеспечивающая минимальные массово-геометрические параметры и максимальную экономичность в эксплуатации.
1.4. Требования к сборочному чертежу механизма
Сборочный чертеж механизма выполняется на основании его эскизного проекта карандашом на листе формата А1. Либо с использованием средств компьютерной графики (по согласованию с преподавателем). Чертеж должен содержать минимальное необходимое число проекций, видов, разрезов, сечений и невидимых линий, дающих полное представление о его конструкции и принципе работы. Допускается на сборочном чертеже упрощенно показывать крепежные детали, резьбы и ее элементы (фаски, сбег, недорезы), а также не показывать мелкие фрагменты деталей и соединений: фаски, проточки, скругления и углубления. При использовании большого количества крепежных деталей одного типа и размера можно подробно изобразить только одно место соединения, а остальные показать штрихпунктирными линиями. На чертеже показать следующие фрагменты методом сечений, выносок или невидимыми линиями: на виде сверху бобышки под крышки подшипников и стенку основания корпуса; отверстие под фундаментный болт; установку болтов крепления крышки корпуса к основанию корпуса у подшипников (d 1 ) и прочие болты (d 2 ); крепление крышки подшипника к корпусу (d 3 ); крепление смотровой крышки к корпусу (d n ); установку смотровой крышки, рым–болта, сливного отверстия, маслоуказателя, отдушины, штифта; зубчатое или червячное зацепление; шпоночное соединение; конструкцию подшипников и крышку подшипников с уплотнениями в них; способ смазки зацепления и подшипников; уровень масла.
Сборочный чертеж кроме графического изображения разрабатываемого изделия, должен содержать необходимые размеры, уровень смазки в корпусе, номера позиций спецификации узлов (сборочных единиц) и деталей, входящих в изделие, технические требования к сборке и регулировке, его техническую характеристику.
К размерам, указываемым на сборочном чертеже, относятся: га-
баритные, межосевые, посадочные, установочные и присоединительные (размеры опорной поверхности, ее толщина, размещение в ней крепежных отверстий и их диаметр, длина и посадочный диаметр входных и выходных валов), размеры для транспортировки, а также справочные.
Номера позиций спецификации выполняют на полках линийвыносок, которые располагаются параллельно основной надписи вне контура изображения детали (узла), и группируют в колонку или строчку по возможности на одной линии. Для группы крепежных деталей, относящихся к одному соединению, допускается использовать одну линию-выноску. В этом случае полки для номеров позиций располагают колонкой и соединяют тонкой линией.
Технические требования помещают на поле чертежа над основной надписью в виде столбца, по ширине не превышающего основной надписи. Каждая позиция технических требований нумеруется и начинается с новой строки. Запись ведется сверху вниз. Технические требования содержат сведения, не отраженные на чертеже. К ним относятся:
указания размеров, относящихся к справочным;
предельные отклонения размеров, формы и расположения поверхностей, которые должны быть выдержаны при сборке;
требования к точности монтажа (допустимые осевые и радиальные зазоры, биения и т.п.);
указания о маркировке и клеймении;
правила транспортировки и хранения;
особые условия эксплуатации;
тип смазки подвижных соединений;
способы стопорения резьбовых соединения;
требования по обработке (покраске) поверхностей;
требования по обкатке изделия и защите (ограждении) опасных мест.
Техническая характеристика размещается на свободном поле
чертежа (отдельно от технических требований), имеет самостоятельную нумерацию и снабжается заголовком «Техническая характеристика». Она содержит дополнительные сведения об изделии. Например, для редуктора может содержать сведения о передаваемой мощности, передаточном числе, частоте вращения валов, крутящем моменте на выходном валу и т.д.
К сборочному чертежу прилагается текстовой документ – спецификация, которая выполняется в соответствии с ГОСТ 2.108 на листах формата А4 и оформляется в виде приложения к пояснительной записке. Форма первого листа спецификации представлена в приложении 7 рис. 4.
В соответствии с ГОСТ 2.108 в спецификации предусмотрено 8 разделов, однако в курсовом проекте обычно достаточно 3–4 раздела: «Документация», «Сборочные единицы», «Детали», «Стандартные изделия», «Материалы». Указанные наименования разделов записываются в графе «Наименование».
В графе «Поз.» спецификации указывают порядковый номер составного элемента разработанного устройства. Этот номер соответствует позиции элемента на сборочном чертеже. В графе «Формат» указывают форматы документов, обозначения которых записывают в графе «Обозначение». В графе «Зона» указывают обозначения зоны, в которой находится номер позиции. Разбивка чертежа на зоны производится по ГОСТ 2.104. В графе «Обозначение» указывают шифр чертежа элементов изделия. Для стандартных изделий эта графа не заполняется. В графе «Наименование» указывают наименование изделий; для стандартных изделий, кроме наименования, указывают условное обозначение в соответствии со стандартом.
1.5. Требования к чертежу общего вида привода
Чертеж общего вида привода выполняется на основании расчетов всех передач привода и сборочного чертежа механизма карандашом либо выводится на графопостроителе с помощью вычислительной техники на листе формата А1 (по согласованию с преподавателем). На чертеже общего вида привода должна быть показана рама, смонтированные на ней все составные элементы, привода (электродвигатель, редуктор, натяжные устройства, опоры открытых передач) и приводной вал рабочего органа привода на опорах. Рама выполняется в виде сварной конструкции из стандартных профилей (швеллер, уголок, тавр, двутавр, лист, полоса). Число изображений должно быть минимальным (как правило, два: вид сверху и вид сбоку, позволяющий более полно показать конструкции приводного вала и рамы привода, опор, натяжных устройств, муфты и т.д.), но достаточным для получения представления об изделии в целом. Чертеж общего вида выполняется с упрощениями, которые устанавливаются ГОСТ 2.109
на оформление чертежей, но при этом должна быть понятна конструкция устройства, взаимодействие составных частей и принцип работы привода. При использовании большого количества крепежных деталей одного типа и размера подробно изобразить только одно место соединения, а остальные показать штрихпунктирными линиями. На чертеже показать следующие фрагменты методом сечений, выносок или линиями невидимого контура: конструкция рамы привода и расположение ее составных частей; крепления рамы к фундаменту; крепление электродвигателя, редуктора и опор к раме; конструкции муфты, натяжных устройств, опор открытых передач и приводного вала привода; крепление элементов открытых передач к валам; вид открытых передач.
Чертеж общего вида привода кроме графического изображения должен содержать необходимые размеры, номера позиций сборочных единиц и деталей привода, технические требования по монтажу и регулировке, техническую характеристику привода, схемы расположения болтов крепления рамы к фундаменту и крепления всех элементов привода к раме.
К размерам, указываемым на чертеже общего вида, относятся: габаритные; межосевые; посадочные; наибольшие размеры элементов открытых передач привода; установочные и присоединительные (размеры опорных поверхностей рамы и сборочных единиц, установленных на раме, расстояние между крепежными болтами и их расположение относительно осей сборочных единиц и границ рамы, высоту рамы и размещения осей валов всех передач привода относительно рамы).
Для возможности монтажа привода на чертеже справа над основной надписью в уменьшенном масштабе выполняются схемы расположения болтов крепления рамы к фундаменту и крепления элементов привода (двигателя, редуктора, опор открытых передач и рабочего приводного вала) к раме. На схемах указать: места расположения отверстий под болты, их диаметр и количество; оси электродвигателя, редуктора, всех валов, в том числе и рабочего вала привода, с текстовыми надписями, а также координатные размеры между ними.
Номера позиций спецификации выполняют на полках линийвыносок, требования к которым аналогичны изложенному в п. 1.4.
К чертежу общего вида привода прилагается текстовой документ – спецификация, которая оформляется аналогично изложенному
в п.1.4.