Файл: База ДМиОК ч. 1.doc

Агрегат - сборочная единица, обладающая свойствами полной взаимозаменяемости и способная самостоятельно выполнять определен­ную функцию в изделии /редуктор, электродвигатель, тормоз и т.п./.

Механизм - сборочная единица, предназначенная для передачи и преобразования движений одного или нескольких звеньев в требуемое дви­жение исполнительных звеньев и обеспечивающая выполнение рабочего дви­жения машины /механизм подъема, передвижения, поворота подъемного крана и т.п./.

Механизмы разнообразных машин и приборов, например, металлорежу­щего станка, конвейера, крана, прокатного стана и т.д., содержат много похожих по назначению деталей и узлов ( винтов, гаек, соединений, передач, валов, опор и т.п.).

Конструированию и расчету деталей и узлов общемашиностроительного применения посвящено настоящее учебное пособие.

Процесс конструирования в значительной степени стандартизован требованиями действующей Единой системы конструкторской документации /ЕСКД/, устанавливающей единый порядок разработки, оформления, согласо­вания, внесения изменений, учета и хранения конструкторской документа­ции во всех отраслях промышленности. Выполнение требований ЕСКД обес­печивает сокращение срока и снижение трудоемкости проектно-конструкторских работ.

Критерий прочности - способность деталей работать без разрушения при действии внешних нагрузок. Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности и сопротивления усталости при действии переменных по времени нагрузок.

Детали машин в процессе эксплуатации подвергаются воздействию постоянных и переменных по времени нагрузок и температур и должны обладать прочностью, т.е. способностью сопротивляться разрушению под действием приложенных к ним внешних нагрузок. Постоянными назы­вают такие нагрузки, которые изменяют свою величину или точку при­ложения с небольшой скоростью. Переменными называют нагрузки, изменяющиеся во времени с большой скоростью (напр. вибрационные или ударные ).

На практике прочность деталей чаще всего оценивается с помощью допускаемых напряжений или по коэффициентам запаса прочности. При расчетах предполагается, что материал деталей имеет сплошное /не­прерывное/ строение и обладает во всех точках одинаковыми свойствами.

Наибольшее распространение получил метод расчета по допускаемым напряжениям, при котором сравниваются наибольшие расчетные напряже­ния _мах в нагруженной детали с допускаемыми напряжениями [], свойственными данному материалу, с учетом формы и особенностей нагружения детали.

Условие прочности по допускаемому напряжению имеет вид:

_мах [].

Расчеты по допускаемым напряжениям наиболее просты, проводятся как предварительные при определении размеров деталей и на­зываются проектировочными.

Расчеты по коэффициентам запаса прочности являются более точными, т.к. позволяют учитывать отдельные факторы, влияющие на прочность /например, размеры детали, ее форму, методы упрочнения и т.д./.

Условие прочности по коэффициенту запаса имеет вид

S=S,

где S - коэффициент запаса прочности; _пред- предельное напряжение /предел прочности _в или текучес­ти _Т – при постоянных нагрузках, или предел выносливости _-1 - при переменных/; _мах - максимальное напряжение при наибольшей рабочей нагрузке с учетом конструктивных особенностей детали; [S] – допускаемый коэффициент запаса прочности, задаваемый в каждой отрасли промышленности.

При расчетах деталей из пластичных материалов определяют коэф­фициент запаса по отношению к пределу текучести материала -_т, a для деталей из хрупких материалов - по отношению к временному сопротивлению -_в, т.е. пределу прочности.

Расчеты по коэффициентам запаса проводят для сконструированной детали на основе ее рабочего чертежа и называют проверочными. Зна­чения допускаемого коэффициента запаса прочности в общем машинострое­нии ориентировочно рекомендуют принимать: для пластичных материалов [S]= 1,3 ... 1,6, для хрупких материалов [S] = 2,1...2,5.

Детали машин могут длительное время подвергаться воздействию переменных нагрузок, когда напряжения периодически изменяют свое значение или значение и знак. Циклы изменения напряжений по синусои­дальному закону представлены на рис. 1.1. Время однократной смены напряжений называется периодом - Т.

Рис. 1.1 Циклы напряжений

Цикл напряжений характеризуется совокупностью последовательных значений напряжений за время одного периода при регулярном нагружении, среди которых можно отметить следующие :

_мах, _min - максимальное и минимальное напряжения;

_м = 0,5 / _мах + _min / - среднее напряжение;

_а = 0,5 / _мах - _min / - амплитуда напряжений цикла.

При _min= 0, _м= _а=0,5 _мах - имеем отнулевой цикл напря­жений;

при _м= 0, _а = _мах - имеем симметричный цикл напряжений;

при _мах=_min= _м= _а - имеем постоянные статические напряжения.

Во всех других случаях циклы напряжений называют асимметричными.

При переменных нагрузках детали разрушаются при напряжениях, меньших предела прочности из-за возникновения микротрещин в зоне концентрации напряжений вследствие наличия проточек, канавок, отверс­тий и т.д. Действующие нагрузки при этом вызывают рост трещин вглубь материала, что приводит к уменьшению поперечного сечения детали, уве­личению напряжений и мгновенному ее разрушению. Такое разрушение на­зывается усталостью материала.

Способность материала воспринимать многократное действие пере­менных напряжений без разрушений называется сопротивлением усталос­ти или выносливостью материала. Характеристики выносливости материалов получают при испытаниях стандартных образцов на специальных машинах. Наиболее простым явля­ется испытание на изгиб при симметричном цикле напряжений. При этом нагружают образцы различными значениями амплитуд напряжений _и и определяют число циклов N , при котором происходит их разрушение. По результатам испытаний строят кривую усталости /рис. 1.2/. из ко­торой видно, что при некотором значении напряжений образец может выдерживать бесконечное число циклов нагружения. Опыт показывает, что стальной образец, выдерживающий N₀ = 10 циклов, в дальнейшем не разрушается. Напряжение, соответствующее значению N₀ ,называют пределом выносливости при симметричном цикле и обозначают _-1.

Рис. 1.2 Кривая усталости

Пределом выносливости называется наибольшее напряжение, при котором образец или деталь может работать без разрушения неограни­ченно долго. Значение предела выносливости определяют из таблиц, либо при­нимают следующие эмпирические соотношения:

_-1  0,43 _в ; _-1  0,58 _-1 ,

где _в- предел прочности.

На сопротивление усталости оказывают влияние конструктивная форма детали, ее размеры, состояние поверхности, термообработка и другие факторы.

Расчеты на выносливость заключаются в определении коэффициен­тов запаса прочности в опасных сечениях при действии напряжений изгиба или растяжения /коэффициент S / , и под действием напряжений кручения или среза /коэффициент S_ /. При совместном действии переменных нормальных и касательных напряжений общий коэффициент запаса прочности равен

,

где [S]=1,3…2,5 - допускаемый суммарный коэффициент запаса прочности.

При конструировании машин желательно стремиться к выполнению условия равнопрочности отдельных деталей или соединений. Однако, на практике не всегда удается выполнить это требование вследствие особенностей конструкции, способа нагружения и условий эксплуатации.

Критерий жесткости - способность деталей сопротивляться изменению формы под действием приложенных нагрузок.

Требования жесткости конструкции предъявляют ограничение величины упругих деформа­ций деталей в пределах допускаемых для устойчивой работы изделия. Например, при высокой жесткости валов обеспечивается нормальная работа подшипников и требуемое качество зацепления зубчатых колес. Точность изготовления деталей зависит от жесткости станин металлообрабаты­вающих станков.

Критерий износостойкости - сопротивление подвижных сопряжений деталей процессу изнашивания. Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров деталей при разрушении поверхностных слоев в результате тре­ния. Износ - это результат изнашивания, при котором увеличиваются зазоры, например, в подшипниках, в зубчатых зацеплениях и т.п.

Науку о трении, смазке и изнашивании механизмов называют трибоникой.

Существуют следующие виды изнашивания в машинах: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое. К механическому относят абразивное изнашивание, т.е. изнашивание в результате режу­щего или царапывающего действия посторонних твердых частиц, находящих­ся между трущимися поверхностями. Интенсивность абразивного изнаши­вания зависит от физико-механических свойств абразива, прочности и твердости материала трущихся поверхностей, действующей нагрузки и состояния смазочного слоя.

Для уменьшения абразивного изнашивания, повышают поверхностную твердость материалов деталей или снижают абразивное воздействие за счет уста­новки уплотнений, качественной смазки и т.д.

К молекулярно - механическому относят изнашивание при схватывании, которое происходит вследствие молекулярных сил при трении. Схватывание проявляется в переносе материала с одной сопряженной детали на другую при разрыве смазочной пленки. Наиболее опасный вид схватывания заключается в местном сваривании трущихся поверхностей, с последующим вырыванием частиц материала с контактирующих поверхностей и образованием наростов, которые задирают трущиеся поверхности.

Для уменьшения изнашивания при схватывании на рабочие поверхности контактирующих деталей наносят защитиные покрытия и окисные пленки, повышают поверхностную твердость, уменьшают контактные напряжения и скорость относительного перемещения.

Коррозионно-механическое изнашивание сопровождается химическим или электролитическим взаимодействием материала со средой, при котором продукты коррозии стираются с поверхностей механическим путем. Для защиты от коррозии применяют коррозионно-устойчивые материалы или покрытия.

Критерий теплостойкости - способность деталей машин сохранять работо­способность и механические характеристики материалов с повышением температуры. Тепловыделение может вызываться рабочими процессами в машинах или трением в узлах механизмов. Повышение температуры сни­жает механические характеристики металлов /особенно характерно это для цветных сплавов/ и сильно влияет на свойства термически обрабо­танных деталей и пластмасс. Повышение температуры до 300...400°С у сталей и до 50...100°С у цветных металлов вызывает явление ползучести, т.е. появление пластических деформаций при постоянной внешней нагрузке.

Расчеты на прочность деталей машин, работающих в условиях, повышенных температур, выполняют по пониженным допускаемым напряжениям, учитывающим фактическую величину рабочей температуры.

Критерий виброустойчивости - способность конструкций работать в задан­ном диапазоне рабочих режимов без возникновения недопустимых колебаний. Обусловленные вибрационными колебаниями динамические усилия на детали суммируются с расчетными рабочими усилиями , что может вызвать разрушение отдельных элементов и при­вести к потере работоспособности изделия. Особенно опасным оказывается совпадение частот вынужденных и собственных колебаний системы и возникновение явления резонанса. Работа машин в режиме резонанса недопустима. При возникновении вибраций работа машины сопровождается шумом, вызываемым соударением взаимно сопряженных движущихся дета­лей. Для борьбы с вибрациями необходимо повышать точность и качество обработки деталей, применять пластичные материалы с повышенным внутренним трением, а также использовать амортизаторы, т.е. демпфирующие устройства или гасители колебаний .