|
Читайте также: |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ЛЕКЦИЯ 1. Основы выбора критериев работоспособности и расчета деталей машин.......................................................................................................................... 6
Рекомендуемая литература......................................................................... 6
Введение....................................................................................................... 7
1. Основные критерии работоспособности деталей.................................. 8
2. Надежность машин................................................................................ 12
3. Машиностроительные материалы........................................................ 13
ЛЕКЦИЯ 2. Механические передачи. Зубчатые цилиндрические передачи 17
1. Общие понятия о механических передачах......................................... 18
2. Зубчатые цилиндрические передачи.................................................... 20
2.1. Параметры цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления 21
2.2. Точность зубчатых передач............................................................... 25
ЛЕКЦИЯ 3. Критерии расчета зубчатых передач. Допускаемые напряжения 26
2.3. Виды разрушения зубьев................................................................... 26
2.4. Выбор материалов зубчатых колес и способов термообработки... 29
2.5. Допускаемые напряжения при действии переменных нагрузок...... 31
2.5.1. Допускаемые контактные напряжения........................................ 32
2.5.2. Допускаемые напряжения изгиба............................................... 36
ЛЕКЦИЯ 4. Прочностные расчеты цилиндрических зубчатых передач... 37
2.6. Расчет на выносливость по контактным напряжениям..................... 37
2.7. Расчет на выносливость по напряжениям изгиба............................. 43
2.8. Особенности геометрии косозубых и шевронных передач.............. 46
2.9. Расчет на прочность косозубой передачи......................................... 48
2.10. Силы в цилиндрических зубчатых передачах................................ 51
ЛЕКЦИЯ 5. Конические зубчатые передачи............................................... 53
1. Геометрия и кинематика передачи....................................................... 53
2. Классификация конических передач.................................................... 55
3. Основные параметры передачи и коэффициенты смещения............... 57
4. Параметры эквивалентных зубчатых колес......................................... 58
5. Расчет на прочность прямозубой конической передачи..................... 59
5.1. Расчет на выносливость по контактным напряжениям................. 59
5.2. Расчет на выносливость по напряжениям изгиба.......................... 61
6. Особенности расчета передачи с круговым зубом.............................. 62
7. Силы в конических передачах.............................................................. 63
ЛЕКЦИЯ 6. Червячные передачи................................................................. 65
1. Классификация червячных передач..................................................... 66
2. Основные параметры передачи с цилиндрическим червяком............ 67
3. Материалы червяка и колеса................................................................ 69
4. Расчет допускаемых напряжений......................................................... 70
4.1. Допускаемые контактные напряжения........................................... 70
4.2. Допускаемые напряжения изгиба.................................................. 72
5. Расчет червячной передачи на прочность........................................... 72
5.1. Расчет на прочность по контактным напряжениям....................... 73
5.2. Расчет на прочность по напряжениям изгиба............................... 76
6. КПД червячной передачи..................................................................... 77
7. Силы в зацеплении................................................................................ 78
8. Тепловой расчет.................................................................................... 78
ЛЕКЦИЯ 7. Ременные передачи................................................................... 80
1. Кинематика и геометрия ременных передач........................................ 82
2. Силовой расчет передачи..................................................................... 85
2.1. Вывод формулы Эйлера................................................................ 85
2.2. Напряжение в ремне от действия центробежных сил................... 87
2.3. Напряжение изгиба ремня.............................................................. 88
2.4. Максимальное напряжение в ремне............................................... 89
2.5. Нагрузки на валы и опоры............................................................. 90
3. Расчет ремней........................................................................................ 90
3.1. Расчет плоских ремней по тяговой способности........................... 91
3.2. Расчет плоских ремней на долговечность..................................... 93
4.3. Расчет клиновых ремней................................................................ 94
ЛЕКЦИЯ 8. Цепные передачи...................................................................... 96
1. Приводные цепи.................................................................................... 97
2. Звездочки............................................................................................... 99
3. Геометрические и кинематические параметры цепных передач....... 100
4. Критерии работоспособности и расчета передач роликовой цепью 103
ЛЕКЦИЯ 9. Валы и оси.............................................................................. 106
1. Проектный расчет и конструирование вала...................................... 107
2. Расчет вала на усталостную прочность.............................................. 109
3. Расчет вала на статическую прочность.............................................. 114
4. Расчет вала на жесткость..................................................................... 115
5. Расчет вала на колебания.................................................................... 116
ЛЕКЦИЯ 10. Подшипники качения........................................................... 118
1. Классификация и условные обозначения........................................... 119
2. Характеристики подшипников основных типов................................ 121
3. Распределение нагрузки между телами качения................................ 123
4. Виды разрушения подшипников. Критерии расчета........................ 124
5. Расчет на долговечность по динамической грузоподъемности........ 126
6. Особенности расчета радиально-упорных подшипников................. 128
7. Эквивалентная нагрузка при переменных режимах работы............ 130
8. Расчет подшипников по статической грузоподъемности.................. 131
ЛЕКЦИЯ 11. Муфты................................................................................... 131
1. Фланцевая муфта................................................................................. 133
2. Зубчатая муфта.................................................................................... 133
3. Цепная муфта....................................................................................... 135
4. Муфта упругая втулочно-пальцевая.................................................. 136
ЛЕКЦИЯ 12. Шпоночные и шлицевые соединения................................... 137
1. Назначение и конструкции шпоночных соединений......................... 137
2. Расчет шпоночных соединений........................................................... 141
2.1. Расчет призматических шпонок................................................... 141
2.2. Расчет сегментных шпонок........................................................... 143
2.3. Расчет цилиндрических шпонок.................................................. 143
3. Шлицевые соединения......................................................................... 143
3.1. Прямобочные шлицевые соединения........................................... 144
3.2. Соединения с эвольвентным профилем зубьев........................... 145
3.3. Расчет шлицевых соединений....................................................... 146
ЛЕКЦИЯ 13. Резьбовые соединения.......................................................... 147
1. Геометрические параметры резьбы.................................................... 148
2.Классы прочности и материалы резьбовых деталей......................... 149
3. Силовые соотношения в винтовой паре............................................. 149
4. Распределение осевой нагрузки между витками резьбы................... 151
ЛЕКЦИЯ 14. Расчет резьбовых соединений.............................................. 152
1. Расчеты на прочность......................................................................... 152
1.1. Незатянутое соединение, нагруженное внешней осевой силой.. 153
1.2. Затянутое соединение, не нагруженное внешней осевой силой.. 153
1.3. Предварительно затянутое соединение, нагруженное внешней осевой силой.............................................................................................................. 154
1.4. Соединение нагружено силами, сдвигающими детали в стыке.. 156
1.5. Расчет болтов при эксцентричном приложении нагрузки.......... 157
2. Расчет группы болтов......................................................................... 159
2.1. Равнодействующая нагрузка перпендикулярна плоскости стыка и проходит через его центр тяжести....................................................................... 159
2.2. Равнодействующая нагрузка лежит в плоскости стыка.............. 159
2.3. Расчет соединения при действии нагрузки, раскрывающей стык 160
3. Расчет болтов при переменных нагрузках......................................... 163
ЛЕКЦИЯ 15. Сварные соединения............................................................. 164
1. Способы сварки, применяемые в машиностроении........................... 165
2. Классификация сварных соединений.................................................. 166
3. Расчет соединений на прочность........................................................ 169
ЛЕКЦИЯ 1. Основы выбора критериев работоспособности и расчета деталей машин
Рекомендуемая литература
1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т./ В.И. Анурьев. М.: Машиностроение, 2006.
2. Баранов Г.Л. Расчет деталей машин/ Г.Л. Баранов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. 222 с.
3. Баранов Г.Л. Детали машин и основы конструирования: Учеб. для вузов/ Г.Л. Баранов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. 333 с.
4. Биргер И.А. Расчет на прочность деталей машин: справочник/ И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. М.: Машиностроение, 1993. 639 с.
5. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин/ П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов. М.: Издательский центр “Академия”, 2004. 496 с.
6. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для вузов/ М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. М.: Высшая школа, 2007. 408 с.
7. Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учеб. для вузов/ Г.Б. Иосилевич. М.: Машиностроение, 1988. 367 с.
8. Леликов О.П. Валы и опоры с подшипниками качения. Конструирование и расчет: справочник/ О.П. Леликов. М.: Машиностроение, 2006. 640 с.
9. Орлов П.И. Основы конструирования: справочно-методическое пособие. В 2-х кн. / П.И. Орлов. М.: Машиностроение, 1988.
10. Решетов Д.Н. Детали машин: Учеб. для вузов/ Д.Н. Решетов. М.: Машиностроение, 1989. 496 с.
11. Детали машин: Учеб. для вузов / Л.А. Андриенко, Б.А. Байков, И.К.Ганулич и др.; Под ред. О.А. Ряховского. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 544 с.
Введение
Машиной называется устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека.
Детали машин и основы конструирования является первым расчетно-конструкторским курсом, в котором изучают основы расчета и конструирования машин. Любая машина состоит из деталей. Деталь – это часть машины, изготавливаемая без применения сборочных операций. Детали зачастую объединяют в узлы. Узел - это комплекс совместно работающих деталей. Сложные узлы могут включать несколько простых узлов.
Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют такие, которые применяют почти во всех машинах (крепежные изделия, валы, зубчатые колеса, подшипники и т. д.). Их называют деталями и узлами общего назначения, именно они изучаются в рамках данного курса. Детали, применяемые в ограниченном числе машин, называют деталями специального назначения (шпиндели станков, поршни, лопатки турбин), их изучают в специальных курсах.
Процесс разработки конструкции любой машины состоит из ряда последовательных этапов. На основании технического задания выполняется расчет энергетических и кинематических параметров привода машины. Для реализации требуемой кинематики разрабатываются конструкции механических передач, затем проектируют детали и узлы, несущие звенья механических передач, и соединения, обеспечивающие взаимосвязи деталей и узлов в машине.
Указанная последовательность определяет следующий порядок изучения трех основных разделов, из которых состоит курс “Детали машин и основы конструирования”.
1. Механические передачи.
2. Валы, оси, подшипники, муфты.
3. Соединения.
Современное производство предъявляет к проектируемым машинам следующие основные требования: работоспособность, надежность, технологичность, экономичность, удобство и безопасность обслуживания, эстетичность.
Работоспособность - состояние изделия (машины, узла, детали), при котором оно способно выполнять заданные функции.
Показателями технологичности являются: трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость всех этапов жизненного цикла изделия. При оценке экономичности изделия учитывают затраты на его проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.
Процесс создания машин базируется на обязательном использовании стандартов: государственных (ГОСТов), отраслевых (ОСТов) и предприятий (СТП). Стандартизация в области деталей машин охватывает расчеты, материалы, геометрические параметры, нормы точности, виды конструкторской документации, правила оформления чертежей и т. д. Изготовление стандартных деталей и узлов на специализированных заводах или в специализированных цехах повышает их качество и снижает стоимость.
Унификация – рациональное сокращение многообразия видов и типоразмеров изделий одинакового функционального назначения.
Взаимозаменяемость - свойство деталей и узлов, позволяющее заменять их другими деталями и узлами без дополнительной обработки с сохранением всех требований к работе машины.
Унификация, взаимозаменяемость и применение стандартных деталей и узлов снижают стоимость изготовления и ремонта машины.
1. Основные критерии работоспособности деталей
Главным требованием, предъявляемым к любой детали, является сохранение ее работоспособности в течение заданного срока службы. Нарушение работоспособности детали называется отказом. Наиболее общие причины отказа принято называть критериями работоспособности. Основными критериями работоспособности деталей являются: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.
Прочность - способность детали выдерживать приложенные нагрузки без разрушения. Этот критерий является наиболее важным. Самым распространенным методом оценки прочности детали является сравнение расчетных напряжений в опасном сечении либо в опасной точке детали с допускаемыми напряжениями.
Для определения расчетных напряжений в инженерной практике используются методы, которые изучаются в курсе сопротивления материалов. В зависимости от вида деформации напряжения могут быть нормальными, например, при растяжении, сжатии и изгибе, или касательными, например, при срезе и кручении. Условия прочности по соответствующим напряжениям имеют вид
σ ≤ [σ], τ ≤ [τ],
где [σ] и [τ] – допускаемые нормальные и касательные напряжения.
При сложном напряженном состоянии в опасной точке могут одновременно действовать нормальные и касательные напряжения. В этом случае для оценки прочности детали по одной из гипотез прочности определяют эквивалентные напряжения. При оценке прочности стальных деталей наибольшее соответствие экспериментальным данным показывает энергетическая теория прочности, в соответствии с которой при плоском напряженном состоянии в случае равенства нулю одного из главных напряжений
σэкв = 
≤ [σ].
При статических нагрузках допускаемые нормальные напряжения определяют по формуле
[σ] = 
,
где σ u – предельное напряжение, при достижении которого происходит разрушение детали; [ S ] – коэффициент запаса прочности.
Для хрупких материалов σ u = σв, для пластичных материалов σ u = σт, где σв – предел прочности, σт – предел текучести.
Коэффициент запаса прочности вводится для учета фактических условий работы детали таких, как перегрузки, неоднородность материала, условия эксплуатации и др., которые чаще всего носят случайный характер и не могут быть предварительно учтены. Значения [ S ] обычно принимают на основании опыта эксплуатации машин определенного типа. Часто [ S ] получают как произведение частных значений коэффициентов запаса прочности, учитывающих различные факторы
[ S ] = S 1 S 2 S 3,
где S 1 – коэффициент, учитывающий неточности в определении нагрузок и напряжений S 1=1–1,5; S 2 - коэффициент, учитывающий неоднородность материала (для пластичных материалов S 2 =1,2–5, для хрупких материалов S 2 может достигать значений 2,5 и более); S 3 – коэффициент, учитывающий степень ответственности детали (в общем машиностроении принимают S 3 =1–1,5).
При действии переменных напряжений в качестве предельного напряжения используют предел выносливости σ R.
Жесткость - способность сопротивляться деформациям при действии заданной нагрузки. Под деформациями понимаются изменение размеров и формы детали. Жесткость некоторых деталей может определять работоспособность машины либо узла. Так, упругая деформация вала приводит к взаимному перекосу колец подшипников качения, связанных с валом. Для каждого подшипника в ГОСТах дается допускаемое предельное значение угла перекоса колец от нескольких минут до 3…4º в зависимости от типа подшипника. Если в результате деформации вала угол перекоса колец становится больше допускаемого значения, то происходит заклинивание тел качения в подшипнике и выход его из строя. Для расчета деформаций в сравнительно простых случаях используются методы сопромата (интеграл Мора или способ Верещагина), в более сложных случаях применяют методы теории упругости.
Износостойкость – способность сопротивляться износу. Под износом понимают процесс постепенного изменения размеров детали или узла в результате действия сил трения. При этом увеличиваются зазоры в подшипниках, зубчатых передачах, направляющих, снижаются качественные характеристики машин (точность, мощность, КПД, прочность). Износ значительно увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость периодического проведения ремонтных работ. Высокая стоимость ремонта обусловлена трудностью его механизации и автоматизации, значительными затратами ручного труда.
К важнейшим направлениям развития машиностроения относится повышение износостойкости и долговечности машин, снижение объема ремонтных работ.
Теплостойкость – сохранение работоспособности при переменных температурах. Нагрев деталей машин в процессе эксплуатации вызывает снижение прочности материала деталей, ухудшение смазочной способности масляных пленок и увеличения в связи с этим износа деталей, изменение зазоров в сопряжениях. Это может привести к заклиниванию или заеданию, а также снижает точность работы машины. Для исключения влияния переменных температур на работу машин выполняют их тепловой расчет и, в случае необходимости, предусматривают варианты обеспечения заданного температурного режима (например, используют систему естественного или искусственного охлаждения).
Виброустойчивость – способность сопротивляться вибрациям. Появление вибраций при работе машины вызывает дополнительные переменные напряжения в деталях и узлах, что может привести к их усталостному разрушению. Особенно опасны резонансные режимы работы. Кроме того, вибрации снижают точность обработки, ухудшают качество обрабатываемой поверхности, сопровождаются увеличением уровня шума при работе машины. Для исключения нежелательных вибраций необходимо выполнять динамические расчеты машин и использовать специальные конструктивные решения (установка гасителей колебаний).
В инженерной практике встречаются два вида расчетов: проектный и проверочный. Проектный расчет является предварительным, упрощенным, выполняется в процессе разработки конструкции детали для определения ее размеров и выбора материала детали. При проектном расчете число неизвестных обычно больше числа уравнений. Поэтому некоторые параметры детали конструктор задает произвольно, опираясь на опыт и существующие рекомендации. В поисках наилучшего конструктивного варианта приходится выполнять многовариантные расчеты, либо решать оптимизационную задачу. В этих случаях существенно увеличить производительность труда конструктора позволяет использование ЭВМ.
2. Надежность машин
Надёжность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени эксплуатационные показатели в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, либо сочетание этих свойств как для объекта в целом, так и для его частей.
Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени.
Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путём проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение установленного срока хранения и транспортирования и после этого срока.
Основные факторы, определяющие надежность, содержат элементы случайности. Случайны распределения механических характеристик по объему материала, номинальные размеры детали, отклонения от расчетных режимов эксплуатации. Поэтому для описания надежности используют теорию вероятности.
Основным показателем надежности является вероятность безотказной работы в течение заданного срока службы (коэффициент надежности)
P (t) = 1 – 
, (1)
где N – число изделий, подвергнутых испытанию; n – число изделий, утративших работоспособность к моменту времени t.
Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы его составных частей:
P (t) = P 1(t) P 2(t)… Pn (t).
Отсюда следует, что чем больше элементов имеет изделие, тем ниже его надежность.
3. Машиностроительные материалы
Для изготовления деталей в машиностроении широко используются стали, чугуны, сплавы цветных металлов.
Сталью называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо поддаются механической, термической и химико-термической обработке. По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. Наибольшее применение находят углеродистые стали, производство которых составляет около 80 % от общего объема выплавляемых сталей. Свойства углеродистой стали зависят от содержания в ней углерода. С ростом содержания углерода увеличивается прочность стали и снижается пластичность. Углеродистые стали делятся на три группы: обыкновенного качества, качественная общего назначения (конструкционная) и специальная (например, инструментальная). Наиболее широко применяются стали обыкновенного качества. Из них изготавливают в основном термически не обрабатываемые детали машин, работающие при сравнительно малых напряжениях (крепеж, оси, шестерни, крышки подшипниковых узлов, металлоконструкции и др.). В зависимости от назначения и механических свойств различают группы А, Б и В сталей обыкновенного качества. Стали группы А поставляются без уточнения химического состава. Они обозначаются буквами Ст и номерами в порядке возрастания прочности (например, Ст3, Ст5); причем, начиная со стали Ст4, номер соответствует минимальному значению временного сопротивления в МПа, деленному на 100.
Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом, а стали группы В еще и с гарантированными механическими свойствами. В обозначении марок сталей этих групп впереди указывается соответствующая буква (например, БСт3, ВСт3).
Качественные углеродистые стали маркируют двухзначными числами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 45 содержит 0,45 % С). В зависимости от содержания углерода эти стали условно делят на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,55 % С) и высокоуглеродистые (от 0,6 до 0,85 % С). Низкоуглеродистые стали хорошо поддаются пластической деформации, среднеуглеродистые стали хорошо обрабатываются методами резания и широко используются для изготовления различных деталей машин. Высокоуглеродистые стали применяют для изготовления упругих элементов машин (пружин, рессор и др.).
В химический состав легированных сталей добавляют легирующие элементы, улучшающие их технические свойства. В обозначении легированных сталей буквами указывают легирующие элементы: В – вольфрам, Г – марганец, М – молибден, Н – никель, Т – титан, Х – хром, Ф – ванадий, Ю – алюминий. Цифры после букв означают процентное содержание соответствующего компонента. Если процентное содержание не превышает 1,5 %, то цифра не ставится. Высококачественные легированные стали дополнительно отмечают буквой А в конце обозначения. Например, марка 12ХН3А означает высококачественную сталь со средним содержанием углерода 0,12 %, хрома около 1 % и никеля 3 %.
Если легирующих элементов больше чем железа и содержание железа менее 50 %, то такие стали называют сплавами (жаропрочные, коррозионностойкие и т. п.).
Легированные стали дороже углеродистых и используются для изготовления ответственных деталей машин (валов, зубчатых колес и т. п.).
Для придания стали требуемых свойств (высокой прочности, пластичности и т. д.) выполняют термическую обработку, состоящую из трех последовательных стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и охлаждения с заданной скоростью. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг проводится для уменьшения остаточных напряжений в деталях, получаемых отливкой, сваркой или обработкой давлением, а также для снижения твердости и улучшения обрабатываемости деталей.
Нормализацию применяют для получения однородной структуры материала с более высокой твердостью и точностью, чем после отжига.
Закалку используют для повышения прочности, твердости и износостойкости деталей. Различают объемную и поверхностную закалку. В последнем случае упрочняется только поверхность детали, а сердцевина остается вязкой, существенно снижается коробление (деформация) детали после термообработки.
Дата добавления: 2015-07-07; просмотров: 241 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛЖНОСТЕЙ | | | Диаметры окружностей зубчатых колес. 2 страница |