Загальні питання проектування деталей машин

ЛЕКЦІЯ №1

Технічний прогрес у народному господарстві неможливий без розвитку машинобудування. В наш час практично будь-яка діяльність людини немислима без застосування машин. При цьому машини не тільки полегшують працю при виконанні того чи іншого виробничого процесу, підвищуючи її продуктивність, але й сприяють покращенню якості вироблюваної продукції.

Що ж являє собою машина? Кожна машина складається з груп, вузлів і деталей. Схематично її можна представити наступним чином:

Наприклад, токарний верстат складається із: двигуна (група I), трансмісії (група II), шпинделя, супорта з різцетримачем як виконуючим органом (група III). В свою чергу, двигун складається із вузлів (ротора, підшипникових вузлів, корпуса тощо). Ротор, як вузол, складається з вала, обмотувальних проводів, ізоляційного матеріалу тощо.

Це можна сказати і про автомобіль.

Деталь – елементарна частина машини, котра виготовляється із однорідного матеріалу без застосування складальних операцій. Звичайно, без руйнування не може бути розібрана на більш прості елементи. Деталі можуть бути простими (болт, гайка) і складними (корпус редуктора, колінчастий вал тощо). Кожна Деталь має шифр, наприклад: I, 1, а.

Вузол (складальна одиниця) – роз’ємні і нероз’ємні з’єднання деталей, що являють собою закінчену складальну одиницю. На заводі-виготовлювачу окремі його частини підлягають тільки складальним операціям.

Група – з’єднання вузлів і деталей, які виступаючи однією із складових машини, об’єднуються спільністю виконуваних ними функцій (наприклад: двигун, трансмісія, виконуючий орган). Терміни “Деталь”, “вузол”, “складальна одиниця” означені стандартом.

В подальшому для зручності власне деталі, елементи їх з’єднань, а також вузли і групи будемо називати деталями машин. Останні діляться на дві групи: деталі загального призначення і деталі спеціального призначення.

До деталей загального призначення відносять:

- елементи з’єднань (заклепочних, шпонкових, шліцевих, клинових, з гарантованим натягом, різьбових, профільних тощо);

- елементи механічних передач (фрикційних, пасових, ланцюгових, зубчастих, черв’ячних);

- деталі, що обслуговують обертовий рух (вали, осі, підшипники, муфти);

- пружні елементи машин (ресори, пружини);

- корпусні деталі машин.

До деталей спеціального призначення відносяться деталі, які зустрічаються лише в окремих (спеціальних) видах машин: блоки і барабани вантажопідіймальних машин, шатуни, клапани, лопатки гідравлічних і газових турбін тощо.

В даному курсі розглядаються тільки деталі загального призначення. Задача курсу “Деталі машин”, як наукової дисципліни, полягає у висвітленні науковообгрунтованих методів, правил, норм проектування деталей, виходячи із даних умов роботи, тобто вибір необхідних матеріалів, надання деталям найвигіднішої форми, розмірів, степені точності, якості поверхонь, призначення технічних умов виготовлення, забезпечення правильного монтажу, демонтажу та експлуатації.

Курс “Деталі машин” – перший із розрахунково-конструкторських курсів, в якому вивчають основи проектування машин і механізмів. Він тісно пов’язаний із такими дисциплінами:

- фізикою, теоретичною механікою і ТММ, які дозволяють правильно скласти розрахункову схему і визначити діючі навантаження;

- опором матеріалів, знання якого дозволяють правильно розрахувати Деталь на міцність, жорсткість і стійкість;

- матеріалознавством і технологією ливарного, зварювального виробництва, які дозволяють правильно вибрати матеріали для виготовлення деталей і призначити технічні умови виготовлення;

- технічним кресленням та нарисною геометрією, які дозволяють виконати на папері результати конструкторсько-розрахункової роботи і виготовити робочі креслення.

Крім цього, для виконання розрахунків необхідно мати математичні знання, а також знання з області теорії міцності, теорії коливань тощо.

Курс “Деталі машин” завершує цикл загально-інженерних дисциплін, які читають студентам механічних спеціальностей в університеті і пов’язує його з циклом спеціальних дисциплін. Він є базою для побудови останніх.

* * *

Наука про деталі машин формувалася на протязі багатьох століть у зв’язку з появою певного виду машин. Людство давно застосовувало різні найпростіші пристрої і механізми (клин, важіль, блоки). Елементарні розрахунки, визначення діючих сил, вибір передаточних відношень були відомі в стародавній Греції. Там виготовляли зубчасті колеса, черв’ячні передачі. На жаль, в період середньовіччя багато з цього було забуто і почало бурхливо розвиватися лише в епоху відродження.

Одним із перших дослідників роботи окремих деталей та вузлів механізмів і машин справедливо вважається механік і математик Леонардо да Вінчі. Велике значення мали його праці в області тертя. Так, він дослідив вплив сил опору при обертанні коліс, шківів і блоків в залежності від діаметра вісі; першим запропонував використовувати ланцюг для передачі крутного моменту між валами, що послужило прообразом сучасних ланцюгових передач. Він є також автором винаходу ланцюга.

Перша спроба системного опису деталей машин була зроблена за Петра I Леупольдом у трактаті “Театр машинний”.

Як науковий курс “Деталі машин” – молодий курс. Самостійною науковою дисципліною він сформувався у 70-х роках минулого століття. До цього студентам-механікам читався курс про будову машин. У 1881 р. проф. Петербурзького технологічного інституту В. Л. Кірпічев сформулював і прочитав курс деталей машин майже так само, як він читається зараз. У 1882 р. вийшла його книга. Надалі цей курс одержав свій розвиток у працях проф. П. Худякова, А. Сидорова, М. Саверіна.

Великі заслуги в розробці методів розрахунку належить російським і українським вченим. У 1802 р. академік В. В. Петров вказав на можливість використання теплової енергії електричної дуги для зварювання металу – нероз’ємного з’єднання. Здійснили цю ідею інженери українець М. Бенардос та росіянин Н. Слав’янов.

Основи гідродинамічної теорії тертя викладені академіком Н. Петровим у праці “Тертя у машинах і влив на нього змащуючої рідини”. Академіки О. Чаплигін і Н. Жуковський розвернули цю теорію для випадку, коли змащуючий прошарок обмежений двома ексцентричними колами.

Леонард Ейлер розробив теорію гнучкої нитки, обхватуючої шків, що використовується в теорії пасових передач, а також теорію евольвентного зубчатого зачеплення.

Український академік С. П. Тимошенко багато праць присвятив розробці методів розрахунку на міцність, стійкість, коливання, рішенню інженерних задач, які широко застосовуються в курсі “Деталі машин”.

Перший посібник українською мовою, як і багато інших посібників і наукових праць, видав український вчений, проф. В. О. Добровольський. На його підручниках вчилися сотні тисяч інженерів не лише вітчизняних, але й зарубіжних.

Із підручників по деталях машин, написаних закордонними вченими, були перекладені на слов’янську мову і широко використані курси Баха, Ретшера, Ріхтера, Шеглая та інші.

В наш час над проблемами методів розрахунку деталей машин працюють десятки науково-дослідних інститутів, багаточисельні конструкторські бюро і тисячі окремих вчених.