Требования, предъявляемые к машинам и деталям машин

Целевые задачи раздела детали машин.

Основной задачей проектирования является систематизация методов расчета и проектирования деталей и узлов (сборочные единицы), которые обеспечили бы для заданных условий работы выбор наиболее рациональных материалов, форм размеров, степени точности, качества поверхности, тех. условий изготовления и эксплуатации деталей машин и элементов конструкций.

Конструирование машин – творческий процесс, требующий всестороннего анализа поставленной задачи. Основные особенности этого процесса заключаются в многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемые к конструкциям, а также с требованиями соответствующих стандартов. Проектирование- это непрерывная цепь компромиссов, которые приходится принимать на всех стадиях создания механизма или машины. Так, например ухудшение любой характеристики машины(скорость, грузоподъемность, надежность и др.) неизбежно вызывает увеличение её стоимости, трудоёмкости изготовления, повышение культуры эксплуатации, что всегда требует компромиссного решения задачи рационального сочетания технологических возможностей и усложнения конструкции при соблюдения экономической целесообразности .Проектируемый механизм должен иметь более высокие технико-экономические показатели по сравнению с существующими.Процесс проектирования базируется на знании существующих конструкций , способов изготовления деталей , учета условий работы проектируемой машины(узлы, детали) .Практически любые механизмы и машины являются продуктом эволюции и в них всегда имеются элементы, детали и узлы, разработанные и опробированные ранее .Соблюдение преемственности является одним из эффективных путей снижения затрат и сокращения сроков создания машины.

Целью проектирования является подготовка тех. документации включающей: совокупность расчётов, графических материалов и пояснения к ним, предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции, её производительности, экономической эффективности.

Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены стандартом, который обобщает многолетний опыт проектирования машин, накопленный в передовых странах.

Требования, предъявляемые к машинам и деталям машин.

В соответствии с современными тенденциями развития машинострое­ния к проектируемым машинам предъявляются следующие требования: обеспечить необходимую производительность при высокой надежности, технологичности изготовления, экономичности в изготовлении и эксплуа­тации; малые габариты, металло- и энергоемкость, совершенство и красо­ту внешних форм {эстетичность), удобство и безопасность обслужива­ния (эргономичность).

Надежностью называют свойство изделия выполнять без внеплано­вых ремонтов определенные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Экономичностьхарактеризуется совокупностью затрат на проектиро­вание, изготовление и эксплуатацию изделия. Экономическая целесооб­разность обычно определяется существенным повышением производи­тельности или экономией энергоресурсов, либо увеличением универсаль­ности (возможность использования проектируемого механизма в машинах нового поколения). Экономичность достигается за счет снижения материа­лоемкости, энергоемкости, высокой технологичности изготовления, увели­чения кпд при высокой надежности и других факторов.

Технологичность- основа экономичности конструкции. Технологич­ными называют изделия, обеспечивающие заданные эксплуатационные по­казатели при наименьших затратах времени, труда, материалов и средств на их создание в конкретных условиях производства. Технологичность дос­тигается выбором наиболее рациональных материалов, форм, способа по­лучения заготовки, требуемой точности изготовления, применением в кон­струкции стандартных и унифицированных элементов и другими путями.

Работоспособностью называют состояние машин и механизмов, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с па­раметрами, установленными нормативно-технической документацией (тех­нические условия, стандарты и т. п.). Работоспособность характеризуется определенными условиямипо одному или нескольким, из ко­торых производят расчет.

Важнейшие критерии работоспособности: прочность, жесткость, ус­тойчивость, теплостойкость, износостойкость, виброустойчивость, надежность.

Прочность - способность детали сопротивляться разрушению или пластическому деформированию под действием приложенных нагрузок. Разрушение частей машины приво­дит не только к отказу всей механической системы, но и к несчастным Случаям. Расчеты на прочность ведут: по допускаемым напряжениям: по коэффициентам запаса прочности: ; по вероятности безотказной работы: P(t) > [Р(t)].

Жесткость - способность деталей сопротивляться изменению фор­мы и размеров под нагрузкой. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих деформаций деталей в пределах, допустимых в конкрет­ных условиях работы (например, качество зацепления зубчатых колес и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов).

Устойчивость- свойство изделия сохранять первоначальную форму равновесия.

Теплостойкость - способность детали работать при высоких темпе­ратурах. Нагрев деталей вызывается рабочим процессом машин и трением в кинематических парах и может вызвать вредные последствия: понижение прочностных характеристик материала и появление ползучести; изменение физических свойств трущихся поверхностей; ухудшение показателей точ­ности; уменьшение защищающей способности масляных пленок, а следо­вательно, и увеличение изнашивания деталей; изменение зазоров в сопря­женных деталях, которое может привести к заклиниванию и заеданию.

Износостойкость- свойство деталей сопротивляться изнашива­нию, т. е. процессу постепенного изменения размеров и формы деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в кинематических парах, что, в свою очередь, приводит к нарушению точности, появлению дополнительных динамических нагрузок, уменьшению поперечного сече­ния, а следовательно, и к уменьшению прочности, снижению кпд, возрас­танию шума.

Виброустойчивость - способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Вибрация ухудшает шумовые характеристики механизмов, являющиеся важными экологическими показателями среды обитания человека. Виб­рация оказывает и непосредственное влияние на человека, снижая его функциональные возможности и работоспособность.

Надежность,как критерий работоспособности, оценивают вероятно­стью P(t) сохранения работоспособности в течение заданного срока служ­бы (коэффициент надежности):P(t)=1-n(t)/n, где n(t) - число деталей, отказавших к моменту времени t или концу нара­ботки; n - число деталей, подвергнутым испытаниям. Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведе­нию вероятностей безотказной работы его составляющих.

4. Износостойкость- свойство деталей сопротивляться изнашива­нию, т. е. процессу постепенного изменения размеров и формы деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в кинематических парах, что, в свою очередь, приводит к нарушению точности, появлению! дополнительных динамических нагрузок, уменьшению поперечного сечения, а следовательно, и к уменьшению прочности, снижению кпд, возрастанию шума. При современном уровне техники 85...90 % машин выходят из строя в результате изнашивания, что вызывает резкое удорожание эксплуатации в связи с необходимостью периодической проверки их со стояния и ремонта. Для многих типов машин затраты на ремонты и тех­ническое обслуживание в связи с изнашиванием значительно превосхо­дят стоимость новой машины.

Расчет деталей на износостойкость заключается либо в определении условий, обеспечивающих жидкостное трение (режим работы, когда со­прикасающиеся поверхности разделены достаточным слоем смазки), либо в обеспечении достаточной долговечности их путем назначения для трущихся поверхностей соответствующих допускаемых давлений.

3. Прочность - способность детали сопротивляться разрушению или пластическому деформированию под действием приложенных нагрузок. Прочность является главным критерием работоспособности, так как не­прочные детали не могут работать. Разрушение частей машины приво­дит не только к отказу всей механической системы, но и к несчастным случаям. Расчеты на прочность ведут: по допускаемым напряжениям: ; по коэффициентам запаса прочности: s > [s]; no вероятности безотказной работы:P[t)>[Р(t)].

В большинстве случаев нарушением прочности считают возникновение в детали напряжения, равного предельному ( ). Для обеспечения достаточной прочности (запас прочности) необходимо выполнить условия:

В зависимости от свойств материала и характера нагружения в качестве предельного напряжения принимают предел текучести, предел прочности (при расчете на статическую прочность) или предел выносливости при соответствующем цикле изменения напряжений (при расчете на усталостную прочность - выносливость). Сопротивление усталости значительно понижается при наличии концентраторов напряжений, связанных c конструктивной формой деталей (галтели, канавки, отверстия и т. п.) или с дефектами производства (царапины, трещины и пр.).

В ряде случаев детали работают под нагрузками, вызывающими в поверхностных слоях переменные контактные напряжения , приводящие к усталостному выкрашиванию контактирующих поверхностей. Расчет в этом случае производят из условия выносливости рабочих поверхностей.

Допускаемый коэффициент запаса [s] устанавливают на основе диф­ференциального метода как произведение частных коэффициентов:[s] =s₁s₂s₃, отражающих: s₁, - достоверность формул и определения рас­четных нагрузок; s₂ - однородность механических свойств материалов; s₃ - специфические требования безопасности.

5. Теплостойкость- способность детали работать при высоких темпе­ратурах. Нагрев вызывает: изменение прочностных св-в материалов(300-400охрупчивание; 100-150ползучесть); изменение физических св-в материалов; изменение защитных св-в масел(вязкость, маслянность); уменьшение зазоров; уменьшение точности.

Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машин, выполняют тепловые расчеты и, при необходимости, вносят соответствующие конструктивные изменения, например принудительное охлажде­ние, увеличение поверхности теплоотдачи и др.

6. Виброустойчивость - способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Вибрация нарушает планируемые конструктором законы движения ма­шин и систем управления, порождает неустойчивость рабочих процессов, может вызвать отказ и полную расстройку всей системы. Из-за вибрации увеличиваются динамические нагрузки в элементах конструкций (кинематические пары, стыки и др.), в результате чего снижается нагрузочная способ­ность деталей, развиваются усталостные трещины. Вибрация может изме­нить внутреннюю и поверхностную структуру материалов, условия трения и износа на контактирующих поверхностях деталей машин, привести к поте­рям мощности на возбуждение колебаний (до 36 %), к нагреву деталей и к снижению кпд. Особо опасными являются резонансные колебания.

Вибрация ухудшает шумовые характеристики механизмов, являющиеся важными экологическими показателями среды обитания человека. Виб­рация оказывает и непосредственное влияние на человека, снижая его функциональные возможности и работоспособность. Функциональные нарушения могут выражаться в ухудшении зрения, изменении реакции вестибулярного аппарата (нарушение координации движения; возникнове­ние галлюцинаций; быстрая утомляемость и т. п.). Стойкие физиологиче­ские изменения называют виброболезнью, которая является одной из опаснейших профессиональных заболеваний.

Основными направлениями работ, обеспечивающими вибропрочность, виброустойчивость, являются: устранение источников колебаний; создание конструкций такой жесткости, при которой будет отсутствовать опасность возникновения резонанса колебаний, и разработка эффек­тивных средств виброзащиты человека-оператора, управляющего высоко­скоростными транспортными средствами, технологическими машинами и машинами вибрационного действия, в которых резонансные и вибрацион­ные эффекты позволяют высокоэкономично увеличить производитель­ность труда.

7. Надежность,как критерий работоспособности, оценивают вероятно­стью P(t) сохранения работоспособности в течение заданного срока служ­бы (коэффициент надежности):

P(t)=1-n(t)/n,где n(1) - число деталей, отказавших к моменту времени t или концу нара­ботки; n - число деталей, подвергнутым испытаниям.

Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведе­нию вероятностей безотказной работы его составляющих.

Надежность изделия может быть достигнута выполнением нижесле­дующего ряда требований на всех этапах проектирования, производства и эксплуатации: схема изделия должна быть выбрана так, чтобы число ее элементов по возможности было минимальным; надежность каждого элемента должна быть достаточно высокой; расчеты должны наиболее точно отражать действительные условия работы, а качество изготовления - соответствовать намеченному; широкое использование унифицированных и стандартизованных элементов; защита от внешних воздействий (вибрация, высокие температуры, окислительная среда, пыли и т. п.) и эффективная система смазки; расширение допускаемых пределов для параметров, определяющих работоспособность изделий (например, введение упругих муфт, установка предохранительных устройств); конструкция изделий должна обеспечивать легкую доступность к уз­лам и деталям для осмотра и замены (ремонтопригодность); применение в некоторых случаях параллельного соединения элемен­тов и резервирования.

8. Шпоночные соединения осуществляются с помощью специальной де­тали - шпонки, закладываемой в пазы соединяемых деталей. Они могут быть подвижными и неподвижными и служат обычно для предотвращения относительного поворота детали, насаживаемой на вал, при передаче кру­тящего момента.

Достоинства шпоночных соединений - простота и надежность конст­рукции, легкость сборки, невысокая стоимость. Основной недостаток - снижение нагрузочной способности сопрягаемых деталей из-за ослабле­ния их поперечных сечений пазами и значительной концентрации напря­жений в зоне пазов. В машиностроении наиболее часто употребляются шпонки. Типы шпонок: а - клиновые, которые создают напряженное состояние по широким граням шпонки и передают крутящий момент за счет сил трения; б - призматические; в - призма­тические направляющие врезные с креплением на валу и допускающие перемещение сопряжен­ной детали вдоль оси вала; г - сегментные; д -цилиндрические и конические

Клиновые шпонки вследствие их запрессовки создают натяг в радиаль­ном направлении и могут вызвать перекос детали и нарушение соосности. В настоящее время применяются редко.

Большинство типов шпонок стандартизовано, их размеры назначают в зависимости от диаметра вала d.

Основными критериями работоспособности приз­матических ненапряженных шпоночных соединений являются прочность шпонки на срез и прочность со­единения на смятие.

Прочность призматической шпонки на срез

Прочность соединения на смятие:

где b - ширина шпонки: h - высота; t₁ - глубина шпоночного паза вала; lp — расчетная длина шпонки, принимаемая равной длине прямолинейной части шпонки.

Допускаемые напряжения на смятие для неподвижных соединений принимают в зависимости от предела текучести:

где допустимый коэффициент запаса прочности [s] = 1,9...2,3 при постоян­ной нереверсивной нагрузке; [s] - 2,9...3,5 — при переменной нереверсив­ной нагрузке; при реверсивной нагрузке значения [s] увеличивают на 30%. При чугунных ступицах = 70...100 МПа. Для подвижных шпоночных соединений в целях предупреждения задира и ограничения износа допус­каемые напряжения смятия уменьшают в 3...4 раза. Допускаемые напря­жения на срез: = 60...90МПа.

9. Теория винтовой пары. Классификация резьб. Геометр.параметры.