Основные понятия теории машин и механизмов

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Филиал «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» в г. Северодвинске

А.И. Бабкин, А.В. Руденко

ДЕТАЛИ МАШИН

И Основы конструирования

Учебное пособие для студентов заочной формы обучения

Специальности 180103

V семестр

Северодвинск

УДК 621.81

Бабкин А.И., Руденко А.В. Детали машин и основы конструирования. Учебное пособие. – Северодвинск, РИО Севмашвтуза, 2007. – 106 с.

Ответственный редактор: к.т.н., доцент А.В. Руденко

Рецензенты: ст. преподаватель А.С. Морозов;

ведущий специалист НИТИЦ ФГУП «ПО «Севмаш» Ю.П. Голованов

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения специальности 180103 «Судовые энергетические установки», изучающих учебную дисциплину «Детали машин и основы конструирования». Учебное пособие содержит теоретический и практический материал, необходимый для проектирования и конструирования деталей и узлов машин. В учебное пособие входят две контрольных работы, задачи с примерами решения для успешного усвоения изложенного материала.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза

ISBN 5-7723-0716-9 Ó Севмашвтуз, 2007

Оглавление

Введение..................................................................................................... 4

1 Основные понятия теории машин и механизмов и основ

проектирования и конструирования......................................................... 5

1.1 Основные понятия и определения................................................. 5

1.1.1 Классификация деталей машин............................................. 5

1.1.2 Проектирование и конструирование.................................... 6

1.1.3 Основные требования к конструкции деталей машин......... 7

1.1.4 Общие рекомендации при проектировании......................... 9

1.1.5 Особенности расчетов при проектировании........................ 10

1.1.6 Порядок проектирования..................................................... 13

1.2 Краткие сведения о машиностроительных материалах............... 13

1.3 Краткие сведения о стандартизации и взаимозаменяемости

деталей машин, допусках и посадках.................................................. 16

2 Соединения деталей машин.................................................................... 19

2.1 Резьбовые соединения.................................................................... 19

2.1.1 Общие сведения..................................................................... 19

2.1.2 Классификация резьб............................................................ 19

2.1.3 Геометрические параметры резьбы...................................... 20

2.1.4 Основные типы резьб............................................................ 21

2.1.5 Основные параметры резьбы............................................... 24

2.1.6 Силы в резьбе........................................................................ 24

2.1.7 Крепежные детали................................................................. 27

2.1.8 Материалы и степень точности крепежных деталей............ 30

2.1.9 Расчет резьбовых соединений............................................... 32

2.1.10 Расчет групповых резьбовых соединений......................... 35

2.2 Заклепочные соединения................................................................ 41

2.2.1 Общие сведения..................................................................... 41

2.2.2 Конструкция заклепок........................................................... 42

2.2.3 Материалы заклепок............................................................. 43

2.2.4 Конструкция заклепочных соединений................................ 43

2.2.5 Расчет заклепочных соединений........................................... 44

2.3 Сварные соединения...................................................................... 47

2.3.1 Общие сведения..................................................................... 47

2.3.2 Типы сварки........................................................................... 47

2.3.3 Достоинства и недостатки сварных соединений.................. 48

2.3.4 Виды сварных соединений.................................................... 49

2.3.5 Расчет сварных соединений.................................................. 49

2.3.6 Допускаемые напряжения..................................................... 55

2.4 Соединения с натягом.................................................................... 56

2.4.1 Общие сведения..................................................................... 56

2.4.2 Достоинства и недостатки соединений с натягом................. 56

2.4.3 Способы получения соединений с натягом.......................... 57

2.4.4 Расчет соединений с натягом................................................ 58

2.5 Шпоночные соединения................................................................. 62

2.5.1 Общие сведения..................................................................... 62

2.5.2 Достоинства и недостатки шпоночных соединений............. 62

2.5.3 Виды шпоночных соединений.............................................. 62

2.5.4 Материал шпонок и допускаемые напряжения................... 67

2.6 Шлицевые соединения.................................................................... 68

2.6.1 Общие сведения..................................................................... 68

2.6.2 Достоинства и недостатки шлицевых соединений............... 68

2.6.3 Виды шлицевых соединений................................................. 68

2.6.4 Расчет шлицевых соединений............................................... 70

3 Винтовые механизмы.............................................................................. 71

3.1 Общие сведения.............................................................................. 71

3.1.1 Достоинства и недостатки винтовых механизмов................ 71

3.1.2 Область применения винтовых механизмов........................ 71

3.1.3 Исполнения винтовых механизмов....................................... 71

3.2 Конструкция винтов и гаек............................................................ 72

3.3 Материалы винтов и гаек............................................................... 73

3.4 Расчет передачи «винт-гайка»....................................................... 74

3.4.1 Расчет на износостойкость.................................................... 74

3.4.2 Проверка на самоторможение.............................................. 75

3.4.3 Выбор конструкции пяты..................................................... 76

3.4.4 Расчет прочности винта........................................................ 79

3.4.5 Проверка винта на устойчивость.......................................... 80

3.4.6 Определение размеров гайки................................................ 82

3.4.7 Расчет привода винтового механизма.................................. 84

3.4.8 Расчет параметров передачи................................................ 84

4 Задания на контрольную работу........................................................... 85

4.1 Контрольная работа №1................................................................ 85

Задача 1.1....................................................................................... 85

Задача 1.2....................................................................................... 89

Задача 1.3....................................................................................... 93

Задача 1.4....................................................................................... 96

Задача 1.5....................................................................................... 98

4.2 Контрольная работа №2................................................................ 100

Список литературы.................................................................................... 106

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Детали машин и основы конструирования» разработано для студентов заочной формы обучения специальности 180103 «Судовые энергетические установки» (V семестр).

Настоящее пособие разработано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта подготовки специалистов 2000 года по квалификации инженер-механик.

Учебное пособие содержит краткий учебный материал, задания на две контрольные работы (по 40 вариантов) и примеры их выполнения с подробными пояснениями.

К изучению учебной дисциплины «Детали машин и основы конструирования» студенты должны подходить подготовленными в области естественно-научных и общепрофессиональных дисциплин. Это даст студенту возможность хорошо изучить конструкции деталей, узлов и механизмов, основы их расчета и конструирования, а также приобрести опыт самостоятельного решения задач конструирования типовых узлов и деталей машин.

Издание данного учебного пособия вызвано необходимостью углубления знаний студентов по теоретической и прикладной механике, систематизации теоретического и практического материала, а также особенностью обучения по заочной форме. Студентам удобнее и проще изучать дисциплину с использованием учебного пособия, в котором сконцентрированы основные понятия, определения, методы и примеры решения типовых задач.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

И ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ

Основные понятия и определения

Деталь - часть машины, изготовленная из однородного материала без применения сборочных операций. Детали могут быть простые (гайка, шпонка и т.п.) и сложные (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.п.).

Детали бывают общего и специального назначения.

Сборочная единица –изделие, получаемое из деталей с помощью сборочных операций.

Узел – законченная сборочная единица, состоящая из деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник, узел опоры).

Механизм – кинематическая цепь, для передачи и преобразования движения (например, кривошипный механизм). Механизм состоит из деталей и узлов.

Машина – механизм или комплекс механизмов, предназначенные для выполнения требуемой полезной работы (преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения труда). Всякая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизма. Управление машиной требует присутствия оператора.

Автомат – машина, работающая по заданной программе без оператора.

Робот – машина, имеющая систему управления, позволяющей ей самостоятельно принимать исполнительские решения в заданном диапазоне.

1.1.1 Классификация деталей машин

Детали машин изучают детали, узлы и механизмы общего назначения (болты, винты, валы, оси, подшипники, муфты, механические передачи и т.п.), т.е., которые применяются во всех механизмах.

Детали и узлы машин классифицируют на типовые группы по характеру их использования:

· Передачи – передают движение от источника к исполнительным механизмам;

· Валы и оси – несут на себе вращающиеся детали передач;

· Опоры – служат для установки валов и осей;

· Муфты – соединяют между собой валы и передают вращающей момент;

· Соединительные детали (соединения) – соединяют детали между собой.

· Упругие элементы – смягчают вибрацию, рывки и удары, накапливают энергию, обеспечивают постоянное сжатие деталей;

· Корпусные детали – организуют внутри себя пространство для размещения остальных деталей и узлов, обеспечивают их защиту.

1.1.2 Проектирование и конструирование

Процесс разработки машин называется проектированием. Он заключается в создании прообраза объекта, представляющего в общих чертах его основные параметры.

Под конструированием понимают весь процесс от идеи до изготовления машины. Цель и конечный результат конструирования – создание рабочей документации, по которой можно без участия разработчика изготавливать, эксплуатировать, контролировать и ремонтировать изделие.

Конструирование машин – творческий процесс. Главная задача конструирования – создание изделий, наиболее выгодных с экономической точки зрения. Другими словами – создание изделий, обеспечивающих выполнение определенных функций (полезной работы с требуемой производительностью), при наименьших затратах на их изготовление, эксплуатацию, обслуживание и утилизацию этих изделий по окончании срока эксплуатации.

Приступая к конструированию, проектировщик должен четко обозначить три позиции:

1. Исходные данные – любые объекты и информация, относящиеся к делу («что мы имеем?»);

2. Цель – ожидаемые конечные результаты, величины, документы, объекты («что мы хотим получить?»);

3. Средства достижения цели – методики проектирования, расчетные формулы, инструментальные средства, источники информации, конструкторские навыки, опыт («что и как делать?»).

Тщательный анализ этой информации позволит проектировщику правильно выстроить логическую цепочку «Задание – Цель – Средства» и максимально эффективно выполнить проект.

Основные особенности конструирования:

· многовариантность решения любой задачи. Одну и ту же задачу при проектировании обычно можно решить множеством способов. Производится сопоставление конкурирующих вариантов и выбор одного из них – оптимального на основе определенных критериев (масса, цена, технологичность);

· согласование принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемые к конструкции, а также с требованиями ГОСТов (регламентирующих не только конструкцию, размеры и применяемые материалы, но и термины, определения, условные обозначения, систему измерения, методы расчета и т.д.);

· согласование принимаемых решений с существующим уровнем технологии изготовления деталей.

Требования, предъявляемые к конструкции, могут быть, как предъявляемые заказчиком, так и требования, формулируемые на основе анализа условий изготовления, эксплуатации, обслуживания, утилизации, а также требований нормативных документов.

1.1.3 Основные требования к конструкции деталей машин.

При проектировании машины или механизма от проектировщика, кроме функциональности, требуется обеспечить надежность и экономичность.

Функциональность –способность соответствовать своему назначению. Критерии функциональности: Мощность, производительность, коэффициент полезного действия, габариты, энергоемкость, материалоемкость, точность, плавность хода и т.п.

Надежность – свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность, т.е. способность выполнять свои функции, сохраняя заданные показатели в течение заданного периода времени. Надежность бывает прочностная и триботехническая (износовая).

Экономичность определяется стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию.

Основные критерии надежности: прочность, жесткость, износоустойчивость, коррозионная стойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее функционального назначения и условий работы. Например, для крепежных винтов главным критерием является прочность, для ходовых винтов - износостойкость. При конструировании деталей их работоспособность обеспечивают, в основном, выбором соответствующего материала, рациональной конструктивной формой и расчетом размеров по главным критериям.

Прочность обычно является главным критерием работоспособности большинства деталей. Деталь не должна разрушаться или получать остаточные деформации под влиянием рабочей нагрузки. Следует помнить, что разрушение частей машины может привести не только к простоям, но и к несчастным случаям.

Условие прочности: Напряжения в материале детали не должны превышать допускаемые:

, .

В некоторых случаях проверку прочности удобнее проводить по определению коэффициента запаса прочности:

, .

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Например, недостаточная жесткость валов в редукторах приводит к их прогибу, что ухудшает качество зацепления зубчатых колес и условия работы подшипниковых узлов.

Условие жесткости: Перемещения точек детали (деформация) под воздействием рабочих нагрузок не должна превышать разрешенной величины, которая определяется условиями нормальной работы. Например, стрелка прогиба балки не должна превышать допускаемой величины:

.

Угол закручивания вала не должен превышать допускаемой величины:

.

Износостойкость.Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров и формы деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в подшипниках, направляющих, в зубчатых зацеплениях, в цилиндрах поршневых машин, а это снижает качественные характеристики машин – мощность, к.п.д., надежность, точность. Детали, изношенные больше нормы бракуют и заменяют при ремонте. При современном уровне техники 85-90% машин выходят из строя в результате изнашивания и только 10-15% по другим причинам.

Условие износостойкости: Давление на трущихся поверхностях не должно превышать допускаемой величины:

.

Коррозионная стойкость.Коррозия – процесс разрушения поверхностных слоев металла в результате окисления. Коррозия является причиной преждевременного разрушения многих конструкций. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% объема выплавляемого металла. Для защиты от коррозии применяют антикоррозийные покрытия (никелирование, цинкование, воронение, кадмирование, покраска) или изготовляют детали из специальных коррозионноустойчивых материалов (нержавеющая сталь, цветные металлы, пластмассы).

Теплостойкость. Нагрев деталей машин может вызвать: понижение прочности материала и появление ползучести, понижение защищающей способности масляных пленок, и, следовательно, увеличение износа, изменение зазоров в сопряженных деталях, что может привести к заклиниванию или заеданию. Чтобы избежать вредных последствий, проводят 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 точность обработки металлорежущих станков и качество обрабатываемой поверхности. Кроме того, появляется дополнительный шум. Наиболее опасны резонансные колебания.

Кроме критериев надежности при проектировании к деталям предъявляются следующие требования:

Экономичность. Конструкция машины, форма и материал ее деталей должны быть такими, чтобы обеспечить минимальную стоимость ее изготовления, эксплуатации, обслуживания, утилизации.

Технологичность изготовления. Форма и материал деталей должны быть такими, чтобы изготовление детали требовало минимальных затрат труда, времени, средств.

Безопасность. Конструкция деталей должна обеспечивать безопасность персонала при изготовлении, эксплуатации и обслуживании машины.

Удобство эксплуатации и обслуживания,ремонтопригодность.

Соответствие стандартам и другим нормативным документам – на форму, размеры, сорта и марки материала и пр.

Эргономичность.

Эстетичность.