Понятие об усталости и выносливости материалов

Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются действию циклических переменных нагрузок, то есть таких, которые многократно через определенные интервалы времени приобретают первоначальное значение. Практика эксплуатации машин показала, что под действием циклически меняющихся напряжений материал разрушается при более низких напряжениях, чем при действии постоянных во времени нагрузок. Это явление преждевременного разрушения материала под действием циклически изменяющихся нагрузок получило в технике название усталости материалов, а способность материала противодействовать действию переменных нагрузок называется выносливостью.

Введем отношение ,взятое с его алгебраическим знаком, где - наименьшее напряжение, а - наибольшее напряжение цикла. Под циклом понимается замкнутая однократная смена напряжений, получающих непрерывный ряд значений. Отношение r называется коэффициентом асимметрии.

Если r=-1, цикл называется симметричным. Этот вид нагружения является наиболее опасным.

Опытами установлено, что под действием циклических напряжений с определенным коэффициентом асимметрии материал может разрушиться при верхнем пределе цикла, значительно меньшем не только временного сопротивления материала, но даже и предела текучести, если число перемен нагрузки будет достаточно велико.

Однако для многих материалов и в том числе для всех марок сталей установлено существование предела выносливости (или предела усталости),под которым понимается то наибольшее значение верхнего предела цикла при заданном коэффициенте асимметрии, при котором материал не разрушается при любом числе перемен нагрузки.

Для черных металлов на основе накопленного опыта принято считать, что если образец не разрушается при 10⁷ перемен нагрузки, то он сможет выдержать любое число перемен. Для цветных металлов и сплавов и сплавов принимают за предел выносливости верхний предел цикла, соответствующий числу перемен нагрузки 10⁸ Предел выносливости при симметричном цикле обозначается . Расчет на выносливость проводят, подставляя в ранее

Точность механизмов

Взаимозаменяемость. Современный уровень развития машиностроения – массовые, серийное производство, комплексная механизация и автоматизация процессов – стало возможным благодаря широкому внедрению в производство принципов взаимозаменяемости. Без взаимозаменяемости невозможно в настоящее время представить ни одно более или менее крупное производство.

Взаимозаменяемостью называется принцип конструирования, изготовления и эксплуатации машин, обеспечивающий их безподгоночную сборку (или замену при ремонте). Из независимо изготовленных деталей или узлов при соблюдении предъявляемых к ним технических требований.

Взаимозаменяемость обеспечивается изготовлением деталей и сборкой узлов с заданной точностью геометрических, технических, физических и других параметров. Причем наибольшее значение имеет точность геометрических параметров – точность размеров, формы, взаимного расположения поверхностей, шероховатость поверхности.

Взаимозаменяемость лежит в основе унификации и стандартизации, позволяющих устранить излишнее многообразие типовых узлов и деталей, установить минимально возможное количество типоразмеров узлов, деталей машин, обладающих высокими эксплутационными характеристиками.

Различают следующие виды взаимозаменяемости: полную, неполную, внутреннюю, внешнюю, функциональную.

1). Полная – обеспечивается изготовлением деталей с заданной точностью геометрических параметров, позволяющих производить безподгоночную сборку. Примером полной взаимозаменяемости может служить замена крепежных деталей (болтов, гаек).

2). Неполная – применяется в тех случаях, когда технология производства деталей не может обеспечить заданную точность сборки. Примером неполной взаимозаменяемости является сборка радиальных шариковых подшипников. В радиальных шариковых подшипниках основным монтажным элементом является радиальный зазор, его величина колеблется от 1 до 5 мкм. Для того чтобы такую точность обеспечить при сборке, пользуясь полной взаимозаменяемостью, нужно тела качения и кольца изготовлять с высокой точностью, что практически недостижимо при массовом производстве, или приводящей к резкому удорожанию. Обеспечить заданную точность сборки без значительного повышения точности изготовления тел качения и колец можно, пользуясь неполной взаимозаменяемостью, при которой изготовленные шарики и кольца сортируются по размерам на группы, а затем производится сборка деталей из групп с близкими размерами. При неполной взаимозаменяемости допускается применение подвижных и неподвижных компенсаторов (прокладки, шайбы, клинья), регулирование положения одних деталей относительно других и т.д.

3). Внешняя взаимозаменяемость – это взаимозаменяемость готовых деталей, и готовых изделий и узлов, монтируемых по форме присоединительных поверхностей. Примерами внешней взаимозаменяемости могут быть замена подшипников качения по размерам присоединительных поверхностей, колец, муфт – по размеру присоединенных поверхностей и т.д.

4). Внутренняя вз. – это вз. Отдельных деталей, входящих в узел, или узлов и механизмов, входящих в изделие. Например, в подшипниках скольжения – замена вкладышей; в подшипниках качения – замена тел качения и колец; в поводках ткацких станков – замена втулок, полувтулок, стержней, крышек.

В настоящее время одним из основных примеров при оценке машины является надежность и долговечность работы конструкции. В связи с этим все большее значение приобретает функциональная вз., которая позволяет установить точность изготовления деталей в зависимости от их служебного назначения. * Под функциональной вз. Понимают вз., при которой обеспечиваются в заданных пределах экономически оптимальные эксплутационные показатели всех однотипных изделий. В условиях эксплуатации основным требованиям для всякой детали является выполнение ею определенных функций, что непосредственно связано с точностью различных параметров и сохранением работоспособности в течение определенного срока эксплуатации. Таким образом, при назначении допусков необходимо исходить не только из условий точности, но и из условий, но и из работоспособности машины в целом.

* Функциональная вз. Обеспечивается соблюдением геометрических, механических, электрических, химических и других параметров, которые называют функциональными, чтобы подчеркнуть их ограниченную связь со служебными функциями деталей и узлов машин.

Допуски и посадки. Две детали, подвижно или неподвижно соединенные, называются сопряженными. Размер, по которому происходит соединение двух деталей, называется сопрягаемым. При сборке двух деталей, входящих одна в другую, различают поверхности охватывающую и охватываемую и соответственно охватываемые и охватывающие размеры.

По форме сопрягаемых поверхностей деталей различают соединения: плоские, гладкие цилиндрические и конические, резьбовые и винтовые, шлицевые, сферические; губчатые цилиндрические, конические и винтовые передачи.

В цилиндрических соединениях охватывающей поверхностью является поверхность отверстия, называемая отверстием; охватывающим размером – размер отверстия. Охватываемой поверхностью является поверхность вала, называемая валом; охватываемым размером – диаметр вала. Разность между охватывающим и охватываемым при сборке определяет характер сопряжения, или посадку.

Если охватывающий размер больше охватываемого, то разность между ними называется зазором, а сама посадка называется подвижной или посадкой с зазором. Такая посадка характеризует свободу относительного перемещения соединяемых деталей, Если охватывающий размер до сборки меньше охватываемого, то разность между ними называется натягом, а посадка – посадкой с натягом, или неподвижной. Такая посадка характеризует неподвижность соединения.

Если в собранной паре при условии годности обоих деталей может оказаться как зазор, так и натяг, то такие посадки называют переходными.

Размер, проставленный на сборочном чертеже, полученный в процессе расчета на прочность, жесткость и обеспечение технологичности конструкции и является общим для охватывающей и охватываемой поверхностей, называется номинальным размером сопряжения.

Применяемые в конструкциях номинальные размеры должны соответствовать размерам по ГОСТ 6636 – 69 “Нормальные линейные размеры”, что даст возможность сократить номенклатуру режущего и измерительного инструмента, а также облегчить условия типизации технологических процессов.

Требуемые в соответствии с конструкцией узла размеры не могут быть выполнены на производстве абсолютно точно. Они всегда будут отличаться от заданных; кроме того, вносится определенная погрешность при измерении. Размер, полученный на производстве и измеренный с допустимой погрешностью, называется действительным.

Для обеспечения вз. Нужно чтобы требуемые размеры были выполнены с определенной точностью, т.е чтобы действительные размеры не выходили за определенные значения. Те значения размеров, между которыми может колебаться действительный размер годной детали, называется предельным, причем больший из них называется наибольшим предельным размером (Dmax, dmax), меньший – наименьшим предельным размером (Dmin, dmin).

Предельные размеры на чертежах задаются величинами верхнего и нижнего предельных отклонений от номинального размера. Примеры обозначения отклонений в цилиндрическом соединении:

Вал Ø 50 (+ 0,015; - 0,010) мм, отверстие Ø 50 (+0,027) мм

Здесь Ø 50 – номинальный размер вала и отверстия, + 0,015 – верхнее отклонение вала (ВОв), + 0,027 – верхнее отклонение отверстия (ВОа), 0,010 – нижнее отклонение вала (НОв). Вал будет годен, если его размер будет не больше 50,015 мм (наибольший предельный размер) и не меньше 49,99 мм (наименьший предельный размер); соответственно размер отверстия не больше 50,027 мм и не меньше 50 мм. Отклонения, равные нулю, на чертежах не проставляются.

Верхним предельным отклонением называется алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами.

ВОа = Анб – А ВОв = Внб – В

Нижнем предельным отклонением называется алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальными размерами:

НОа = Анм – А НОв = Внб – В

Верхние предельное отклонение ставится сверху, а нижнее – внизу номинального размера.

Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называется допуском размера ба, бв: ба = Анб – Анм, бв = Внб - Внм

Допуск размера может быть определен также как алгебраическая разность между верхним и нижним предельными отклонениями размера:

ба = ВОа – НОа бв = ВОв - НОв

Необходим помнить, что отклонения обязательно имеют знак + или - ; допуск размера знака не имеет, он характеризует только точность, с которой должен быть выполнен размер.

Для того, чтобы соединения выполняли свои эксплутационные функции, нужно обеспечить необходимые для этого условия, в одном случае – обеспечить свободное вращение, в другом – неподвижность соединения.

Так как действительные размеры могут колебаться от наибольших предельных размеров до наименьших, то и зазоры, и натяги в сопряжениях будут колебаться от наибольшего до наименьшего значений.

Наибольший зазор Zнб – определяется как разность между наибольшим предельным размером охватывающей поверхности и наименьшим предельным размером охватываемой поверхности или как алгебраическая разность между верхним предельным отклонением охватывающего размера и нижнем предельным отклонением охватываемого размера: Zнб = Анб – Внм = ВОа – НОв

Наименьший зазор Zнм – определяется как разность между наименьшим предельным размером охватывающей поверхности и наибольшим предельным размером охватываемой поверхности или как алгебраическая разность между нижним предельным отклонением охватываемого размера и верхним предельным отклонением охватываемого размера: Zнм = Анм – Внб = НОа – ВОв

Наибольший натяг Nнб определяется как разность между наибольшим предельным размером охватываемой поверхности и наименьшим предельным размером охватываемой

поверхности или как алгебраическая разность между верхним предельным отклонением охватываемого размера и нижним предельным отклонением охватываемого размера:

Nнб = Внб – Анм = ВОв – НОа

Наименьший натяг Nнм определяется как разность между наименьшим предельным размером охватываемой поверхности и наибольшим предельным размером охватывающей поверхности или как алгебраическая разность между нижним предельным отклонением охватываемого размера и верхним придельным отклонением охватывающего размера:

Nнм = Внм – Анб = НОв – ВОа

Точность сопряжения характеризуется допуском посадки или, что то же самое, допуском зазора в подвижных соединениях и допуском натяга в неподвижных соединениях. Допуск посадки определяется для любых видов соединений как сумма допусков охватывающего и охватываемого размеров: бн = ба – бв

Для любых новых видов соединений как сумма допусков охватывающего и охватываемого размеров:

Для подвижных соединений допуск посадки может быть определен как разность между наибольшим и наименьшим зазорами:

для неподвижных соединений – как разность между наибольшим и наименьшим натягами: , для переходных посадок – как сумма абсолютных значений наибольшего зазора и наибольшего натяга

.

При определении параметров, характеризующих сопряжения (зазоры, натяги допуски посадок), для наглядности и лучшего усвоения изложенного материала рекомендуется пользоваться графическим изображением сопряжений. Предельные отклонения размеров (НО и ВО) откладываются по вершинам от так называемой нулевой линии, которая проводится на расстоянии, равном номинальному размеру сопряжения, от горизонтальной линии, служащей началом для схематического изображения отверстия и вала. Положительные отклонения откладываются вверх от нулевой линии, отрицательные – вниз от нее.

Интервал значений размеров, ограниченный предельными размерами, называется моментом допуска. На схеме поле допуска изображается зоной, заключенной между горизонтальными линиями, проведенные на расстояниях, соответствующих верхнему и нижнему отклонению размера.

Недостатком данного способа графического изображения является несоразмерные изображения номинальных размеров и отклонений размеров, так как в одном масштабе эти величины показать практически невозможно. Кроме того, требуется выполнять довольно большой объем графической работы. Поэтому на практике пользуются в основном соразмерным графическим изображением, в котором номинальный размер условно изображается нулевой линией. Предельные отклонения размеров откладываются в выбранном масштабе от нулевой линии по вертикали, поля допусков изображаются в виде прямоугольников, заключенных между двумя горизонтальными линиями, проведенные на расстояниях, соответствующих верхнему и нижнему предельным отклонениям. Допуск размера при этом равен высоте прямоугольника в масштабе, принятом для изображения отклонений размера. На графическом изображении отклонения проставляются в микрометрах, на чертежах же - обязательно в миллиметрах.