Карамышев Е. В. Прикладная механика (тексты лекции)

11

4.Перечень научно-исследовательских и других работ, обосновывающих необходимость разработки конструкции.

5.Технические требования.

6.Экономические показатели.

7.Перечень стадий разработки; наименование предприятияизготовителя машины.

8.Порядок контроля и приёмки, а также приложения к техническому заданию: чертежи, схемы, описания, расчёты и другие документы.

Техническое задание должно быть согласованно с заказчиком. Техническое предложение разрабатывают также в соответствии с ГОСТом, в случае если это предусмотрено техническим зада-

нием. Его цель – выявление дополнительных или уточнённых требований к машине (технических характеристик, показателей качества и др.).

Основным документом технического предложения является пояснительная записка. В ней сопоставляются различные варианты конструкции. Записка включает следующее:

а) назначение и область применения машины; б) техническую характеристику;

в) ожидаемые технико - экономические показатели; Кроме пояснительной записки в качестве документов техниче-

ского предложения по мере необходимости используют:

а) чертёж общего вида, который выполняют с максимальным упрощением;

б) габаритный чертёж; в) схемы (кинематическую, технологическую, гидравличе-

скую, пневматическую, электрическую и др.).

Эскизный проект разрабатывают в том случае, если это предусмотрено техническим заданием или протоколом технического предложения. Цель его разработки – установление принципиальных конструктивных решений, дающих общее представление о принципе работы и устройстве машины. На стадии разработки эскизного проекта могут в случае необходимости рассматриваться варианты машины или её составных частей.

Эскизный проект рассматривается на техническом совете и утверждается руководством организации – разработчика.

Во многих случаях эскизный проект отдельно не разрабатывается, а соответствующая работа выполняется на первых двух стадиях проектирования.

Технический проект разрабатывают с целью выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о

12

конструкции машины. При этом проводят следующие основные работы:

а) разрабатывают конструктивные решения машины и её составных частей;

б) выполняют все необходимые общие и прочностные расчёты, а также расчёты технико – экономических показателей;

в) выполняют необходимые принципиальные схемы; г) разрабатывают, изготавливают и испытывают макеты с це-

лью проверки правильности принятых решений; д) разрабатывают чертежи сборочных единиц;

Основными документами технического проекта являются пояснительная записка и чертёж общего вида машины.

Рабочая документация разрабатывается в соответствии с техническим заданием, техническим проектом и стандартами ЕСКД. В процессе разработки рабочей документации окончательно устанавливаются все размеры, характер сопряжения деталей, точность изготовления изделий, материалы, специальные требования (твёрдость, вид покрытия и др.).

Обязательными составными элементами рабочей документации являются: чертежи деталей машин с данными, необходимыми для изготовления и контроля; сборочные чертежи, содержащие изображение сборочных единиц (узлов, агрегатов) и другие данные, необходимые для сборки и контроля; спецификации, определяющие состав сборочных единиц.

На основе рабочей конструкторской документации изготовляется опытный образец машины. После этого завод - изготовитель проводит приёмно – сдаточные испытания с целью определения соответствия машины рабочей конструкторской документации и решения вопроса о возможности представления опытного образца на дальнейшие испытания. Затем опытный образец машины поступает на предварительные испытания (заводские, ведомственные).

3.ДОПУСКИ И ПОСАДКИ

Всоединении двух деталей, входящих одна в другую, различают охватывающую и охватываемую поверхности.

У цилиндрических соединений охватывающая поверхность носит общее названия отверстия, а охватываемая – вал. Название отверстие и вал условно применяют также и к другим охватывающим

иохватываемым поверхностям.

Номинальным размером называется основной размер, определённый из расчёта на прочность или по конструктивным соображениям и служащий началом отсчёта отклонений. Общий для отвер-

13

стия и вала, составляющих соединение, размер называют номиналь-

ным размером соединения.

Действительным размером называют размер, полученный в результате измерения с допустимой погрешностью.

Предельными размерами называют максимальное и минимальное значения размера, между которыми должен находиться действительный размер детали. Большее из них называется наибольшим предельным размером, меньшее – наименьшим предельным размером.

Отклонением размера называют алгебраическую разность между действительным размером и его номинальным значением. Отклонение является положительным, если размер больше номинального, и отрицательным, если размер меньше номинального.

Верхним предельным отклонением называют алгебраическую разность между наибольшим предельным размером и номинальным.

Полем допуска называют интервал значений размеров, ограниченный предельными размерами, оно определяется величиной допуска и его расположением относительно номинального размера.

Допуском называется разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. Разность между наибольшим или наименьшим предельным размером и номинальным размером называется соответственно верхним или нижним отклонением.

Совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для всех номинальных размеров, называется квалитетом. Стандартом устанавливается 19 квалитетов в порядке уменьшения степени точности 0,1; 0; 1,2…17.

В зависимости от взаимного расположения полей допусков отверстия и вала посадка может быть с зазором, с натягом и переходной, когда возможно получение как зазора, так и натяга.

Посадки осуществляются по двум системам (Рис.7) -

Рис. 7.

14

системе отверстия и системе вала. В посадках по системе отверстия предельные размеры отверстия остаются постоянными и различные посадки осуществляются изменением предельных размеров вала. В посадках по системе вала предельные размеры вала остаются постоянными, и различные посадки осуществляются изменением предельных размеров отверстия.

Отверстие, нижнее отклонение которого равно нулю, называется основным отверстием, а вал, верхнее отклонение которого равно нулю, называется основным валом.

Посадки в системе отверстия характеризуются тем, что различные зазоры и натяги получаются соединением различных валов с основным отверстием, а посадки в системе вала это те, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных валов с основным отверстием.

Выбор системы посадок при проектировании деталей машин имеет большое экономическое значение. Система отверстия при равных условиях обходится дешевле системы вала, так как при ней требуется меньшее количество дорогостоящего инструмента и дешевле обработка изделия, и поэтому она получила большое распространение. Система вала применяется лишь тогда, когда применение системы отверстия оказывается невозможным или невыгодным.

4. ПРИНЦИПЫ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЁТОВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Принципы инженерных расчётов

Для инженерных расчётов необходимо знать расчётные модели формы, материала, типовые элементы изделий и механические свойства конструкционных материалов. Вкратце остановимся на этих понятиях.

Модель материала. При выполнении статических расчётов материал представляется как однородная сплошная среда. Эта модель хорошо описывает металлические материалы, работающие в упругой зоне.

Важными физическими свойствами материалов с точки зрения машиностроения являются упругость, пластичность и ползу-

честь.

Упругость – свойство материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки.

Пластичность – свойство материала частично сохранять деформацию после снятия нагрузки.

15

Ползучесть – свойство материала увеличивать деформацию со временем при постоянной нагрузке.

Модель формы. В ряде случаев форма детали оказывается сложной, и её упрощение может значительно облегчить выполнение необходимых расчётов.

Наиболее часто в качестве моделей формы используют брусья, стержни, балки, пластины, оболочки и т. д.

Брус – твёрдое тело, один из размеров которого значительно больше двух других. Геометрически брус получается параллельным перемещением плоской геометрической фигуры вдоль одной из осей.

Стержнем называется брус, который нагружается силами растяжения либо сжатия. Совокупность стержней, соединённых шарнирами, образует ферменную конструкцию. Если же брус в процессе нагружения преимущественно изгибается, то он называется балкой. Совокупность балок, жёстко соединённых между собой, носит название рамы.

Оболочка – тело, образованное двумя геометрически подобными и близко расположенными поверхностями. Если этими поверхностями являются параллельные плоскости, то мы имеем дело с

пластиной.

Правильный выбор размеров деталей обеспечивает надёжную работу машин и рациональное использование металла в конструкциях.

Все детали машин в процессе работы деформируются, у них изменяются размеры. В результате деформаций вознкают напряжения нормальные δ и касательные τ.

При растяжении и сжатии детали (рис.8) возникают нормальные напряжения.

Рис.8.

δp= Fp/S≤[δp] ; δc= Fc/S≤[δсж] , где S – площадь поперечного сечения детали, [δp] и [δсж] - допускаемые напряжения.

При сдвиге деталей возникают касательные напряжения (рис.9). Касательные напряжения будут и при чистом кручении (рис.10).

16

Рис.9. Рис.10. где F и Mк – действующая сила и крутящий момент. Wp – полярный момент сопротивления сечения.

При изгибе также возникают нормальные напряжения.

4.2. Материалы, применяемые в машиностроении

Требования, предъявляемые к материалам. Материал должен обеспечить надёжность, заданную долговечность, минимальные массу и габаритные размеры машин. При этом исходят из следующих общих предпосылок: а) эксплуатационной – материал должен удовлетворять условиям работы детали в машине; б) технологической – удовлетворять требованиям минимальной трудоёмкости изготовления; в) экономической – материал должен быть выгодным с учётом всех затрат. Для обеспечения этих условий к поверхностям и объёмам деталей предъявляются различные требования: износостойкость, контактная или объёмная прочность, жёсткость, коррозионная стойкость, демпфирующая способность и т.д.

Кроме материала контактирующих поверхностей подвижных соединений, в обеспечении работоспособности машин важную роль играют смазочные материалы. К ним предъявляют требования: снижать потери на трение, уменьшать или предотвращать износ деталей, отводить тепло и уносить продукты износа, а также предохранять от коррозии.

Классификация материалов. В машиностроении применяют чёрные и цветные металлы и их сплавы, металлокерамические, неметаллические и смазочные материалы. К чёрным металлам относятся стали и чугуны. Различают стали низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые. По наличию основных легирующих компонентов стали делятся на группы – хромистые, марганцовистые и др. Стальные отливки бывают из конструкционной нелегированной и легированной, высоколегированной и других сталей.

Чугун для отливок делят на серый, высокопрочный с шаровидным графитом, ковкий (отливки из белого чугуна, подвергнутые отжигу), коррозионно-стойкий и др. В буквенных обозначениях чугуна отражается группа (серый – СЧ, ковкий – КЧ и т.д.); цифрами –

17

механические характеристики. Антифрикционные чугуны разделяются на серые, высокопрочные, ковкие (АЧС, АЧВ, АЧК).

Сплавы цветных металлов разделяются в зависимости от способа получения заготовки на литейные и деформируемые; от основы сплавана алюминиевые: силумины, дюралюмины; медные – латуни; бронзы – оловянные, оловяннофосфорные, безоловянные и др., а также баббиты – оловянные и свинцовые. Марки титановых сплавов подразделяются в зависимости от содержания примесей (алюминия, марганца, хрома, железа).

Металлокерамические материалы делятся на компактные беспористые и пористые, упрочнённые дисперсными включениями и др. Из неметаллических материалов чаще всего применяют резину, пластмассы и древесно – слоистые пластики. Резины подразделяются на мягкие, жёсткие и пористые. Детали бывают резиновые и резинометаллические.

Смазочные материалы бывают жидкие, пластичные, твёрдые и газообразные. Жидкие минеральные масла делятся на конструкционные, применяемые для обеспечения работоспособности машин, и технологические – для улучшения условий обработки металлов.

4.3. Характеристика основных материалов

Чёрные металлы. При малом содержании углерода стали обладают высокой пластичностью и свариваемостью; с увеличением содержания углерода повышается прочность, уменьшается пластичность и ухудшается свариваемость.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали применяют для деталей, работающих при постоянных напряжениях.

Малоуглеродистые низколегированные стали обладают более высокой прочностью и износостойкостью.

Шарикоподшипниковые стали ШХ6, ШХ9 и др. обладают повышенной износостойкостью и прочностью при переменных напряжениях.

Цветные металлы. Сплавы цветных металлов используют для втулок, крепёжных деталей, сепараторов подшипников качения, корпусов и т.п.

Титановые сплавы – ВТ-3 и др. – обладают высокой прочностью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

Бронзы обладают высокими антифрикционными и антикоррозийными свойствами.

Латуни обладают хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью.

18

Неметаллические материалы. Пластмассы по прочностным характеристикам могут приближаться к некоторым металлам, а по коррозионной стойкости - превосходить их. Пластики отличаются от сталей меньшей прочностью в 10…30 раз, жёсткостью в 20…200 раз, твёрдостью в 10…100 раз.

Резина обладает высокой эластичностью, стойкостью к воздействию внешней среды, амортизационными способностями.

4.4. Улучшение рабочих характеристик материалов

Легирование. С помощью использования некоторых элементов или их комбинаций существенно повышают предел прочности, текучести, ударную вязкость металлов. Хром повышает прочность; никель повышает сопротивление хрупкому разрушению; молибден и вольфрам способствуют повышению твёрдости; медь и фосфор увеличивают коррозионную стойкость.

Термическая и химикотермическая обработка. Основными термическими операциями являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Отжиг (нагрев и медленное охлаждение) поковок и отливок применяют для получения необходимых механических свойств. При нормализации уменьшаются внутренние напряжения; применяют для углеродистой стали с целью подготовки структуры металла перед механической обработкой.

Закалка готовых деталей позволяет сохранить неустойчивую структуру при комнатной температуре. После закалки проводят отпуск – нагрев и охлаждение при определённом режиме.

Спомощью химико – термической обработки – цементации, азотирования, цианирования – достигается упрочнение поверхностных слоёв. При цементации деталей из низкоуглеродистых сталей поверхностный слой на глубину 1…2 мм насыщают углеродом.

При азотировании поверхностный слой глубиной 0,3…0,6 мм насыщается азотом. При цианировании поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.

Сцелью повышения износо- и коррозионной стойкости применяют диффузионную металлизацию – насыщение поверхности чаще всего хромом, титаном, бором и др. При этом повышаются твёрдость и термостойкость.

Механическое упрочнение поверхности. Улучшить сопротивляемость деталей разрушению можно созданием на их поверхности напряжений сжатия. Этого достигают с помощью наклёпа – дробеструйной обработки, накатки роликами или шариками и т.п.

Комбинированные материалы. Применяют двойные комбинированные материалы на основе металл-металл, металл-неметалл.

19

На основе адгезионного соединения резины с металлом получают резинометаллические материалы.

Соединением нескольких компонентов получают металлокерамические материалы. Так, в металлокерамических фрикционных материалах на медной основе медь обеспечивает хороший отвод тепла; железо и абразивные материалы служат для повышения коэффициента трения; свинец, расплавляясь, образует тонкую плёнку, которая играет роль смазочного материала; стальная основа обеспечивает жёсткость и прочность детали.

5.МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ ТРЕНИЕМ

ИЗАЦЕПЛЕНИЕМ

Передачей называется устройство для передачи энергии на расстояние. В зависимости от способа осуществления передачи энергии различают механические, электрические, пневматические и гидравлические передачи. Из механических передач самые распространённые передачи вращательного движения, которые служат для передачи энергии от двигателей к рабочим машинам, обычно с преобразованием скоростей, сил и крутящих моментов. Кроме того, эти передачи широко применяют в различных механизмах для преобразования скорости. Передачи вращательного движения подразделяют на передачи с непосредственным контактом тел вращения и передачи с гибкой связью, в которых тела вращения связаны между собой гибким звеном. К первым передачам относятся фрикционная, зубчатая и червячная, а ко вторым – ремённая и цепная. В зависимости от способа передачи движения от ведущего тела вращения ведомому различают передачи трением и передачи зацеплением. К первым относятся передачи фрикционные и ремённые, а ко вторым – зубчатые, червячные и цепные.

5.1. Фрикционные передачи

Фрикционная передача состоит из двух соприкасающихся между собой колёс (катков, роликов, дисков); вращение одного из колёс преобразуется во вращение другого за счёт сил трения, возникающих в месте контакта колёс (рис. 11; 12)

20

Рис. 11. Рис.12. Необходимая сила трения между колёсами фрикционной передачи достигается прижатием одного из них к другому. По конструкции и назначению различают фрикционные передачи нескольких видов. Простейшая фрикционная передача между параллельными валами – это цилиндрическая передача (рис 11). Самая простая фрикционная передача между валами с пересекающимися осевыми линиями – коническая передача (рис 12). Угол между валами конической передачи может быть любым, но в большинстве случаев он равен 90 градусов.

Цилиндрическая и коническая фрикционные передачи характеризуются условно постоянным передаточным отношением. Если одно из колёс (или оба колеса) фрикционной передачи имеет переменный диаметр вращения, то такая передача, называемая вариатором, характеризуется переменным передаточным отношением.

Фрикционные передачи работают всухую или в масле. Их применяют гораздо реже других механических передач, что объясняется рядом существенных недостатков; большой силой прижатия колёс друг к другу и отсюда повышенным износом колёс и подшипников; пониженным КПД передачи; непостоянством передаточного отношения из-за проскальзывания колёс и соответственно невозможностью применения передачи в тех случаях, когда передаточное отношение должно быть точным.

Вместе с тем, фрикционные передачи имеют ряд достоинств: возможность бесступенчатого регулирования угловой скорости ведомого вала; равномерность вращения колёс; бесшумность работы.