Детали машин и основы конструирования

ЛЕКЦИЯ №1

Введение(0,5 часа).

Курс «Детали машин» является первым расчётно-конструкторским курсом, в котором изучаются основы проектирования машин и механизмов. Он относится к общетехническим курсам, завершающим общетехническую подготовку.

Изучение основ проектирования складывается из лекционного курса и лабораторно-практического цикла, включающего курсовое проектирование. Изложение курса «Детали машин» базируется на знаниях, полученных при изучении физико-математических и общетехнических дисциплин: математики, механики, сопромата, теории машин и механизмов, машиностроительного черчения и др. Сам же курс «Детали машин» служит базой для построения специальных курсов.

Как самостоятельная дисциплина курс «Детали машин» сформировался в начале 80-х годов XIX века. Первый курс по деталям машин был написан в 1881 году профессором Кирпичевым В. М. (Петербургский политехнический институт). Дальнейшее развитие курс получил в трудах профессора Худякова П. К. в 1885 году (Московское высшее техническое училище). За прошедшие 100 с лишним лет были написаны десятки учебников по деталям машин отечественными и зарубежными учеными. Из иностранных изданий в России следует отметить переведенные на русский язык учебники Баха и Рётшера. По отдельным разделам курса следует отметить труды Эйлера, Жуковского, Чаплыгина, Петрова и др. Дальнейшее развитие курса «Детали машин» базируется на творческом содружестве ученых-механиков с работниками промышленности, научно-исследовательских и учебных институтов.

Основателем кафедры «Детали машин» в КАИ (ныне КГТУ) в сентябре 1934 года явился ученый-механик профессор Лебедев С. Ф. К столетию со дня его рождения в главном здании КГТУ вывешена мемориальная доска на месте первого размещения кафедры.

Лекционный курс по деталям машин включает в себя следующие разделы:

1. Общие сведения по расчету и конструированию деталей.

2. Механические передачи

3. Детали, обеспечивающие вращательное движение

4. Соединения

Рекомендуемая литература: стабильные учебники по деталям машин следующих авторов: Рощина Г.И., Самойлова Е.А., Решетова Д. Н., Кудрявцева В. Н., Иванова М. Н., Гузенкова П. Г. и др.

Основы конструирования и расчета деталей машин (1,5 часа).

Любая машина состоит из деталей (часть машины, которую изготавливают без сборочных операций) - болт, гайка, шпонка и др. - это простые детали. Сложные детали -корпус редуктора, станина станка и др.

В машинах и механизмах детали объединяются в узлы (законченная сборочная единица из ряда деталей с общим функциональным назначением). Сложные узлы могут включать в себя простые (в редукторе подшипники, валы с зубчатыми колесами и др.).

Из большого разнообразия деталей и узлов выделяют детали (узлы) общего назначения, которые встречаются практически во всех машинах. Они и являются предметом изучения в курсе «Детали машин». Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень больших количествах (например, в нашей стране в год изготавливают сотни миллионов зубчатых колес). Поэтому любое усовершенствование методов расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность приносит большой экономический эффект. При этом следует отметить, что изучение деталей общего назначения не является самоцелью. Не менее важно, что на примере этих деталей изучают общие основы инженерных расчетов и конструирования.

Нормальная работа любой машины и составляющих ее деталей и узлов невозможна без удовлетворения ряда требований в виде основных критериев работоспособности. Это:

1. Прочность.

2.Жесткость.

3. Устойчивость.

4.Износостойкость.

5.Теплостойкость.

6.Виброустойчивость.

Надежность деталей машин определяется работоспособностью в течении заданного ресурса при минимально необходимой стоимости изготовления и эксплуатации. По одному или нескольким названным критериям ведется расчет, цель которого - определение размеров и формы детали из выбранного для ее изготовления материала.

Основы оценки допустимых напряжений и запасов прочности

Это один из основных вопросов при расчете и конструировании деталей машин. Задача обеспечения необходимой и достаточной прочности состоит в определении размеров и формы детали, не допускающих поломок, поверхностных разрушений и недопустимо больших остаточных деформаций.

Метод оценки прочности заключается в определении действующих нормальных или касательных (σ или τ) напряжений и сравнении их с допускаемыми значениями [σ] и [τ]:

Здесь и соответственно нормальные предельные и касательные напряжения, при превышении которых деталь разрушается;

[n] - допускаемый коэффициент запаса прочности.

Следует заметить, что во всех прочностных расчетах размер детали (площадь ее расчетного поперечного сечения S мм² ) обратно зависит от [σ] и [τ]:

Основные факторы, влияющие на величину допускаемого коэффициента

запаса прочности [n]

1. Степень точности расчета. С ростом точности расчета падает [n]

2. Назначение и ответственность детали. Если поломка детали вызывает лишь остановку машины, [n] принимается меньшим по сравнению со случаем поломки машины.

3. Условия работы и ресурс. Напряженные условия работы и ресурс требуют повышения [n].

4. Температура окружающей среды. Рост температуры снижает прочность материала, что требует увеличения [n].

5. Влияние формы детали

В месте перехода от одного размера детали к другому (поперечное отверстие) местные напряжения σ_тах могут существенно превышать σ_ном из-за возникающей концентрации

напряжений. Это учитывается введением теоретического коэффициента концентрации напряжений:

а_σ и а_τ зависят от вида концентратора напряжений (шпоночный паз, отверстие, галтель, и др)

Однако а_σ(_τ) не учитывают механических свойств материала детали. Поэтому в расчётах вводится эффективный коэффициент концентрации напряжений.

К_σ =1+ q_σ(a_σ-1) или К_τ =1 + q_τ(a_τ-1)

Здесь q_σ(τ) коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (для стали q_σ = 0,2 - 0,8).

К_σ мал у пластичных материалов и большой у хрупких и прочных материалов. Он выбирается по таблицам ГОСТ'а в зависимости от материала и вида концентратора. При расчете детали концентрация напряжений учитывается при оценке [σ]:

Абсолютные размеры детали

Учитываются масштабным фактором ε < 1, который возрастает с уменьшением размеров поперечного сечения детали из-за уменьшения числа неметаллических включений, что снижает [n].

Состояние поверхности и внешние условия эксплуатации

Учитываются коэффициентом β < 1, который уменьшается с ухудшением состояния

поверхности и условий эксплуатации (например в морской воде), что требует увеличения [n]. Итак:

т. е. с ростом концентрации напряжений, увеличением размеров детали и ухудшения состояния поверхности и условий эксплуатации требуется увеличение [n].

Различные циклы изменения напряжений и их пределы выносливости

Нагрузка на детали машин и вызываемые ею напряжения могут быть постоянными и переменными по времени. Постоянные по времени напряжения встречаются редко. При переменных же по времени напряжениях может произойти разрушение детали при σ<σ_в(σ_τ), т.е. при напряжении, меньшим предела прочности или текучести. Такое разрушение детали называется усталостным. Механизм его возникновения следующий: под влиянием переменных напряжений возникает усталостная трещина, развитие которой приводит к уменьшению опасного сечения детали с последующей ее поломкой. Однако эта

поломка возникает при напряжении - предела выносливости. Он определяется

опытным путем и зависит от материала детали, вида деформации (растяжение, изгиб) и коэффициента асимметрии цикла

Будем полагать циклическое изменение напряжений, что соответствует реальным условиям эксплуатации (вращение).

В общем случае

циклическое изменение

напряжений показано на

диаграмме. Цикл - однократная смена σ. Период - время одного цикла смены напряжений –t_цик.

Основные параметры

цикла:

-среднее напряжение цикла,

-амплитуда цикла.

Откуда

- коэффициент асимметрии цикла.

.

Три характерных цикла изменения напряжения.

I. Цикл статического нагружения (квазистатический («ненастоящий»))

Предельное значение предел прочности (текучести).

В 1-м цикле предельное напряжение для данного материала является наибольшим -и_в. Следовательно, условия работы детали по этому циклу являются наиболее благоприятными. Размеры детали будут минимальными.

П. Цикл знакопостоянный (от нулевой, пульсирующий)

Предельное значение -

предел выносливости П-го цикла (приводится в справочных данных).

При изгибе . При изгиб

σ₀ = 0,6σ_В П-й цикл по условиям работы детали занимает среднее положение между 1-м и П-м циклами.σ₀ достаточно большой (больше 0,5σ_В) и, как

следствие, размеры детали не очень большие. Предельная амплитуда

III. Цикл знакопеременный(симметричный)

Предельное значение -предел выносливости III ц. (приводится в справочных данных).

Для изгиба (меньше 0,5σ_В). Ш-й цикл относится к наихудшим по условиям работы детали. Размеры детали максимальные Предельная амплитуда цикла .

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Что такое деталь и узел. Приведите примеры из нашего курса.

2. Критерии работоспособности- перечислите и приведите примеры конструкций, где тот или иной критерий является определяющим.

3. Что такое условие прочности?

4. Какие задачи решают проектировочные и проверочные расчеты на прочность?

5. Вероятностные методы расчета- примеры применения в нашем курсе.

6. Объясните понятие надежности.

7. Какие напряжения понимают под предельными при оценке допускаемых напряжений?

8. Факторы, влияющие на величину допускаемого коэффициента запаса прочности.

9. Какие циклы изменения напряжений Вы знаете?

10. Как определяется коэффициент ассимитрии цикла изменения напряжений?