МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ

імені МИХАЙЛА Туган-барановского

О.О. ДЕКАНЬ

Кафедра загальноінженерних дисциплін

ДЕТАЛІ

МАШИН

ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Затверджено

на засіданні кафедри

загальноінженерних дисциплін

« 8 » грудня 2008р.

Протокол № 14

ДОНЕЦЬК 2008

Вступ

«Деталі машин» є першим з розрахунково-конструк-торських курсів, у якому вивчають основи проектування машин і механізмів.

Будь-яка машина (механізм) складається з деталей.

Деталь – така частина машини, яку виготовляють без складальних операцій. Деталі можуть бути простими (гайка, шпонка, і т.п.) чи складними (колінчатий вал, корпус редуктора, станина верстата і т.п.). Деталі (частково чи цілком) поєднують у вузли.

Вузол являє собою закінчену складальну одиницю, що складається з ряду деталей, які мають спільне функціональне призначення (підшипник котіння, муфта, редуктор і т.п.). Складні вузли можуть включати кілька простих вузлів (підвузлів); наприклад, редуктор включає підшипники, вали з насадженими на них зубчастими колесами і т.п.

Серед великої розмаїтості деталей і вузлів машин виділяють такі, котрі застосовують майже у всіх машинах (болти, вали, муфти, механічні передачі і т.п.). Ці деталі (вузли) називають деталями загального призначення і вивчають у курсі «Деталі машин». Всі інші деталі, що застосовуються тільки в одному чи декількох типах машин (поршні, лопатки турбін, гребні гвинти і т.п.), відносять до деталей спеціального призначення і вивчають у спеціальних курсах.

На розвиток сучасного курсу «Деталі машин» впливає швидкий прогрес вітчизняного і закордонного машинобудування. Цей прогрес вимагає усе більш широкої стандартизації й уніфікації деталей загального призначення, а також їхнього виготовлення у масових кількостях на спеціалізованих заводах. В умовах масового і спеціалізованого виробництва значення курсу «Деталі машин» зростає.

Основні вимоги до конструкції деталей машин. Досконалість конструкції деталі оцінюють за її надійністю й економічністю. Під надійністю розуміють властивість виробу зберігати в часі свою працездатність. Економічність визначають вартістю матеріалу, витратами на виробництво й експлуатацію.

Основні критерії працездатності і розрахунку деталей машин: міцність, жорсткість, зносостійкість, теплостійкість, вібростійкість. Значення того чи іншого критерію для даної деталі залежить від її функціонального призначення й умов роботи. Наприклад, для кріпильних гвинтів головним критерієм є міцність, а для ходових гвинтів – зносостійкість. При конструюванні деталей їхню працездатність забезпечують в основному вибором відповідного матеріалу, раціональною конструктивною формою і розрахунком розмірів по одному чи декількох критеріям.

Міцність є головним критерієм працездатності більшості деталей. Неміцні деталі не можуть працювати. Варто пам'ятати, що руйнування частин машини приводять не тільки до простоїв, але і до нещасних випадків.

Розрізняють руйнування деталей унаслідок утрати статичної міцності чи опору утоми. Утрата статичної міцності відбувається тоді, коли значення робочих напружень перевищує межу статичної міцності матеріалу (наприклад, σ_в). Це пов'язано з випадковими перевантаженнями, не врахованими при розрахунках, чи з прихованими дефектами деталей (раковини, тріщини і т.п.). Втрата опору утоми відбувається в результаті тривалої дії перемінних напружень, що перевищують границю витривалості матеріалу (наприклад, σ_-1). Опір утоми значно знижується при наявності концентраторів напружень, пов'язаних з конструктивною формою деталі (галтелі, канавки і т.п.) чи з дефектами виробництва (подряпини, тріщини й ін.).

Основи розрахунків на міцність вивчають у курсі опору матеріалів. У курсі деталей машин загальні методи розрахунків на міцність розглядають у додатку до конкретних деталей і додають їм форму інженерних розрахунків.

Жорсткість характеризується зміною розмірів і форми деталі під навантаженням.

Розрахунок на жорсткість передбачає обмеження пружних переміщень деталей у межах, припустимих для конкретних умов роботи. Такими умовами можуть бути: умови роботи спряжених деталей (наприклад, якість зачеплення зубчастих колес і умови роботи підшипників погіршуються при великих прогинах валів); технологічні умови (наприклад, точність і продуктивність обробки на металорізальних верстатах у значній мірі визначаються жорсткістю верстата й оброблюваної деталі).

Норми жорсткості деталей встановлюють на основі практики експлуатації і розрахунків. Значення розрахунків на жорсткість зростає в зв'язку із широким упровадженням високоміцних сталей, у яких збільшуються характеристики міцності (σ_в і σ_-1), а модуль пружності Е (характеристика твердості) залишається майже незмінним. При цьому частіше зустрічаються випадки, коли розміри, отримані з розрахунку на міцність, виявляються недостатніми за жорсткістю.

Зношування – процес поступової зміни розмірів деталей у результаті тертя. При цьому збільшуються зазори в підшипниках, у напрямниках, у зубчастих зачепленнях, у циліндрах поршневих машин і т.п. Збільшення зазорів знижує якісні характеристики механізмів: потужність, к. к. д., надійність, точність та ін. Деталі, зношені більше норми, бракують і замінюють при ремонті. Несвоєчасний ремонт приводить до ламання машини, а в деяких випадках і до аварії.

Інтенсивність зношування, а отже, і термін служби деталі залежать від тиску, швидкості ковзання, коефіцієнта тертя і зносостійкості матеріалу. Для зменшення зношування широко використовують змащення тертьових поверхонь і захист від забруднення, застосовують антифрикційні матеріали, спеціальні види хіміко-термічної обробки поверхонь і т.д.

Зносостійкість деталей машин істотно зменшується при наявності корозії. Корозія є причиною передчасного руйнування багатьох машин. Через корозію щорічно губиться до 10% виплавлюваного металу. Для захисту від корозії застосовують антикорозійні покриття чи виготовляють деталі зі спеціальних корозійностійких матеріалів. При цьому особлива увага приділяється деталям, що працюють у присутності води, пару, кислот, лугів і інших агресивних середовищ.

Теплостійкість. Нагрівання деталей машин може викликати наступні шкідливі наслідки: зниження міцності матеріалу і поява повзучості; зниження захищаючої здатності масляних плівок, а отже, збільшення зношування деталей; зміна зазорів у спряжених деталях, що може привести до заклинювання чи заїданню; зниження точності роботи машини (наприклад, прецизійні верстати).

Щоб не допустити шкідливих наслідків перегріву на роботу машини, виконують теплові розрахунки і, якщо необхідно, вносять відповідні конструктивні зміни (наприклад, штучне охолодження).

Вібростійкість. Вібрації викликають додаткові перемінні напруження і, як правило, приводять до утомленого руйнування деталей. У деяких випадках вібрації знижують якість роботи машин. Наприклад, вібрації в металорізальних верстатах знижують точність обробки і погіршують якість поверхні оброблюваних деталей. Особливо небезпечними є резонансні коливання. Шкідливий вплив вібрацій виявляється також і внаслідок збільшення шумових характеристик механізмів. У зв'язку з підвищенням швидкостей руху машин небезпека вібрацій зростає, тому розрахунки на коливання здобувають усе більшого значення.

Особливості розрахунку деталей машин. Для того щоб скласти математичний опис об'єкта розрахунку і по можливості просто вирішити задачу, в інженерних розрахунках реальні конструкції заміняють ідеалізованими моделями чи розрахунковими схемами. Наприклад, при розрахунках на міцність власне кажучи не суцільний і неоднорідний матеріал деталей розглядають як суцільний і однорідний, ідеалізують опори, навантаження і форму деталей. При цьому розрахунок стає наближеним. У наближених розрахунках велике значення має правильний вибір розрахункової схеми, уміння оцінити головні і відкинути другорядні фактори.

Похибки наближених розрахунків істотно знижуються при використанні досвіду проектування й експлуатації аналогічних конструкцій. У результаті узагальнення попереднього досвіду виробляють норми і рекомендації, наприклад норми напруження, що допускаються, чи коефіцієнтів запасів міцності, рекомендації з вибору матеріалів, розрахункового навантаження й ін. Ці норми і рекомендації в додатку до розрахунку конкретних деталей приведені у відповідних розділах підручника. Тут відзначимо, що неточності розрахунків на міцність компенсують в основному за рахунок запасів міцності. При цьому вибір коефіцієнтів запасів міцності стає дуже відповідальним етапом розрахунку. Занижене значення запасу міцності приводить до руйнування деталі, а завищене – до невиправданого збільшення маси виробу і перевитраті матеріалу. В умовах великого обсягу випуску деталей спільного призначення перевитрата матеріалу здобуває дуже важливого значення.

В інженерній практиці зустрічаються два види розрахунку – проектний і перевірочний. Проектний розрахунок – попередній, спрощений розрахунок, виконуваний у процесі розробки конструкції деталі (машини) з метою визначення її розмірів і матеріалу. Перевірочний розрахунок – уточнений розрахунок відомої конструкції, виконуваний з метою перевірки її міцності чи визначення норм навантаження.

При проектному розрахунку число невідомих перевищує число розрахункових рівнянь. Тому деякими невідомими параметрами задаються, приймаючи до уваги досвід і рекомендації, а деякі другорядні параметри просто не враховують. Такий спрощений розрахунок необхідний для визначення тих розмірів, без яких неможливе перше креслярське пророблення конструкції. У процесі проектування розрахунок і креслярське пророблення конструкції виконують паралельно. При цьому ряд розмірів, необхідних для розрахунку, конструктор визначає за ескізним кресленням, а проектний розрахунок здобуває форму перевірочного для наміченої конструкції. У пошуках кращого варіанта конструкції часто приходиться виконувати кілька варіантів розрахунку. У складних випадках пошукові розрахунки зручно виконувати на ЕОМ. Та обставина, що конструктор сам вибирає розрахункові схеми, запаси міцності і зайві невідомі параметри, приводить до неоднозначності інженерних розрахунків, а отже, і конструкцій. У кожній конструкції відбиваються творчі здібності, знання і досвід конструктора. Упроваджуються найбільш досконалі рішення.

Розрахункові навантаження. При розрахунках деталей машин розрізняють розрахункове і номінальне навантаження. Розрахункове навантаження, наприклад обертаючий момент Т, визначають як добуток номінального моменту Т_Н на динамічний коефіцієнт режиму навантаження К:

Т=КТ_Н .

Номінальний момент відповідає паспортної (проектної) потужності машини. Коефіцієнт К враховує додаткові динамічні навантаження, зв'язані в основному з нерівномірністю руху, пуском і гальмуванням. Значення цього коефіцієнта залежить від типу двигуна, привода і робочої машини. Якщо режим роботи машини, її пружні характеристики і маса відомі, то значення К можна визначити розрахунком. В інших випадках значення К вибирають, орієнтуючись на рекомендації. Такі рекомендації складають на основі експериментальних досліджень і досвіду експлуатації різних машин.

Вибір матеріалів для деталей машин є відповідальним етапом проектування. Правильно обраний матеріал значною мірою визначає якість деталі і машини в цілому. При викладанні цього питання припускають, що вивчаючим відомі основні знання про властивості машинобудівних матеріалів і способи їх виробництва з курсів матеріалознавства, технології матеріалів, опору матеріалів.

Вибираючи матеріал, враховують в основному наступні фактори; відповідність властивостей матеріалу головному критерію працездатності (міцність, зносостійкість і ін.); вимоги до маси і габаритів деталі і машини в цілому; інші вимоги, зв'язані з призначенням деталі й умовами її експлуатації (протикорозійна стійкість, фрикційні властивості, електро-ізоляційні властивості і т.д.); відповідність технологічних властивостей матеріалу конструктивній формі і намічуваному способу обробки деталі (штампуємість, зварюваність, ливарні властивості, оброблюваність різанням і ін.); вартість і дефіцитність матеріалу.

Чорні метали, що підрозділяються на чавуни і сталі, мають найбільше поширення. Це пояснюється, насамперед, їхньою високою міцністю і твердістю, а також порівняно невисокою вартістю. Основні недоліки чорних металів – велика густина і слабка корозійна стійкість.

Кольорові метали – мідь, цинк, свинець, олово, алюміній і деякі інші – застосовують головним чином як складові частини сплавів (бронз, латуней, бабітів, дюралюмінію і т.д.). Ці метали значно дорожче чорних і використовуються для виконання особливих вимог: легкості, антифрикційністі, антикорозійністі й ін.

Неметалічні матеріали – дерево, гума, шкіра, азбест, металокераміка і пластмаси – також знаходять широке застосування.

Пластмаси – порівняно нові матеріали, застосування яких у машинобудуванні усе більш розширюється. Сучасний розвиток хімії високомолекулярних сполучень дозволяє одержати матеріали, що мають цінні властивості: легкість, міцність, тепло- і електроізоляційність, стійкість проти дії агресивних середовищ, фрикційність або антифрикційність і т.д.

Надійність машин. Розрізняють три періоди, від яких залежить надійність: проектування, виробництва, експлуатації.

При проектуванні закладаються основи надійності. Погано продумані, невідпрацьовані конструкції не бувають надійними. Конструктор повинен відбити в розрахунках, кресленнях, технічних умовах і іншій технічній документації усі фактори, що забезпечують надійність.

При виробництві забезпечуються всі засоби перевищення надійності, закладені конструктором. Відхилення від конструкторської документації порушують надійність. З метою виключення впливу дефектів виробництва усі вироби необхідно ретельно контролювати.

При експлуатації реалізується надійність виробу. Такі поняття надійності, як безвідмовність і довговічність, виявляються тільки в процесі роботи машини і залежать від методів і умов її експлуатації, прийнятої системи ремонту, методів технічного обслуговування, режимів роботи й ін.

Надійність оцінюють імовірністю збереження працездатності протягом заданого терміну служби. Утрату працездатності називають відмовленням. Якщо, наприклад, імовірність безвідмовної роботи виробу протягом 1000 год. дорівнює 0,99, то це значить, що з деякого великого числа таких виробів, наприклад з 100, один відсоток чи один виріб утратить свою працездатність раніш чим через 1000 год. Імовірність безвідмовної роботи (чи коефіцієнт надійності) для нашого приклада дорівнює відношенню числа надійних виробів до числа виробів, що піддавалися спостереженням: Р(t)=99/100=0,99.

1. Механічні передачі: визначення, класифікація, силові і кінематичні співвідношення

М еханічною передачею називають механізм, який перетворює параметри руху двигуна при передачі виконавчим органам машини (рисунок 1.1, а). Необхідність уведення передачі як проміжної ланки між двигуном і виконавчими органами машини зв'язана з рішенням різних задач. Наприклад, в автомобілях і інших транспортних машинах потрібно змінювати значення швидкості і напрямок руху, а на підйомах і на початку трогання в кілька разів збільшувати обертаючий момент на ведучих колесах. Сам автомобільний двигун не може виконати ці вимоги, тому що він працює стійко тільки у вузькому діапазоні зміни обертаючого моменту і кутової швидкості. При виході за межі цього діапазону двигун зупиняється (глухне). Подібно автомобільному, слабко регулюються багато інших двигунів, у тому числі і більшість електродвигунів.

Узгодження режиму роботи двигуна з режимом роботи виконавчих органів машини здійснюють за допомогою передач.

У деяких випадках регулювання двигуна можливе, але небажано за економічними причинами, тому що двигуни мають низький к. к. д. за межами нормального режиму роботи. Маса і вартість двигуна при однаковій потужності знижуються зі збільшенням його швидкохідності; виявляється економічно доцільним застосування швидкохідних двигунів з передачею, що знижує кутову швидкість, замість тихохідних двигунів без передачі. Роль понижуючої передачі в сучасному машинобудуванні значно зросла в зв'язку із широким поширенням швидкохідних двигунів. У деяких випадках передачі використовують як перетворювачі обертального руху в поступне, гвинтове й ін.

Передачі обертального руху служать для передачі енергії від двигунів до робочих машин, звичайно з перетворенням швидкостей, сил і крутних моментів. Крім того, ці передачі широко застосовують у різних механізмах для перетворення швидкості, а в деяких випадках і виду або закону руху. Передачі обертального руху розподіляють на передачі з безпосереднім контактом тіл обертання і передачі з гнучким зв'язком, у яких тіла обертання зв'язані між собою гнучкою ланкою. До перших передач відносяться фрикційна, зубчаста і черв'ячна, а до других – ремінна і ланцюгова. У залежності від способу передачі руху від ведучого тіла обертання веденому розрізняють передачі тертям і передачі зачепленням. До першого відносяться передачі фрикційні і ремінні, а до других – зубчасті, черв'ячні і ланцюгові. До передач обертального руху відносять також передачі гвинт-гайка, призначення яких - перетворювати обертальний рух у поступальний.

Як відомо з теоретичної механіки, лінійну швидкість v точок обертового тіла, що відстоять від осі обертання на відстані d/2, визначають за формулою:

, (1.1)

де d - у м; υ - у м/с; ω - кутова швидкість, рад/с; п - частота обертання, хв^-1. Цю швидкість називають обводовою швидкістю.

Силу, що викликає обертання тіл чи опір обертанню і спрямовану по дотичній до траєкторії точки її додатка, називають обводовою силою F_t. Зв'язок між цією силою, обводовою швидкістю υ і потужністю Р, переданої тілом обертання, визначається формулою:

P=F_t υ , (1.2)

де Р - у Вт; F_t, - у Н; υ - у м/с, чи Р - у кВт; F_t, - у кН; υ- у м/с. Обводова сила F, зв'язана з крутним моментом T, переданим тілом обертання, залежністю:

F_t = 2T/d . (1.3)

Умовимося позначати для ведучого і веденого тіл обертання (зубчастих колес, шківів, зірочок і т.п.) відповідно передані потужності P₁ і Р₂, передані крутні моменти T₁ і T₂, кутові швидкості ω₁ і ω₂ і частоти обертання п₁ і п₂.