1 Основные положения

1. Общие сведения

Дисциплина «Детали машин и основы конструирования» посвящена рассмотрению основ расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения, встречающихся в различных механизмах и машинах.

Механизмом называют систему тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.

Машиной называют механизм или сочетание механизмов, которые служат для облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности.

В зависимости от основного назначения различают два вида машин:

• энергетические машины, преобразующие любой вид энергии в механическую и наоборот (двигатели, динамо-машины, компрессоры и др.);

• рабочие машины, в том числе:

• технологические, изменяющие свойства, форму и размеры тел (станки, прессы и др.);

• транспортные, перемещающие тела (транспортеры, краны и др.);

• информационные, преобразующие информацию (шифровальные машины, механические интеграторы и др.);

• Все машины состоят из деталей, которые объединены в узлы.

Деталью называют часть машины, изготовленную без применения сборочных операций (шпонка, болт, зубчатое колесо и др.).

Узел - крупная сборочная единица (коробка передач, муфта, редуктор и др.), являющаяся составной частью изделия (привода, машины).

В машиностроении различают детали и узлы общего и специального назначения. Деталями и узлами общего назначения называют такие, которые встречаются почти во всех машинах (болты, валы, подшипники, муфты и др.). Они составляют подавляющее большинство и изучаются в курсе «Детали машин». К деталям и узлам специального назначения относят такие, которые встречаются только в одном или нескольких типах машин (шпиндели станков, поршни, шатуны, коленчатые валы и.др.). Они изучаются в соответствующих специальных курсах («Металлорежущие станки», «Компрессоры» и др.).

Все детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы:

• соединительные детали и соединения, которые могут быть неразъемными (заклёпочные, сварные и др.) и разъемными (шпоночные, резьбовые и др.);

• передачи вращательного движения (зубчатые, червячные, ременные и др.);

• детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.).

Целью курса является изучение основ расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения с учетом режима работы и срока службы машин. При этом рассматривается выбор материала и его термообработка, рациональные формы деталей, их технологичность и точность изготовления.

Детали машин зачастую имеют сложную конфигурацию, работают в различных условиях и далеко не всегда можно получить точную формулу для их расчета. При расчетах деталей машин широко применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые вводят поправочные коэффициенты, устанавливаемые опытным путем и подтверждаемые практикой конструирования и эксплуатации машин.

Детали и узлы общего назначения изготовляют ежегодно в очень больших количествах (в одном автомобиле более пяти тысяч типов деталей), поэтому всякое усовершенствование методов, правил и норм проектирования дает большой экономический эффект.

1.2 Современные направления в развитии машиностроения

Эффективность реконструкции всех отраслей народного хозяйства в решающей мере зависит от машиностроения. Именно в нем материализуются научно-технические идеи, создаются новые системы машин, определяющие прогресс и в других, смежных отраслях экономики.

Перед машиностроителями поставлена задача: резко повысить технико-экономический уровень и качество своей продукции, перейти на выпуск самых новейших машин, станков, приборов.

Чтобы ускорить выпуск новейших машин, намечено в 3÷4 раза сократить сроки разработки и освоения новой техники. При этом предусмотрено, что все вновь осваиваемые виды машиностроительной техники по производительности и надежности должны превосходить в 1,2 ÷ 2 раза выпускаемую аналогичную продукцию, при этом удельная материалоемкость новых машин должна быть снижена на 12 ÷ 18%.

Первоочередное развитие получают такие отрасли машиностроения, как станкостроение, электротехническая промышленность, микроэлектроника, вычислительная техника и приборостроение, вся индустрия информатики – подлинные катализаторы научно-технического прогресса. Темпы прироста выпуска продукции этих отраслей намечены в 1,3 ÷ 1,6 раза выше по сравнению со средним по машиностроению в целом.

В настоящее время создан и получает распространение принципиально новый класс машин, обеспечивающий высокую производительность – автоматизированные производственные системы (участки, цехи, заводы). Ускоренно нарастает производство промышленных роботов, обладающих искусственным зрением, воспринимающих речевые команды и быстро приспособляющихся к изменяющимся условиям работы.

В нашей стране разрабатывается такой новейший класс техники, как роторные и роторно-конвейерные линии, многообразные станки с ЧПУ для машиностроения и металлообработки. По сравнению с обычными видами оборудования они обеспечивают повышение производительности труда в 10 и более раз.

1.3 Требования к машинам и деталям

В соответствии с современными тенденциями к большинству проектируемых машин предъявляются следующие общие требования:

высокая производительность;

Стандартные значения передаточного числа 23

34

34

Таблица 3.8 - Значения коэффициента К_Fβ 35

Значения коэффициента У_F 36

Таблица 4.4 - Значения коэффициента К_Hβ 42

Таблица 4.8 - Значения коэффициента К_Fβ 46

Значения коэффициента У_F 47

Таблица 5.3 - Допускаемые контактные напряжения для червячных колес из условия стойкости против заедания 53

При конструировании и изготовлении машин должны строго соблюдаться Государственные Стандарты (ГОСТы).

Применение в машине стандартных деталей и узлов уменьшает количество типоразмеров, обеспечивает взаимозаменяемость, позволяет быстро и дешево изготовлять новые машины, а в период эксплуатации облегчает ремонт. Изготовление стандартных деталей и узлов машин производится в специализированных цехах и на заводах, что повышает их качество и снижает стоимость.

Одним из главных требований, предъявляемых к машинам и их деталям, является технологичность конструкции, которая значительно влияет на стоимость машины.

Технологичной называют такую конструкцию, которая требует минимальных затрат при производстве и эксплуатации.

Технологичные конструкции характеризуется:

применением в новой машине деталей с минимальной механической обработкой. При этом широко используется штамповка, точное литье, фасонный прокат, сварка;

унификацией данной конструкции, т.е. применением одинаковых деталей в различных узлах машины;

максимальным применением стандартных конструктивных элементов деталей (резьбы, канавок, фасок и др.), а также стандартных квалитетов и посадок;

применением в новой машине деталей и узлов, ранее освоенных в производстве.

1.4 Критерии работоспособности и расчета деталей машин

Работоспособность деталей оценивается рядом критериев, которые диктуются условиями их работы. К ним относятся: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность. Основным критерием работоспособности всех деталей является прочность, т. е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Методы расчетов на прочность изучаются в курсе сопротивления материалов.

В расчетах на прочность первостепенное значение имеет правильное определение допускаемых напряжений [σ] или [τ], которые зависят от многих факторов. К ним относятся:

• выбранный материал и способ получения заготовки (литье, поковка и др.), термообработка;

• степень ответственности детали и её режим работы;

• конфигурация детали и ее размеры;

• шероховатость поверхностей и др.

В настоящем пособии конкретные указания о выборе допускаемых напряжений будут рассмотрены в расчетах соответствующих деталей.

Жесткость. Жесткостью называют способность детали под нагрузкой сопротивляться изменению формы и размеров. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием при определении их размеров. Например, жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, а также зубчатых, червячных и других передач.

Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Эти нормы приводятся в справочной литературе.

Износостойкость. Способность детали сохранять необходимее размеры трущихся поверхностей в течение заданного срока службы называют износостойкостью. Она зависит от свойств выбранного материала, термообработки и шероховатости поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, от скорости скольжения и условий смазки, от режима работы и т.д. Износ уменьшает прочность деталей, изменяет характер соединения (при работе появляется дополнительный посторонний шум).

В большинстве случаев расчеты деталей на износостойкость ведутся по допускаемым давлениям [Рm], установленным практикой (расчеты подшипников скольжения и др.). Применение в конструкциях уплотняющих устройств защищает детали от попадания пыли, увеличивая их износостойкость.

Теплостойкость. Теплостойкостью называют способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей во время работы – явление вредное и опасное, так как при этом снижается их прочность, ухудшаются свойства смазки, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заеданию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы проводят тепловые расчеты (расчеты червячных передач, подшипников скольжения и др.).

Виброустойчивость. Виброустойчивостью называют способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, вызывают переменные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания. Расчеты на виброустойчивость рассматриваются в курсе «Теория колебаний» и выполняются для машины в целом.

Соблюдение указанных критериев работоспособности обеспечивает надежность конструкции в течение заданного срока службы.

1.5 Проектный и проверочный расчеты

Проектировочным расчетом называют определение размеров детали по формулам, соответствующим главному критерию работоспособности (прочности, жесткости, износостойкости и др.). Этот расчет применяют в тех случаях, когда размеры конструкций заранее неизвестны. Проектировочные расчеты основаны на ряде допущений и выполняются как предварительные для установления размеров конструируемых деталей.

Проверочным расчетом называется определение фактических характеристик главного критерия работоспособности детали и сравнение их с допускаемыми значениями. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы наклона сечений, температуру и т.д.

Проверочный расчет является уточненным. Его производят, когда форма и размеры детали известны из проектировочного расчета или приняты конструктивно.

Расчет и конструирование органически взаимосвязаны между собой. Конструированием называется творческий процесс создания механизма или машины в чертежах на основе проектных и проверочных расчетов. При разработке конструкции машины рассматривают различные варианты для получения оптимальной конструкции, обеспечивающей требуемые характеристики машины при наименьшей стоимости ее изготовления и эксплуатации.

Конструирование требует всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт эксплуатации машин данного типа, учета специфических факторов и параметров проектируемой машины, а также всех требований современного машиностроения.

1.6 Тематика курсового проектирования

Изучение основ расчета и конструирования Деталей машин завершается выполнением курсового проекта, который способствует закреплению и углублению знаний, полученных при изучении общетёхнических дисциплин: теоретической механики, сопротивления материалов, деталей машин, технологии материалов, черчения, допусков и посадок. Тематика курсового проектирования должна иметь вид комплексной инженерной задачи, включающей кинематические и силовые расчеты, выбор материалов и расчеты на прочность, вопросы конструирования и выполнения конструкторской документации - в виде пояснительной записки, сборочных чертежей и спецификации, а также рабочих чертежей.

Этим требованиям отвечают такие объекты проектирования, как приводы машин и механизмов технологических систем, транспортирующего, грузоподъемного и испытательного оборудования общемашиностроительного назначения. В соответствии с программой курса объектом курсовой работы являются передачи цилиндрические, конические, червячные и передачи гибкой связью. Это объясняется большой распространенностью и важностью их в современной технике. Существенным является и то, что в механическом: приводе наиболее полно представлены основные детали; кинематические пары и соединения, изучаемые в курсе «Детали машин и основы конструирования». В редукторах с передачами зацеплением имеют место зубчатые прямозубые, косозубые и червячные колеса, валы, оси, подшипники, соединительные муфты, соединения резьбовые; штифтовые, валы-шестерни, корпусные детали, уплотнительные устройства. При проектировании редуктора используются и находят практическое приложение такие важнейшие сведения курса как расчеты на контактную и объемную прочность, выбор материала и термообработок, масел, посадок, параметров шероховатости, поверхности и т. д.

Задание на курсовую работу состоит из кинематической схемы привода с перечислением элементов и исходных данных для выполнения расчетов. Предусмотрено десять различных схем приводов, которым присвоен соответствующий номер задания от 1 до 10. В свою очередь для каждой схемы имеется 10 вариантов исходных данных. На установочной сессии преподаватель выдает каждому студенту индивидуальное задание, при этом указывается число, состоящее из двух цифр. Например: 21. Это означает, что студент должен выбрать для расчетов схему №2 и 1й вариант исходных данных, представленных ниже. Таким образом, каждому студенту достается индивидуальное задание на курсовую работу. Получая задание, студент расписывается за него в журнале преподавателя, при этом он берет обязательство выполнения расчетов исключительно в соответствии с исходными данными.

Требования к выполнению и оформлению курсовой работы

Приступая к выполнению курсовой работы по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» требуется:

1. Изучить теоретический материал по теме задания;

2. Ознакомиться с указаниями по выполнению задания;

3. Рассмотреть решение типовой задачи, предложенной в данных методических указаниях;

4. Уяснить содержание задачи, проанализировать её и найти наилучший вариант решения.

В частности при выполнении кинематических расчетов необходимо ввести обозначение валов привода. Это облегчит выполнение анализа схемы привода, систематизации результатов расчетов и представления их в табличной форме.

Результаты расчетов выполняют с соблюдением правил приближенных расчетов, до двух значащих цифр после запятой и оформляются на бумаге для машинописных работ формата А4 в соответствии с требованиями стандарта по оформлению текстовых документов.

С примером оформления титульного листа и содержания студенты знакомятся оформляя работы на младших курсах.

Чертеж должен быть выполнен по всем правилам черчения с соблюдением ЕСКД.

Проверка и защита контрольной работы. Подготовленная студентом курсовая работа направляется на проверку преподавателю. В случае наличия ошибок требуется их исправление. При отсутствии ошибок и соответствия материала условиям задания работа подлежит «защите». Во время «защиты» курсовой работы студент должен:

• показать знание теоретического материала по разделам, относящимся к заданиям;

• объяснить и обосновать данное им решение задачи;

• продемонстрировать умение работать со справочной и нормативной литературой, уметь решать задачи по разделам курсовой работы.

Задание №1

1– Электродвигатель;

2– Муфта;

3– Редуктор;

4– Цепная передача;

5– Звездочки приводной цепи.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р, кВт	2,7	3,3	4,0	4,73	5,5	3,45	4,2	5,0	5,85	6,75
Окружная скорость, V м/с	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5
Шаг тяговой цепи, t мм	80	80	100	100	125	125	100	100	80	80
Число зубьев тяговой звездочки	7	8	9	10	7	8	9	10	7	8
Расчетный срок службы, лет	4	5	6	7	8	8	6	7	5	4

Задание №2

1. - Электродвигатель

2. - Муфта

3. - Редуктор

4. - Муфта тихоходного вала

5. - Барабан

6. - Лента.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р кВт	2,0	2,31	2,64	2,99	3,36	3,75	4,16	4,59	5,0	5,5
Окружная скорость V м/с	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9
Диаметр барабана dмм	200	225	250	275	300	200	225	250	275	300
Расчетный срок службы, лет	4	5	6	7	8	6	7	8	7	6

Задание №3

1. - Электродвигатель

2. - Муфта А

3. - Редуктор

4. - Муфта В

5. - Барабан

6. - Лента транспортера

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р кВт	1,44	1,75	2,08	2,16	2,52	2,9	3,0	3,41	2,88	3,66
Окружная скорость V м/с	0,6	0,7	0,8	0,8	0,9	1,0	1,0	1,1	0,9	1,1
Диаметр барабана d мм	250	250	250	275	275	275	300	300	300	300
Расчетный срок службы, лет	7	7	7	6	6	6	5	5	5	5

Задание №4

1 – Электродвигатель;

2 - Муфта; 3 – Зубчато - червячный редуктор;

4 - Цепная передача;

5 – Барабан;

6 – Лента транспортера.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р, кВт	0,5	0,75	1,05	1,4	1,8	2,25	2,75	3,3	3,9	4,55
Окружная скорость V м/с	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7
Диаметр барабана Д мм	250	275	300	325	350	375	400	425	450	475
Расчетный срок службы, лет	5	6	5	5	6	5	6	5	5	5

Задание №5

1 – Электродвигатель;

2 – Муфта;

3 – Коническо-цилиндрический

редуктор;

4 – Муфта;

5 – Барабан;

6 – Лента.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р кВт	2,0	2,31	2,64	2,99	3,6	4,0	3,64	4,59	5,04	5,51
Окружная скорость V м/с	1,0	1,1	1,0	1,3	1,5	1,6	1,4	1,7	1,8	1,9
Диаметр барабана Д мм	200	225	250	275	300	200	225	250	275	300
Расчетный срок службы, лет	8	9	9	8	7	7	7	6	6	5

Задание №6

1 - Электродвигатель;

2 - Муфта;

3 - Цилиндрическо-червячный редуктор;

4 - Звездочка;

5 - Цепь конвейера

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р кВт	0,5	0,66	0,84	0,98	1,12	1,04	1,04	0,77	0,6	0,45
Окружная скорость V м/с	0,1	0,12	0,14	0,15	0,16	0,16	0,15	0,14	0,12	0,1
Шаг тяговой цепи t мм	80	100	80	100	80	100	80	100	80	100
Число зубьев звездочки	12	12	10	10	12	12	10	10	12	12
Расчетный срок службы, лет	8	8	7	7	6	6	8	8	7	7

Задание №7

1 - Электродвигатель;

2 - Муфта;

3 - Двухступенчатый червячный редуктор;

4 - Муфта;

5 – Барабан

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р кВт	0,3	0,42	0,56	0,68	0,8	0,56	0,72	0,91	1,05	1,2
Окружная скорость V м/с	0,1	0,12	0,14	0,15	0,16	0,1	0,12	0,14	0,15	0,16
Диаметр барабана Д мм	350	400	450	350	400	450	350	400	450	350
Расчетный срок службы, лет	8	7	6	5	5	6	7	8	7	5

Задание №8

1 - Электродвигатель; 2 - Муфта; 3 - Коробка скоростей.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность Р кВт	2,0	2,8	3,5	4,0	5,0	4,5	3,2	2,4	2,0	1,5
Частота вращения птах об/мин	60	63	66	69	72	75	78	81	84	87
Частота вращения nmin об/мин	24	24	27	30	30	33	33	36	36	36
Расчетный срок службы, лет	5	5	4	4	4	4	5	5	5	5

Задание №9

1 - Электродвигатель;

2 - Муфта А;

3 - Червячно-цилиндрический редуктор;

4 - Муфта В;

5 - Коническая зубчатая передача к вертикальному валу.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Мощность, Р кВт	4,0	4,2	4,4	4,6	4,8	5,0	5,2	5,4	5,6	5,8
Частота вращения n об/мин	9	12	15	18	21	24	27	24	27	21
Расчетный срок службы, лет	8	8	9	9	7	7	7	8	8	8

Задание №10

1 - Электродвигатель;

2 - Муфта;

3- Редуктор;

4 - Перекрытие;

5 - Звездочка конвейера;

6 - Плоскость хода цепи.

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9		10
Мощность Р кВт	2,5	2,8	3,0	3,3	3,5	3,4	3,0	2,6	2,4		1,9
Окружная скорость v м/с	0,7	0,8	0,9	1,0	1,0	1,1	1,0	0,9	0,8		0,7
Шаг тяговой цепи t мм	100	100	100	100	80	80	80	80	80		100
Число зубьев звездочки	8	8	7	7	6	6	8	8	7		7
Расчетный срок службы, лет	7	8	8	6	6	7	7	5		5	8