10.02.05 - Лекция № 1.

Детали машин (ДМ) – дисциплина по теории, расчёту и конструированию деталей и узлов общемашиностроительного применения.

Машина - устройство с согласованно работающими частями, осуществляющее определённые механические движения с целью преобразования энергии, материалов и информации.

Механизм - совокупность физических тел (звеньев), подвижно связанных между собой и обладающих определённостью движения. Механизм предназначен для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение одного или нескольких тел.

Деталь – часть машины, которую изготавливают без выполнения сборочных операций. Детали бывают простые (болт, гайка, шпонка и т. д.) и сложные (коленчатый вал, станина станка и т. д.).

Несколько деталей, собранных воедино, называются сборочной единицей или узлом.

Изделия машиностроения не являются простой совокупностью деталей. В собранном изделии детали находятся во взаимодействии и взаимозависимости, которые определяют качественные характеристики изделия.

Не машина состоит из деталей, а детали образуют машину, являясь элементами системы и требуя системного подхода при расчёте и разработке.

Объекты, изучаемые в ДМ:

1. соединения и детали соединений – соединения подразделяются на разъёмные (допускают многократную разборку и сборку – резьбовые, шпоночные и др. соединения) и неразъёмные (при разборке требуют разрушения – сварные, паяные, клеевые и др. соединения);

2. детали передач;

3. детали, обеспечивающие вращательное движение (валы, оси, подшипники, муфты и т. д.).

Каждый из объектов рассматривается в следующих ракурсах:

1. назначение объекта;

2. описание конструкции и принципа действия;

3. область применения;

4. сравнительные достоинства и недостатки;

5. условия работы и действующие нагрузки;

6. критерии работоспособности (характер и причины отказа);

7. применяемые материалы и сведения о технологии их приготовления;

8. методы расчёта и конструирования;

9. направления совершенствования конструкции и методов расчёта.

Машины и их детали должны удовлетворять двум основным условиям: надёжность и экономичность.

Экономичность – минимально необходимая стоимость проектирования, изготовления, эксплуатации и утилизации.

Надёжность – свойство изделия сохранять во времени работоспособность в заданных условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Показатели качества изделия по надёжности – безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в течение заданного времени.

Долговечность – свойство изделия длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при соблюдении норм эксплуатации.

Ремонтопригодность – свойство изделия, которое заключается в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособности путём технического обслуживания и ремонта.

При конструировании работоспособность деталей обеспечивается выбором материала и расчётом размеров по критериям работоспособности. Обычно, существуют основной и дополнительный критерии.

Критерии работоспособности:

1. прочность:

2. жёсткость;

3. износостойкость;

4. теплостойкость;

5. виброустойчивость.

Прочность – способность конструкции и её элементов противостоять внешним нагрузкам не разрушаясь.

Основные направления повышения прочности деталей изделий:

1. машину следует проектировать так, чтобы количество деталей, работающих на изгиб, было бы минимальным;

2. следует выбирать рациональные формы деталей;

3. следует оптимизировать формы деталей с целью исключения концентраторов напряжений.

Жёсткость – способность конструкции и её элементов противостоять внешним нагрузкам без существенных изменений формы и размеров.

Практические расчёты на жёсткость проводят в форме ограничения упругих деформаций, допустимых для данных условий работы.

Для повышения жёсткости необходимо:

1. рационально располагать опоры;

2. выбирать рациональную форму поперечного сечения;

3. повышать контактную жёсткость в подвижных соединениях.

Износостойкость – способность детали сопротивляться изнашиванию.

Для уменьшения изнашивания необходимо:

1. избегать открытых поверхностей трения;

2. использовать уплотнительные устройства;

3. обеспечивать оптимальное распределение усилий на контактирующих поверхностях;

4. обеспечивать совершенный вид трения (трение скольжения → трение качения, граничное трение → гидродинамическое трение, внешнее трение → внутреннее трение).

Теплостойкость – способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы.

Виброустойчивость – способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далёких от области резонанса.

Проектирование – первый этап жизненного цикла изделия.

Конструирование – творческий процесс создания механизма или машины на основе проектного и проверочного расчётов.

Проектный расчёт – определение размеров деталей при выбранном материале по формулам, соответствующим главному критерию работоспособности.

Проверочный расчёт – определение фактических характеристик главного критерия работоспособности и дополнительных критериев.

17.02.05 - Лекция № 2.

Общие правила конструирования:

1. при проектировании машину рассчитывают на нормальные условия эксплуатации;

2. конструирование есть поиск оптимального компромиссного решения (под оптимальным понимают такой вариант, для которого невозможно улучшить ни один из критериев качества без ухудшения других);

3. при конструировании должно быть выполнено условие равной прочности, равной надёжности и т. д.

Комплексное и системное проектирование.

Системное проектирование – решение технологической задачи для части (детали) с позиций целого (машины).

Комплексное проектирование – процесс разработки оборудования с позиций технологической схемы (системы).

Основные понятия системы допусков и посадок.

(-1-) Взаимозаменяемость – свойство детали занимать своё место в узле машины без дополнительной обработки и при сохранении работоспособности машины. Этот принцип позволяет иметь парк запасных частей, производить серийную сборку и ремонт.

(-2-) Точность обработки.

Номинальный размер – числовое значение линейной или угловой величины. Номинальный размер выбирают из ряда нормальных размеров, предусмотренных ГОСТами. Номинальный размер служит началом отсчёта отклонений и определяет положение нулевой линии.

(-3-) Отклонения.

Бывают отклонения размеров, формы и взаимного расположения плоскостей.

(-4-) Точность изготовления.

Для нормирования уровня точности установлены квалитеты – совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для всех номинальных размеров. Установлено 19 квалитетов с обозначениями

01 , 0 , 1 , 2 … 17 .

В машиностроении обычно используют 6-9 квалитеты. Чем выше номер, тем ниже степень точности.

Допуски размеров деталей схематически изображают в виде полей допусков, не приводя эскизов самих деталей.

Назначая предельные отклонения и, таким образом, выбирая посадку, регламентируют характер сопряжения деталей. В зависимости от сочетания предельных отклонений может быть посадка с зазором, с натягом и переходная.

Используют две системы допусков и посадок:

1. система отверстия (предпочтительная);

2. система вала.

В системе отверстия поле допуска отверстия одинаково для всех посадок, а различные посадки получают изменением предельных отклонений валов.

Поле допуска основного отверстия обозначают Н7. 7 – цифра соответствующего квалитета. Поле допуска вала обозначается е8.

Если при заданном поле допуска отверстия вал выполняется с полем допуска 1, то получится гарантированное соединение с зазором. Вал с полем допуска 2 даёт переходную посадку, то есть возможен и зазор, и натяг. Вал с полем допуска 3 даст гарантированное соединение с натягом.

В системе отверстия допуск на отверстие располагается в теле детали.

Нижнее предельное отклонение равно 0.

Система отверстия является наиболее технологичной. В системе вала поле допуска вала располагается в теле вала.

Обозначение посадок и допусков на чертеже.

На сборочном чертеже ставится посадка и квалитет. На деталировке – допуск на изготовление.

24.02.05 - Лекция № 3.

Отклонения положения поверхностей.

Причинами возникновения отклонений являются погрешности обработки деталей.

Отклонения от формы.

Бывают отклонения от плоскости, от прямолинейности в плоскости, отклонения формы заданного профиля.

Зубчатые передачи.

U(передаточное отношение) = idem;

N(мощность) = idem.

1 – Ременная передача.

2 – Клиноременная передача.

3 – Цепная передача.

4 – Зубчатая передача.

Классификация зубчатых передач:

1. цилиндрические;

2. конические;

3. винтовые;

4. реечные.

В зависимости от расположения зуба:

1) прямозубые;

2) косозубые;

3) шевронные;

4) круговые.

В зависимости от профиля зуба:

1) эвольвентные;

2) циклоидальные;

3) Новикова.

В зависимости от конструктивного применения выполняют закрытые и открытые передачи. Закрытые передачи расположены в пылевлагонепроницаемом картере и работают в масляной ванне или смазываются принудительно. Открытые передачи не защищены от воздействия внешней среды, колёса работают «в сухую», смазка производится периодически консистентной смазкой. Профили зубьев пары колёс должны быть сопряжёнными.

Основные элементы и характеристики эвольвентного зацепления.

Окружности:

1. начальная – w ;

2. основная – b ;

3. делительная – - ;

4. вершин – a ;

5. впадин – f .

Окружной шаг – p .

Окружная толщина зуба - s_t.

Окружная ширина впадин - l_t:

s_t + l_t = p .

Модуль – m .

Длина активной линии зацепления.

Коэффициент торцевого перекрытия.

Скольжение при взаимодействии зубьев.

В процессе взаимодействия зубьев рабочие участки профилей одновременно катятся и скользят друг по другу. Большему изнашиванию подвержено основание (ножка) зуба, а меньшему – головка. Малое значение скорости скольжения в околополюсной зоне увеличивает коэффициент трения и создаёт условия для схватывания и выкрашивания поверхностей.

Точность зубчатых передач.

Существует 12 степеней точности (чем меньше цифра – тем выше точность).

6-я – высокоточные скоростные передачи;

7-я – нормальная точность с повышенными скоростями и умеренными нагрузками;

8-я – передачи общего машиностроения пониженной точности;

9-я – открытые тихоходные передачи.

Для каждой степени точности установлены:

1. норма кинематической точности;

2. норма плавности работы;

3. норма контакта зубьев.

Боковой зазор → необходим для предотвращения заклинивания зубьев при нагреве передачи, размещения смазочного материала и обеспечения свободного вращения колёс.

Зазор задают видом сопряжения:

1. нулевой зазор;

2. малый зазор;

3. уменьшенный зазор;

4. нормальный зазор;

5. увеличенный зазор.

КПД зубчатых передач.

Основные потери энергии обусловлены трением поверхностей зубьев и их деформацией. Смазка пары зубчатых колёс обеспечивает уменьшение потерь на трение, снижение износа, удаление продуктов износа, снижение контактных напряжений, уменьшение силы удара при вхождении зубьев в контакт, отвод тепла.

КПД зубчатых передач помимо трения рабочих поверхностей обусловлен:

1. способом смазки;

2. свойствами смазки;

3. шероховатостью рабочих поверхностей;

4. окружной скоростью;

5. числом зубьев.

Виды разрушения зубьев:

1. поломка зубьев (в результате действующих повторно-переменных напряжений в основании зуба образуются усталостные трещины; в этой зоне действуют максимальные напряжения, обусловленные изгибом; повышению прочности зуба способствует увеличение модуля, снижение концентрации напряжений в основании зуба, повышение точности изготовления и монтажа передачи);

2. усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зуба – основной вид разрушения зубьев для большинства закрытых и хорошо смазываемых передач (является следствием действия повторно-переменных контактных напряжений; развитию трещин способствует смазка, создающая эффект гидравлического клина → в результате поверхность зуба изнашивается, задирается и покрывается раковинами).

03.03.05 - Лекция № 4.

Изнашивание зубьев.

Это основной вид разрушения открытых передач и передач, работающих в среде образива. При изнашивании происходит изменение (утонение) профиля зубьев.

Заедание – перенос материала одного зуба на другой. Заедание является результатом разрушения смазочной плёнки, местного повышения температуры в зоне контакта, вырывания материала из одного зуба и переноса на другой.

Материалы для изготовления зубчатых колёс.

Для изготовления зубчатых колёс применяют стали, чугуны, пластмассы. Используют термически обрабатываемые стали (без термообработки легированные стали не используют, так как их механические свойства в сыром виде соответствуют механическим свойствам малоуглеродистых сталей низкого качества).

1-я группа – колёса с твёрдостью поверхности зуба < 350 НВ. Сталь с такой твёрдостью хорошо прирабатывается, не разрушается хрупко и применяется для слабо- и средненагруженных передач. Термообработка (улучшение) выполняется до нарезания зуба.

Углеродистые стали: 40 ; 45 ; 50Г.

Легированные стали: 40Х ; 45Х ; 40ХН.

Шестерня имеет твёрдость на 25 ÷ 50 НВ больше, чем твёрдость колеса. Это делается для предотвращения заеданий.

2-я группа – колёса, у которых твёрдость > 45 НRC (> 350 НВ).

Основной признак – высокая твёрдость поверхностного слоя и вязкая сердцевина зуба.

Этого можно достичь поверхностной закалкой (толщина слоя ≈ 2 мм) → для этого используют Сталь 45 ; 40Х ; 40ХН ; 35ХМ; → это условие может быть обеспечено за счёт использования цементации, азотирования и цианирования.

Цементация – процесс насыщения поверхности детали углеродом и последующей закалки.

Для цементации используются низкоуглеродистые стали: 20Х ; 12ХНЗА ; 18ХГТ.

Азотирование – процесс насыщения поверхности детали азотом. Основное преимущество – меньшее коробление деталей.

Эти передачи не прирабатываются, зубья нарезают до термообработки, потом следует отделка поверхности зуба (шлифование). Разность твёрдостей колеса и шестерни не требуется. Несущая способность по контактной прочности тем больше, чем выше твёрдость поверхности зуба.

Стальное литьё.

Для изготовления крупных колёс с d > 500 мм применяют стали

35Л … 55Л.

Термообработка – нормализация.

Чугуны → изготовление тихоходных открытых передач (СЧ20 … СЧ35). Эти передачи хорошо прирабатываются, плохо работают на изгиб.

Пластмассы → текстолит, капрон (применяются в основном в кинематических передачах).

Расчётная нагрузка.

При работе в зубчатых передачах возникают дополнительные нагрузки, связанные с условиями нагружения, точностью изготовления и жёсткостью валов и опор. В расчёте это учитывается умножением номинальной нагрузки на коэффициент нагрузки К: F_ном ∙ К ; М_ном ∙ К.

Условие прочности в общем виде имеет вид:

σ_расч ≤ [σ];

σ_расч = f(F...М, К).

При расчёте контактных напряжений используется индекс Н, а напряжений изгиба – F.

Величина коэффициента нагрузки К: К_Н = К_А ∙ К_НВ ∙ К_НV ∙ К_Нα , где

К_А – коэффициент, учитывающий внешнюю динамическую нагрузку;

К_НВ – коэффициент, учитывающий распределение нагрузки по длине контактной линии (1,1 ÷ 1,5);

К_НV – коэффициент, учитывающий внутреннюю динамику нагружения и зависящий от оценки точности изготовления передачи (1,1 ÷ 1,6);

К_Нα – коэффициент, характеризующий распределение нагрузки между зубьями (1,0 ÷ 1,6).

Для хорошо смазываемых зубчатых передач, работающих в закрытом корпусе, основными критериями работоспособности являются:

1. контактная прочность;

2. прочность при изгибе.

Контактная прочность – способность контактирующих поверхностей зубьев обеспечить требуемую безопасность против прогрессирующего усталостного выкрашивания. Размеры закрытой передачи определяются, исходя из расчёта на контактную прочность, а расчёт зубьев на изгиб является проверочным (его часто выполняют с целью определения возможности уменьшения величины модуля). Открытые передачи рассчитывают на контактную прочность с последующей проверкой работы на изгиб изношенного зуба.

Допускаемые напряжения.

Допускаемое контактное напряжение:

[σ]_н = (σ_Нlim ∙ Z_H ∙ Z_R ∙ Z_V) / [S]_н , где

σ_Нlim – предел контактной выносливости, который зависит от материала и от средней твёрдости поверхности зуба (значения получают экспериментально);

Z_H – коэффициент долговечности →

→ 2,6 – для однородного материала;

1,8 – для поверхностно-упрочнённого материала;

Z_R – коэффициент, учитывающий шероховатость сопряжённых поверхностей;

Z_V – коэффициент, учитывающий влияние окружной скорости;

[S]_н – коэффициент запаса прочности →

→ 1,1 – для однородного материала;

1,2 – для поверхностно-упрочнённого материала.

10.03.05 - Лекция № 5.

Расчёт на контактную прочность.

Контактная прочность – основной критерий работоспособности. При расчёте на контактную прочность рассматривается взаимодействие зубьев в полюсе, где происходит однопарное зацепление и возникает выкрашивание. Контакт зубьев рассматривается как контакт 2-х цилиндров, радиусы которых равны радиусам эвольвент в полюсе зацепления.

Формула Герца характеризует максимальные напряжения, возникающие при контакте 2-х цилиндров:

где

ν₁, ν₂ – коэффициенты Пуассона материалов соответственно 1-го и 2-го цилиндров (ν = 0,3 → для стали);

Е₁, Е₂ – модули упругости 1-го рода (2 ∙ 10⁵ МПа);

l_Σ – суммарная длина контактных линий;

- приведённый радиус.

При подстановке значений, соответствующих полюсу, получаем:

где

z_E – коэффициент, учитывающий механические свойства материала;

z_Н – коэффициент, учитывающий форму сопряжённых поверхностей;

z_ε – коэффициент, учитывающий суммарную длину контактных линий;

К_Н – коэффициент нагрузки;

U – передаточное отношение;

b₂ – ширина зуба колеса;

d₁ – диаметр делительной окружности шестерёнки;

F_t – тангенциальная сила.

При проектном расчёте определяют межосевое расстояние a_w. Условие контактной прочности выполняется при:

где

ψ_b – коэффициент ширины венца;

;

Результатом расчёта на контактную прочность является межосевое расстояние a_w, которое после определения округляется до ближайшего стандартного значения.