1.2. Основные критерии, определяющие работоспособность элементов конструкций

Основными критериями работоспособности механических устройств являются: прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость и др. Указанные критерии оцениваются в ходе соответствующих расчетов. В практике проектирования применяются проектные и проверочные расчеты.

Под проектным расчетом понимается расчет новых деталей, размеры которых еще не известны. Обычно при проектировочных расчетах число неизвестных превышает число уравнений, которыми располагает проектировщик. Численными значениями недостающих неизвестных задаются, используя существующие рекомендации, и определяют приближенное значение искомого параметра по упрощенным расчетным зависимостям.

Проверочные расчеты применяются для вычисления действительных запасов прочности в опасных сечениях или допустимых нагрузок при условии, что форма и размеры деталей известны. Поэтому для проверочных расчетов применяют уточненные расчетные формулы.

В реальном проектировании, как правило, с помощью проектных расчетов предварительно намечают основные размеры, а затем, используя проверочные расчеты, окончательно корректируют намеченные размеры и форму деталей. При проектировании механических узлов материалы, форма и размеры деталей должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы исключить возникновение недопустимых деформаций, поломку деталей или разрушение ее рабочих поверхностей.

Прочность детали обеспечена, когда расчетные нормальные или касательные напряжения в её опасных сечениях не превышают допустимых [ ] или [ ].

Условия прочности выражается зависимо­стью или

При проверочном расчете, когда форма и размеры детали заранее намечены (известны), определяются напряжения в опасных сечениях детали по формулам:

при растяжении, сжатии и смятии

при срезе

при изгибе

при кручении

В этих формулах:

F -сила, деформирующая деталь;

А - площадь сечения детали;

А_ср - площадь среза детали;

– соответственно моменты

сопротивления сечений деталей при изгибе, при кручении, площадь сечения для круглого сечения; d -диаметр круглого сечения детали.

Для деталей не круглого сечения прокатных профилей эти параметры приведены в таблицах справочников.

При проектном расчете, если размеры опасных сечений деталей заранее не назначены (неизвестны), то их определяют на основе выбранного допускаемого напряжения. Формулы для определения размеров опасных сечений деталей получаются посредством преобразования формул, приведенных выше. Так, для круглого сечения

Для выбора допускаемых напряжений широко используются специальные таблицы, составленные на основе экспериментальных данных.

Жесткость - способность детали сопротивляться изменению формы (деформации) под действием нагрузки. Оценка жесткости детали определяется сопоставлением расчетной величины деформации с ее допускаемым значением (прогиб f, угол наклона на опоре β, угол закручивания φ и др.). Жесткость детали характеризуется коэффициентом жесткости С, под которым понимают отношение силового фактора (силы или момента) к вызванной им деформации.

При высоких скоростях звеньев механизма могут возникнуть вибрации, которые приводят к усталостному разрушению детали и часто сопровождаются шумом. При вибрациях особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае, когда частота собственных колебаний детали совпадает с частотой изменения периодических сил, вызывающих вибрации, так как при этом резко возрастает амплитуда колебаний и может произойти разрушение детали.

Причинами появления вибрации являются: неуравновешенность деталей механизма, большие зазоры между сопряженными деталями, неточность изготовления, недостаточная жесткость, периодическое изменение сил и другие причины.

Под виброустойчивостью конструкции понимают ее способность работать без недопустимых колебаний в требуемом диапазоне изменения режима эксплуатации.

Износом называют процесс постепенного изменения формы и размеров соприкасающихся деталей за счет трения.

Износостойкость - сопротивление деталей изнашиванию - оценивается по значению удельного давления [р] на поверхности трения и по величине [рv], пропорциональной работе сил трения, v - скорость скольжения. Значения [р] и [рv] приводятся в справочной литературе.

Теплостойкость. В процессе эксплуатации механизмов происходит выделение тепла, вызываемое рабочим процессом и трением сопряженных деталей. Для нормального функционирования многих машин и приборов необходимо обеспечить определенный температурный режим, так как обильное тепловыделение и плохой отвод тепла могут привести к различным неполадкам и неисправностям. Так, при повышении температуры стальных деталей свыше 300 – 400 , а деталей из легких сплавов и пластмасс до 100-150 наблюдается понижение их нагрузочной способности. Выделяемое тепло ухудшает свойства применяемых смазок. Даже небольшое изменение температуры деталей механизма приводит к появлению температурных деформаций, изменяющих размеры деталей.