Раздел 4 Детали машин и механизмов Тема 4.1 Основные понятия и определения Требования к знаниям и умениям студентов

Должны иметь представление: об истории развития машиноведения и деталей машин; о современном состоянии и основных тенденциях развития машиностроения; о связи раздела с теоретической механикой, теорией механизмов и машин, сопротивлением материалов и другими общетехническими и специальными предметами, об объектах изучения деталей машин: машине и механизме, детали, сборочной единице, конструкции; о технологичности конструкций машин и деталей.

Должны знать: цели и задачи раздела «Детали машин» в системе технической и конструкторской подготовки специалиста технического профиля, классификацию машин в зависимости от их назначения, классификацию сборочных единиц и деталей; требования, предъявляемые к машинам, сборочным единицам и деталям, типы стандартов, принцип определения контактных напряжений (формула Герца); пути повышения контактной прочности.

Должны уметь: классифицировать машины, механизмы, сборочные единицы и детали, анализировать условия работы простейших механизмов и машин; применять формулу Герца при определении контактных напряжений.

Содержание учебного материала

Звено, кинематическая пара, механизм. Машина. Классификация машин. Основные критерии работоспособности машин и деталей.

Требования, предъявляемые к машинам, деталям машин.

Методические рекомендации

Детали машин – это техническая дисциплина, в которой изучают методы, правила и нормы расчета и конструирования типовых деталей и сборочных единиц машин. Детали машин, синтезируя достижения математических и технических наук с результатами лабораторных и следований и практики применения различных машин, служат теоретической основой машиностроения.

Целью курса “Детали машин” является развитие инженерного мышления с точки зрения изучения и совершенствования современных методов, правил и норм расчета и конструирования (проектирования) деталей и сборочных единиц машин общего назначения (болты, гайки, валы, зубчатые колеса, подшипники и др.).

Задачи курса “Детали машин” – привить навыки расчета и конструирования типовых деталей и сборочных единиц машин общего назначения, научить рационально выбирать материал и форму деталей, правильно назначать степень точности и качество обработки поверхностей, выполнять расчеты на прочность, жесткость, устойчивость, износостойкость и т.д., исходя из заданных условий работы деталей в машине.

Курс “Детали машин” тесно связан с рядом общетехнических и общеобразовательных предметов: математикой, которая дает законы и правила действий над постоянными и переменными величинами, указывает количественные соотношения между элементами фигур и тел (длин, площадей и объемов), воспитывает и прививает строгость и последовательность аналитического мышления; физикой, освещающей основные законы природы и знакомящей с общими правилами и методами эксперимента; теоретической механикой и теорией механизмов и машин, правила и 0законы которых позволяют действующие на деталь силы и законы движения деталей; сопротивлением материалов, позволяющим рассчитывать детали на прочность, жесткость и устойчивость; материаловедением; технологией металлов и неметаллических материалов, сообщающих необходимые сведения о рациональном выборе материала детали и методах ее изготовления; техническим черчением, дающим правила и законы оформления чертежей конструкций машин, отдельных деталей и сборочных единиц на листе бумаги.

Машиной называют устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов, движения или для накопления и переработки информации с целью повышения производительности, замены или облегчения физического и умственного труда человека.

Следует обратить внимание, что машины делят в основном на три большие группы: машины-двигатели, рабочие машины и машины-преобразователи. Машины-двигатели – энергетические машины, предназначенные для преобразования энергии любого вида в энергию движения исполнительных органов рабочих машин. К таким машинам относят электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и т.п. Рабочие машины предназначены для облегчения и замены физического труда человека по изменению формы, свойств, состояния, размера и положения обрабатываемых материалов, а также для облегчения и замены его логической деятельности при выполнении расчетных операций и операций контроля и управления производственными процессами. К рабочим машинам относят транспортные средства и технологическое оборудование. Машины-преобразователи – информационные машины, предназначены для преобразования информации. Это, прежде всего счетные и вычислительные машины.

Основу большинства машин составляют механизмы. Механизмом называют систему тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. Простейшей частью механизма является звено. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, называют кинематической парой. Обратите внимание, что кинематические пары бывают высшие и низшие.

Любая машина состоит из деталей и сборочных единиц. Деталь – это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций (болт, вал, гайка, зубчатое колесо и т.д.). Сборочная единица – это изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сваркой, склеиванием и т.п.), например подшипники, муфта, редуктор и др.

Необходимо запомнить, что все детали и сборочные единицы общего назначения делятся на три группы:

1. соединительные детали и соединения (сварные, резьбовые, шпоночные и др.),

2. передачи вращательного движения (ременные, зубчатые и др.),

3. детали и сборочные единицы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.).

Далее необходимо изучить требования, предъявляемые к машинам и их деталям: удобство и безопасность обслуживания; экономичность в изготовлении и эксплуатации; соблюдение правил эстетики.

При конструировании, изготовлении и эксплуатации машин экономические вопросы всегда должны стоять на одном из первых мест. Большое значение для удешевления машин имеет стандартизация – процесс установления и применения стандартов. Все детали и сборочные единицы должны удовлетворять требования стандартов по всем показателям. Благодаря стандартизации снижается стоимость изготовления, эксплуатации и ремонта машин, сокращаются сроки проектирования, и повышается надежность (рекомендуется изучение типов стандартов).

Следующее понятие технологичность – это основа экономичности конструкции. Технологичной называют такую конструкцию, которая обеспечивает заданные эксплуатационные показатели при наименьших затратах времени, труда, материалов и средств на ее создание в конкретных условиях данного производства. Удовлетворение требованиям технологичности является одним из важных условий создания экономически выгодных машин. Обратите внимание, за счет чего достигается технологичность деталей.

Следует знать, что работоспособность некоторых деталей (например, зубчатых колёс, подшипников и др.) определяется не общей их прочностью, а прочностью их рабочих поверхностей, т.е. контактной прочностью. В этом случае разрушение поверхностей деталей вызывается действием контактных напряжений. Обратите внимание, что контактными называются напряжения, возникающие в месте контакта двух деталей, когда размеры площадки контакта малы по сравнению с размерами деталей. Эти напряжения имеют местный характер и быстро убывают по мере удаления от зоны контакта, поэтому они не влияют на общую прочность.

Отметьте, что при отсутствии нагрузки две детали могут соприкасаться в точке или по линии, т. е. иметь начальный контакт точечный или линейный. Под нагрузкой начальный контакт переходит в контакт по весьма узкой площадке с высокими контактными напряжениями. Рассмотрите контакт двух цилиндров с параллельными осями, сжатых силой. При этом точки наибольших контактных напряжений располагаются по средней линии полосы контакта. Значение этих напряжений вычисляют по формуле Герца. Рассмотрите и запомните эту формулу.

Следует знать, что при вращении цилиндров каждая точка их поверхности нагружается только в период прохождения зоны контакта. Это вызывает переменные контактные напряжения, которые приводят к усталости поверхностных слоёв деталей. На поверхности образуются микротрещины. Если деталь работает в масле, то оно проникает в трещины. Попадая в зону контакта, трещина закрывается, а находящееся в ней масло испытывает высокое давление, что способствует расширению и углублению трещин. И так повторяется до тех пор, пока не произойдёт выкрашивание кусочка металла, нависающего над трещиной. В результате выкрашивания на поверхности деталей появляются мелкие раковины. Отметьте, что подобное повреждение наблюдается у фрикционных, зубчатых, червячных и цепных передач, работающих в масле, а также у подшипников качения. Выкрашивание не наблюдается, если значение контактных напряжений не превышает допускаемых.

Обратите внимание, что для предупреждения усталостного разрушения поверхностей деталей ограничивают контактные напряжения, повышают твёрдость, степень точности этих деталей.

Формула Герца представляет практический интерес, так как является исходной при расчёте фрикционных, зубчатых и червячных передач на контактную прочность.

[ 1 ] §§ 82-85; [ 2 ] §§ 3.1-3.4.