3.Основы выбора машиностроительных материалов и заготовок при конструировании деталей машин; учет технологических и экономических факторов.

При выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали. Эксплуатационные требования к материалу определяются условиями работы детали в механизме. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала: прочность - способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций, характеризуется пределом прочности, пределом текучести, условным пределом текучести, пределом выносливости, твердостью по Бринеллю НВ или Роквеллу HRCэ; износостойкость - способность материала сопротивляться износу, характеризуется твердостью НВ, HRCэ или допустимым удельным давлением qadm; жесткость - способность материала сопротивляться упругим деформациям, характеризуется при растяжении (сжатии) и изгибе модулем упругости Е, при кручении - модулем упругости G; упругость характеризуется пределом упругости и модулем упругости Е; антифрикционность характеризуется коэффициентом трения скольжения f; плотность; удельные характеристики - характеристики, приходящиеся на единицу массы; электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость, жаропрочность и др. Технологические требования к материалу определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами. При изготовлении деталей методами обработки давлением (штамповка, прессование и т.д.) учитывают пластичность - свойство материала получать без разрушения значительные остаточные деформации; при изготовлении литьем учитывают легкоплавкость и жидкотекучесть - заполняемость без пустот узких полостей различных форм; при изготовлении методами механической обработки учитывают обрабатываемость резанием. К технологическим требованиям относят также термообрабатываемость - способность материала изменять механические свойства при термической (закалка, отпуск, отжиг) и термохимической (цементация, азотирование и т.д.) обработках и свариваемость - способность материала образовывать прочные соединения при сварке. Экономические требования к материалу определяются его стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали. Например, при массовом и крупносерийном производствах дешевле изготавливать детали штамповкой, прессованием, с помощью литья, а при единичном или мелкосерийном производстве эти технологии из-за большой стоимости оснастки (штампы, пресс-формы, литейные формы) очень дороги, здесь выгоднее применять детали, полученные с помощью механической обработки. Выбор технологии изготовления детали влияет и на выбор материала.

4 . Понятие о предельных и допускаемых напряжениях и запасе прочности, их взаимосвязь; основы выбора значений.

Допускаемое (допустимое) напряжение – это значение напряжения, которое считается предельно приемлемым при вычислении размеров поперечного сечения элемента, рассчитываемого на заданную нагрузку. Можно говорить о допускаемых напряжениях растяжения, сжатия и сдвига. Надежность обеспечивается тем, что каждому элементу придают такие размеры, при которых максимальное рабочее напряжение в нем будет в определенной степени меньше напряжения, вызывающего потерю прочности этим элементом. Потеря прочности не обязательно означает разрушение. Машина или строительная конструкция считается отказавшей, когда она не может удовлетворительно выполнять свою функцию. Деталь из пластичного материала, как правило, теряет прочность, когда напряжение в ней достигает предела текучести, так как при этом из-за слишком большой деформации детали машина или конструкция перестает соответствовать своему назначению. Если же деталь выполнена из хрупкого материала, то она почти не деформируется, и потеря ею прочности совпадает с ее разрушением. Запас прочности. Разность напряжения, при котором материал теряет прочность, и допускаемого напряжения есть тот «запас прочности», который необходимо предусматривать, учитывая возможность случайной перегрузки, неточностей расчета, связанных с упрощающими предположениями и неопределенными условиями, наличия не обнаруженных (или не обнаружимых) дефектов материала и последующего снижения прочности из-за коррозии металла, гниения дерева и пр.

Коэффициент запаса.

Коэффициент запаса прочности какого-либо элемента конструкции равен отношению предельной нагрузки, вызывающей потерю прочности элемента, к нагрузке, создающей допускаемое напряжение. При этом под потерей прочности понимается не только разрушение элемента, но и появление в нем остаточных деформаций. Поэтому для элемента конструкции, выполненного из пластичного материала, предельным напряжением является предел текучести. В большинстве случаев рабочие напряжения в элементах конструкции пропорциональны нагрузкам, а поэтому коэффициент запаса определяется как отношение предела прочности к допускаемому напряжению (коэффициент запаса по пределу прочности). Так, если предел прочности конструкционной стали равен 540 МПа, а допускаемое напряжение – 180 МПа, то коэффициент запаса равен 3. Существуют два главных направления выбора напряжений и запасов прочности. Первое направление (в значительной мере устаревшее) заключается в предварительном выборе запаса прочности, установлении допу­стимых напряжений на основании этого запаса и определении сечений и моментов инерции деталей по формулам сопротивления материа­лов и теории упругости с учетом главных на­грузок на расчетном режиме (обычно режим максимальной мощности или частоты враще­ния). Метод применяют и в обратной последовательно­сти : сначала ориентировочно назначают размеры де­талей, затем делают проверочный расчет, определяя действующие в опасных сечениях напряжения, и в за­ключение находят запас прочности. Если последний соответствует установившимся традиционным ве­личинам, то расчет считают законченным, если нет, то размеры деталей корректируют. В данном методе все факторы, обусловли­вающие отклонения истинных напряжений от расчетных, суммарно входят в запас прочно­сти, который вследствие этого приобретает большое числовое значение. Второе, современное направление стремится к полному и точному выяснению фактических напряжений, действующих в детали. В помощь аналитическому определению напряжений привлекают экспериментальные методы. Со­четание аналитических и экспериментальных методов позволяет более точно установить распределение напряжений. По мере совер­шенствования и уточнения расчетных методов число неизвестных факторов уменьшается, а число определяемых увеличивается. В числе неопределимых факторов остаются внутренние напряжения, вызываемые макро-и микродефектами структуры, а также напря­жения, возникающие из-за Неточностей изгото­вления и монтажа. Эти факторы необходимо учитывать при установлении запаса прочно­сти. Кроме того, в запасе прочности должна быть отражена степень ответственности дета­ли и возможные последствия ее поломки. Если поломка детали сопряжена с опасностью ава­рии и выхода из строя машины, то запас прочности увеличивают.

5. Определение допускаемых напряжений с учетом числа циклов нагружения детали(на примере зубчатых передач). Влияние режима нагружения.

Расчет допускаемых контактных напряжений

Расчет допускаемых контактных напряжений производят исходя из следующих предпосылок. Согласно графику усталостно-контактного нагружения в области малоцикловой контактной усталости существует обратно пропорциональная зависимость между величиной и количеством циклов до разрушения. Указанная тенденция сохраняется до тех пор, пока величина напряжения в контакте не снизится до значения предельного контактного напряжения. При этом материал может работать бесконечно долго.

Расчет допускаемых контактных напряжений проводят по следующим формулам:

(3.1)

(3.2)

где - допускаемые контактные напряжения для материала ведущей и ведомой шестерни соответственно, Мпа;

- предельные значения допускаемых контактных напряжений для материала ведущей и ведомой шестерни соответственно, Мпа.

= 1,8НВ+67= 1,8*290+67= 589МПа

= 1,8НВ+67= 1,8*250+67= 517Мпа

K_HL1, K_HL2 - коэффициенты долговечности для материала ведущей и ведомой шестерни соответственно.

Коэффициенты долговечности по своей сути позволяют дифференцированно подойти к шестерне и колесу с учетом их реальной нагрузки и числа циклов нагружения за весь период службы.

Коэффициенты долговечности можно рассчитать по формуле:

(3.3)

(3.4)

где N_H01, N_H02 - базовое количество циклов для материала ведущей и ведомой шестерни соответственно, цикл;

N_H01= 20*10⁶ ; N_H02= 125*10⁶ ;

N_H1, N_H2 - число циклов нагружения контактными нагрузками ведущей и ведомой шестерни соответственно.

N_H1=L_h*n₁*60*K_рев (3.5)

N_H2=L_h*n₂*60*K_рев (3.5)

где L_h - моторесурс (чистое время работы) проектируемой передачи, час;

n₁, n₂ - частоты вращения ведущей и ведомой шестерни соответственно, об/мин;

K_рев - коэффициент реверсивности, K_рев=1.

Моторесурс можно рассчитать по формуле:

L_h=L_год*365*К_год*24*К_сут*ПВ

где L_год - число лет работы привода, L_год=10;

К_год - коэффициент годового использования, К_год=РД/365,

РД - число рабочих дней в году, РД=200,

К_год=200/365=0,55;

К_сут- коэффициент суточного использования, Ксут=РЧ/24,

РЧ - число часов работы в сутки, РЧ=8,

К_сут=8/24=0,33;

ПВ - коэффициент продолжительности включения в течение часа,

ПВ=РМ/60, РМ - число минут работы в час, РМ=60, ПВ=60/60=1.

Подставляя данные в (3.7), получим:

L_h=10*365*0,55*24*0,33*1=15899,4 часов.

Подставляя данные в (3.5), (3.6), получим:

N_H1=15899,4*5,29*60*1,

N_H1=15899,4*2,11*60*1.

Подставляя данные в (3.3), (3.4), получим:

Подставляя данные в (3.1), (3.2), получим:

Характеристики цикла при переменных напряжениях в деталях машин

Многие детали машин или их элементы, такие, как валы, зубья зубчатых колес и другие, работают в условиях, когда возникающие в них напряжения периодические изменяют свое значения или значение и знак.

По характеру изменения во времени нагрузки в машинах делят на постоянные и переменные.

Постоянные нагрузки могут вызывать переменные напряжения. Так, при вращении вала, нагруженного изгибающим моментом, один и те же волокна его оказываются попеременно то в растянутой, то в сжатой зоне. Так же поочередный вход в зацепление зубьев колес вызывает в них изменение напряжений.

Причиной изменения напряжений может быть и переменный характер действия внешней нагрузки. Переменность нагрузки, например, автомобиля может связана: с загрузкой (автомобиль может ехать с полной загрузкой, с частичной или без груза), с рельефом местности (езда под гору, по ровной местности, в гору), с видом и качеством дорожного полотна или грунта (грунтовая дорога, асфальт, булыжная мостовая), с остановом и разгоном у светофора, с квалификацией водителя и т.д. Каждый из этих факторов может изменять нагрузку в несколько раз.

Характеристикой напряженности детали является цикл напряжений - совокупность последовательных значении напряжений за один период при регулярном нагружении. В случае действия касательных напряжении остаются в силе все приведенные ниже термины и соотношения с заменой на . Продолжительность одного цикла нагружения называют периодом и обозначают Т (рис.1). Напряжения с одним максимумом и одним минимумом в течение одного периода при постоянстве параметров цикла называют регулярным нагружением.

6. Перечень и характеристика основных критериев работоспособности деталей машин. Примеры их использования в расчетах.

Совершенство конструкции деталей оценивают по их надежности и экономичности. Под надежностью понимают вероятность безотказного выполнения деталью своих функций в течение заданного срока службы без внеплановых ремонтов, котороя оценивается коэффицентом Кн: , (1) где К_н - коэффициент надежности детали; Nб - число случаев безотказной работы в данной партии одинаковых деталей в идентичных условиях; N - число деталей в партии. Коэффициент надежности сложной машины равен произведению коэффициентов надежности отдельных деталей машин: КнΣ = Кн1∙Кн2∙Кн3∙...∙Кнi . (2) Для того чтобы быть надежными детали, прежде всего, должны быть работоспособными. Работоспособность - это такое состояние деталей машин, в котором они могут выполнять свои функции в пределах технических требований. Работоспособность деталей машин при их расчете оценивается следующими основными критериями: прочностью, жесткостью, износостойкостью, теплостойкостью, вибростойкостью и др. 1.1. Прочность - является основным критерием работоспособности для большинства деталей. Расчет на прочность сводится к определению таких размеров и форм деталей, при которых исключается возможность возникновения опасных деформаций, поломок или поверхностных разрушений. Расчет на прочность производят по коэффициенту запаса прочности ; , (3) где [σ] - допускаемое напряжение, Н/мм²; -предельное напряжение, Н/ мм²; [n]- допускаемый коэффициент запаса для общего машиностроения, принимают [n] = 1,2... 1,5. Поэтому важное значение имеет правильный выбор коэффициента запаса прочности. Обычно применяется метод академика Серенсена: n= n1∙n2∙n3∙n4. (4) где n1 - коэффициент, учитывающий надежность материала; n2 - коэффициент, учитывающий условия работы деталей; n3 - коэффициент, учитывающий точность расчета; n4 - коэффициент, учитывающий степень соответствия образцов: 1.2. Жесткость - характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Такими условиями могут быть; условия сопряженных деталей (например, качество зацепления зубчатых колес и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов); технологические условия (например, точность и производительность обработки на металлорежущих станках в значительной степени определяются жесткостью станка и обрабатываемой детали). Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Значение расчетов на жесткость возрастает в связи с широким внедрением высокопрочных сталей, у которых увеличиваются характеристики прочности (σ_B, σ_-1), а модуль упругости Е (характеристика жесткости) остается почти неизменным. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры, полученные из расчетов на прочность, оказываются недостаточными по жесткости. 1.3 Износостойкость - способность сопротивляться абразивному и усталостному изнашиванию, вызывающим постепенное уменьшение размеров и изменение формы деталей. При этом могут иметь место следующие нарушения: 1. Снижение К.П.Д. 2. Увеличение утечек через зазоры. 3. Снижение прочности из-за уменьшения поперечных сечений, неравномерного износа опор, увеличения динамичности нагрузок. 1.4 Теплостойкость - способность деталей работать при высоких и низких температурах. Теплостойкость особенно имеет значение для деталей машин, работа которых связана с большим тепловыделением (Д.В.С., тормоза, муфты, сцепления). При этом возникают отрицательные явления: 1. Понижение несущей способности деталей (понижение основных механических характеристик, потеря пластичности и т.п.). 2. Понижение защитной способности масляного слоя, повышенный износ и заедание. 3. Изменение зазоров в подвижных соединениях. 4. Снижение коэффициента трения (опасно для тормозов). 5. Снижение точности (у процезионных деталей). Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, выполняют тепловые расчеты и, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение). 1.5 Вибороустойчивость - способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов в пределах допускаемых колебаний. Основной задачей расчета на виброустойчивость является выбор такой жесткости, при которой небудет опасности возникновения резонанса. "Авторезонанс" имеет и положительное значение. Вибрация вызывает дополнительные переменные напряжения, как правило, приводит к усталостному разрушению деталей. В некоторых случаях вибрация снижает качество работы машины. Например, вибрация в металлорежущих станках снижает точность обработки и ухудшает качество поверхности обрабатываемых деталей. Вредное влияние вибраций проявляется также и вследствие увеличения шумовых характеристик механизмов. В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает, поэтому расчеты на колебания приобретают все большее значение. ^ 1.6 Одним из требований, предъявляемым к машинам и их деталям является технологичность конструкций, которая значительно влияет на стоимость машины. Технологичность деталей - это способность обеспечить наибольшую простоту и экономичность их изготовления. 1.7 Снижение массы машин (металлоемкость) по агротехническим требованиям.

7. Характеристика факторов, влияющих на усталостную прочность деталей машин; учет их в расчетах деталей.

Как показывает практика, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «усталостным». Материал как бы «устает» под действием многократных периодических нагрузок.

Усталостное разрушение – разрушение материала под действием повторно-переменных напряжений.

Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин в материале и разрушению.

Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному разрушению.

Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.

  Одним из основных факторов, которые необходимо учитывать при практических расчетах на усталостную прочность, является фактор местных напряжений.

Основным показателем местных напряжений является теоретический коэффициент концентрации напряжений:

 При расчетах на усталостную прочность наличие местных напряжений учитывается путем введения поправок в числовые значения координат рабочей точки ( р. т.) на диаграмме усталостной прочности. Так, если расчет детали по номинальным напряжениям дает характеристики цикла и , то с учетом местных напряжений следует соответственно принять значения координат рабочей точки в виде и , где принимается обычно равным единице.

   Из всего изложенного следует, что наличие концентрации напряжений снижает усталостную прочность детали. Поэтому при проектировании машин следует стремиться к тому, чтобы влияние местных напряжений было сведено к минимуму. Достигается это, прежде всего, конструктивными мерами. Для ответственных деталей, работающих в условиях циклических напряжений, внешние обводы стремятся сделать возможно более плавными, радиусы закругления во внутренних углах увеличивают, необходимые отверстия располагают в зоне пониженных напряжений и т. д.

Влияние состояния поверхности и размеров детали на усталостную прочность

   Так как при циклических напряжениях начало разрушения связано с образованием местной трещины, понятна та роль, которую играет в усталостной прочности детали состояние ее поверхности. Совершенно очевидно, что в случае чистой и тонко обработанной поверхности предел усталости возрастает. При грубой обработке наличие мелких поверхностных дефектов приводит к снижению показателей усталостной прочности. При этом для материалов, обладающих большой чувствительностью к местным напряжениям, влияние состояния поверхности будет более заметным.

   При расчетах на усталостную прочность особенности, связанные с обработкой поверхности детали, учитываются коэффициентом качества поверхности:

где ,—предел усталости, полученный на образцах, имеющих стандартную обработку поверхности. В качестве таковой — принимаете» обычно шлифовка. предел выносливости для образцов, состояние поверхности которых соответствует состоянию поверхности рассчитываемой детали.

8. Резьбовые соединения: конструкции, характеристики. Нагрузки в затянутом резьбовом соединении.

Резьбовое соединение — разъёмное соединение деталей машин при помощи винтовой или спиральной поверхности (резьбы). Это соединение наиболее распространено из-за его многочисленных достоинств. В простейшем случае для соединения необходимо закрутить две детали, имеющие резьбы с подходящими друг к другу параметрами. Для рассоединения (разьёма) необходимо произвести действия в обратном порядке.

В резьбовых соединениях используется метрическая и дюймовая резьба различных профилей в зависимости от технологических задач соединения.