Часть II. Детали машин и основы конструирования

Цель курса «Детали машин и основы конструирования» (ДМ и ОК) состоит в том, чтобы исходя из функционального назначения машины определить методы, нормы и правила проектирования её составных частей с учётом рациональных материалов, размеров, форм и взаимного расположения поверхностей, квалитетов точности и шероховатости поверхности, а также соответствия нормам технической документации.

При изучении курса «ДМ и ОК» инженер (студент) выступает как конструктор, что означает – исходя из назначения машины он должен спроектировать все составные её части, что предполагает рассчитать размеры и изобразить (рабочая документация) составные части для изготовления, а также выбрать (назначить) стандартные изделия и выполнить сборочный чертеж машины в целом.

Объект изучения курса «ДМ и ОК» – машина и её составные части.

8 Основы проектирования деталей машин

8.1 Составные части машины

Машины состоят из деталей и сборочных единиц (узлов). Деталью называется составная часть машины, изготовленная из однородного материала без сборочных операций.

Сборочная единица или узел – изделие, состоящее из нескольких деталей с применением сборочных операций.

Детали и узлы машин делятся на специальные и общего назначения. Специальные детали и узлы применяются в одной или нескольких группах машин (поршень ДВС, шпиндель станка, гребной винт и т. д.). Детали и узлы общего назначения используются в большинстве или во всех группах машин. В свою очередь они делятся на:

1. Соединения и соединительные детали (разъёмные и неразъёмные).

2. Механические передачи (зубчатые, ремённые, цепные и т. д.).

3. Детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, оси, подшипники скольжения и качения и механические муфты).

Курс «ДМ и ОК» изучает детали и узлы общего назначения. При проектировании составных частей машин конструктор должен придерживаться определенных требований.

8.2 Основные критерии работоспособности и расчёта деталей машин

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции в пределах, заданных нормативно-технической документацией. Для оценки работоспособности деталей машин используются следующие критерии:

Прочность – способность деталей и узлов машин сопротивляться разрушению. Основные методы оценки прочности:

1. Сравнение расчётных (рабочих) напряжений, возникающих при действии эксплуатационных нагрузок, с допускаемыми напряжениями. Условие прочности рассчитываемой детали в этом случае определяется неравенством

(8.1)

или

, (8.2)

где σ и [σ] – соответственно расчётное и допускаемое нормальные напряжения; τ и [τ] – рабочее и допускаемое касательные напряжения.

2. Сравнение действительного коэффициента запаса прочности s для рассматриваемой детали с допускаемым коэффициентом запаса прочности [s]. Условие прочности при этом определяется неравенством

. (8.3)

Практически расчёт по допускаемым напряжениям обычно выполняют как проектировочный для определения требуемых размеров.

Кроме проектировочного расчёта выполняют уточнённый проверочный расчёт с учётом концентраторов напряжений, масштабного факторов и т. д.

Жёсткость – способность деталей воспринимать действующую нагрузку без появления недопустимых деформаций.

Различают объёмную (собственную) и контактную жёсткость деталей машин. Расчёты на объёмную жёсткость производят по зависимостям, известным из курса сопротивления материалов, а на контактную жёсткость – по теории контактных напряжений и деформаций.

Устойчивость – критерий работоспособности длинных и тонких стержней, а также тонких пластин и оболочек. Потеря устойчивости происходит при достижении нагрузкой критического значения, что приводит к изменению заданной формы или размеров рассчитываемой детали. Расчёт устойчивости производят по формулам сопротивления материалов.

Износостойкость – стойкость деталей машин против различного рода износа. Это важнейший критерий трущихся деталей, т. е. работающих в паре. До 90 % всех деталей и узлов машин выходят из строя из-за различного рода износа.

Вопросы изнашивания рассматривают в курс триботехника, который изучает виды износа и их характеристику, меры защиты от износа, классификацию смазочных материалов и их обозначение. Основной вид износа деталей машин – абразивный, который заключается в попадании из внешней среды частиц (абразивов), твёрдость которых выше, чем твёрдость трущихся материалов. Это приводит к изменению размеров, формы и массы деталей машин.

Меры борьбы с износом: оптимизация смазочных материалов, улучшение способов очистки смазок и защиты (уплотнений) трущихся поверхностей, повышение износостойкости материалов пар трения.

Виброустойчивость – способность конструкции воспринимать нагрузки без недопустимых колебаний в определённом диапазоне частоты – важнейший критерий быстроходных деталей машин. Вибрации вызывают повышение шума, колебаний частей машины, что может вызвать их разрушение. Расчёты на виброустойчивость производятся по специальной теории колебаний.

Теплостойкость – способность деталей и узлов машин воспринимать нагрузки без чрезмерного нагрева. Работа некоторых машин и их составных частей сопровождается повышенным тепловыделением (тепловые двигатели, червячные передачи, подшипники скольжения и т. д.). Это снижает работоспособность деталей машин и ухудшает качество их работы. Поэтому в данных машинах необходимо выполнять тепловые расчёты.

Экономичность – обеспечение минимальной себестоимости изготовления изделия. В структуру себестоимости входят затраты на материалы, оборудование, технологическую оснастку, заработную плату и начисления на неё и т. д. Расчёт себестоимости производится по известным зависимостям экономической теории.

Технологичность – свойство конструкции изделия быть изготовленным с минимальными затратами. При разработке деталей и узлов машин конструктор должен создать их устройство таким, чтобы оно было как можно простым, дешевым при изготовлении и удобным при использовании.

Эстетичность (технический дизайн) – придание изделию красивого внешнего конкурентоспособного вида. В настоящее время вопросы дизайна занимают важное место при изготовлении машин. Потребитель первоначально оценивает внешний вид изделия, а потом его характеристики.

При проектировании машин конструктор должен принимать во внимание перечисленные критерии работоспособности. Однако все их закладывать в составные части машин нет необходимости. Исходя из назначения и условий работы каждой части машин необходимо выбирать важнейшие из этих критериев, что определяется опытом и квалификацией конструктора.

Долговечность – свойство конструкции изделия сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Важный показатель долговечности – срок службы или технический ресурс, который может измеряться во временных показателях (часы, месяцы, годы и т. д.), числе циклов нагружения, километрах пробега и т. д.

Детали и узлы машин могут быть работоспособны, долговечны, но не надежны.

Надёжность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в нужных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. К основным показателям надёжности относятся отказ, безотказность, сохраняемость, ремонтопригодность, вероятность безотказной работы. Более подробно эти характеристики изучаются в отдельном курсе – «Основы теории надёжности».