1) Дать определение детали, сборочного узла, изделия, машины. Основные этапы проектирования деталей машин.

Сборочная единица (узел) - изделие или часть его (часть машины), составные части которого подлежат соединению между собой (собира­ются) на предприятии изготовителе (смежном предприятии). Сборочная единица имеет, как правило, определенное функциональное назначение.

Деталь - наименьшая неделимая (не разбираемая) часть машины, агрегата, механизма, прибора, узла.

Сборочные единицы (узлы) и детали делятся на узлы и детали общего и специального назначения.

Узлы и детали общего назначения применяются в большинстве совре­менных машин и приборов (крепежные детали: болты, винты, гайки, шай­бы; зубчатые колеса, подшипники качения и т.п.). Именно такие детали изу­чаются в курсе деталей машин.

К узлам и деталям специального назначения относятся такие узлы и детали, которые входят в состав одного или нескольких типов машин и при­боров (например, поршни и шатуны ДВС, лопатки турбин газотурбинных двигателей, траки гусениц тракторов, танков и БМП) и изучаются в соответ­ствующих специальных курсах (например, таких как "Теория и конструкция ДВС", "Конструкция и расчет гусеничных машин" и др.).

Машина (от латинского machina) - механическое устройство, выполняющее движения с целью преобразования энергии, материалов или информации.

Основное назначение машин - частичная или полная замена производ­ственных функций человека с целью повышения производительности, облегчения человеческого труда или замены человека в недопустимых для него условиях работы.

В зависимости от выполняемых функций машины делятся на энерге­тические, рабочие (транспортные, технологические, транспортирующие), информационные (вычислительные, шифровальные, телеграфные и т.п.), машины-автоматы, сочетающие в себе функции нескольких видов машин, включая информационные.

. Изде́лие, согласно ГОСТ 2.101-68, — предмет или набор предметов, изготовляемых на предприятии.

Изделие является результатом производственного процесса.

Проектирование изделия включает в себя следующие этапы: 

1. выбор формы детали; 

2. назначение материала; 

3. составление расчетной схемы; 

4. определение (расчетом) размера наиболее нагруженного сечения; 

5. конструктивное задание остальных размеров детали; 

6. разработка рабочих чертежей детали. 

2) Критерии работоспособности деталей машин (прочность, жёсткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость, вибростойкость).

Работоспособность - состояние изделия, при котором в данный момент времени его ос­новные параметры находятся в пределах, уста­новленных требованиями нормативно-технической документации и необходимых для выполнения его функциональной задачи.

Прочность – это способность детали сопротивляться разрушению или потере формы под действием приложенных к детали нагрузок. Этому критерию должны удовлетворять все детали и узлы.

Жёсткость — это способность конструктивных элементов сопротивляться деформации при внешнем воздействии. Характеристика обратная податливости (гибкости при деформации изгиба). Не следует путать с твёрдостью.

Основной характеристикой жёсткости является коэффициент жёсткости, равный силе, вызывающей единичное перемещение в характерной точке (чаще всего в точке приложения силы).

Износостойкость – это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Износостойкость зависит от состава и структуры обрабатываемого материала, исходной твёрдости, шероховатости и технологии обработки детали, состояния ответной детали. Также существуют методы повышения износостойкости деталей благодаря нанесению специального износостойкого покрытия на поверхность детали. При этом износостойкость детали без покрытия может быть намного ниже, чем у детали с износостойким покрытием.

Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях. Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии.

Теплостойкость — способность материалов сохранять жёсткость и другие эксплуатационные свойства при повышенных температурах.

Потеря жёсткости вызывается плавлением кристаллических структур, или переход аморфных тел в высокоэластичное состояние.

Чаще всего понятие теплостойкости используется по отношению к полимерам.

Виброустойчивость — способность изделия выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах значений, предъявляемых к этому изделию, в условиях воздействия вибрации в заданных мерах.

Виброустойчивость является одним из видов стойкости изделий к воздействию механических внешних воздействующих факторов.

3) Выбор материалов для изготовления деталей машин

Выбирая материал, учитывают следующие факторы:

·     соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, жесткость, износостойкость и др.);

·     весовые и габаритные требования;

·     требования, связанные с назначением детали и  условиями её экс­плуатации (коррозионную стойкость, фрикционные, электроизоляционные свойства и др.);

·     соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намеченному способу изготовления детали (свариваемость, литейные свойства, штампуемость, обрабатываемость резанием и др.);

·     стоимость и дефицитность материала.

Например, детали, размеры которых определяются условиями прочности, изготавливают из материалов с высокими прочностными характеристиками: улучшаемые или закаливаемые стали, чугуны повышенной прочности. Детали, размеры которых определяются жесткостью, выполняют из материалов с высоким модулем упругости: термически необработанные стали, чугуны. Для деталей, подверженных большим упругим перемещениям, например, пружин, рессор, применяют закаливаемые до высокой твердости стали, резину, пластмассы. Для деталей, подверженных контактным напряжениям и износу в условиях качения или качения со скольжением, применяют закаливаемые до высокой твердости стали. Из двух сопряженных деталей, для которых основным критерием работоспособности является износостойкость в условиях скольжения, одну деталь выполняют из материала с высокой поверхностной твердостью, а другую – из фрикционного или антифрикционного материала.

 

4) Допустимые напряжения и коэффициенты запаса прочности при расчётах деталей машин

При расчете деталей машин на прочность приходится сравнивать фактические напряжения, возникающие в сечении с некоторыми допускаемыми напряжениями, рассчитанными для данного материала и вида нагружения, то есть

σф ≤ [σ],

где σф – фактически действующее напряжение; [σ] – допускаемое напряжение.

Для определения допускаемых напряжений в машиностроении применяют диффе- ренцированный и табличный методы.

Дифференцированный метод

При определении допускаемых напряжений и запасов прочности учитываются надежность материала, степень ответственности детали, точность расчетных схем, действующие нагрузки и другие факторы, определяющие условия работы деталей. Допускаемые нормальные [σ] и касательные [τ] напряжения при статических нагрузках рассчитывают по формулам:

где σmax и τmax – соответственно предельные нормальные и касательные напряжения, при достижении которых рассчитываемая деталь выходит из строя из-за недопустимо большой остаточной деформации или разрушения; [S] – нормированный коэффициент безопасности (запас прочности).

При постоянных нагрузках в качестве предельных напряжений σmax и τmax для дета- лей машин из пластических материалов принимают пределы текучести σт и τт, а из хрупких материалов – предел прочности (временное сопротивление) σв и τв.

Допускаемый коэффициент запаса прочности:

[S] = [S₁] [S₂] [S₃],

где [S₁] – коэффициент, учитывающий точность расчетной схемы (при высокой точности – 1; средней – 1,2; ниже средней точности – 1,6);

[S₂] – коэффициент, учитывающий качество материала (стальные детали из проката обыкновенного качества 1,5–1,8; из высококачественных сталей 1,05–1,3);

[S₃] – коэффициент безопасности (для простых недорогих деталей – 1; для дорогостоящих и повышенной надежности – 1,5).

При переменных нагрузках в качестве предельных напряжений для деталей из любых ма- териалов принимают соответственно пределы выносливости σ_-1 при изгибе, σ _-1p при растяжении и τ_-1 при кручении.

В случае симметричного цикла напряжений расчетный коэффициент запаса прочности: при растяжении или сжатии:

при изгибе:

при кручении

где K_d – масштабный коэффициент;

K_v – коэффициент поверхностного упрочнения;

σ_-1 и τ_-1 – пределы выносливости при симметричном цикле напряжений;

K_σ и K_τ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений;

σ _и и τ _m – максимальные изгибающие и касательные напряжения.

При сложном напряженном состоянии для любых циклов напряжений

Табличный метод

Допускаемые напряжения принимают по нормам, выработанным практикой и систематизированным в виде таблиц. Этот метод менее точен, наиболее прост и удобен для практического использования при проектных и проверочных расчетах и может быть рекомендован студентам для курсового проектирования деталей машин. Табличные значения допустимых напряжений даны в соответствующих разделах данного учебного пособия.

5) Основные этапы проектирования электромеханического привода

6) Основные условия прочности в расчётах деталей машин при разных способах нагружения – растяжении, сжатии, срезе, изгибе и кручении

При продольном осевом нагружении (растяжении-сжатии) в поперечных сечениях бруса имеют место только нормальные напряжения σ. Поэтому для обеспечения прочности стержней и стержневых систем достаточно выполнение условия:

Здесь σ_max – максимальные расчетные нормальные напряжения в стержне, N – внутренние продольные силы (принимаются с построенных эпюр), А – соответствующая площадь поперечного сечения бруса, [σ] – допустимые напряжения (расчетное сопротивление) для материала стержня.

Срез - разрушение соединительных деталей под действием поперечных нагрузок (т.е. перпендикулярных осям этих деталей).

Условие прочности при расчете на срез:

- расчетное напряжение среза Q = F/i – поперечная сила в сечении i – число соединительных деталей (например, число заклепок) Aср – площадь поперечного сечения срезаемой детали (заклепки)   - допускаемое напряжение

При чистом изгибе, когда все продольные волокна материала балки работают на растяжение сжатие, условие прочности является условием прочности для наиболее напряженных крайних волокон

σ_max = M / W ≤ [σ] (7.19)

Это же условие является необходимым и достаточным для большинства относительно длинных (L / B > 5) балок. Относительно короткие тонкостенные широкополые балки (например, флоры с присоединёнными пояскамиобшивки днища и настила двойного дна) следует подвергать более детальной проверке прочности:

- в сечении с наибольшим изгибающим моментом по условию (7.19);

- в сечении с наибольшей поперечной силой по условию прочности на сдвиг;

- в сечении с опасной комбинацией изгибающего момента и поперечной силы по условию

σ_экв = ≤ [σ], (7.20)

где σ_экв – так называемые эквивалентные напряжения, определяемые по одной из теорий прочности. В расчётах судовых конструкций обычно применяют теорию наибольших касательных напряжений, для которой при упрощенном плоском напряженном состоянии, реализуемом при изгибе балок

σ_экв = (σ²+4𝜏²)^0.5 (7.21)

Условие прочности при кручении: прочность вала считается обеспеченной, если наибольшие касательные напряжения, возникающие в его опасном поперечном сечении, не превышают допускаемых напряжений на кручение:

Формула служит для проверочного расчета вала на прочность.

Допускается незначительное (до 5 %) превышение расчетного напряжения  над допускаемым напряжением  .

При проектировочном расчете требуемый полярный момент сопротивления определяется поформуле условия прочности при кручении:

.

Для вала постоянного диаметра опасным сечением при кручении является сечение, в котором возникает наибольший крутящий момент. Если сечение вала не постоянно по длине, может оказаться, что наибольшие касательные напряжения возникают не там, где крутящий момент максимален. Следовательно, в этом случае вопрос об опасном сечении должен быть исследован дополнительно.

Допускаемое напряжение  :

для пластичных материалов назначается в зависимости от предела текучести ( ) при кручении(сдвиге):

.

для хрупких материалов назначается в зависимости от предела прочности:

.