1) Методом допускаемых напряжений и деформаций;

2) Методом допускаемых нагрузок.

Допускаемым называют напряжение, величина которого регламенти­руется техническими условиями. Допускаемые напряжения устанавливаются с учётом материала конструкции и изменяемости его механических свойств в процессе эксплуатации, степени ответственности конструкции, точности зада­ния нагрузок, срока службы конструкции, точности расчётов на статическую и динамическую прочность.

В общем случае допускаемое напряжение [σ] = σ / [n], где σ - рас­чётное напряжение; для пластичных материалов в качестве расчётного напря­жения принимают предел текучести σ _т, а для хрупких материалов — предел прочности σ_в;

[n] — нормативный коэффициент запаса прочности. Коэффициент запаса всегда больше единицы, имеет сложную структуру и вводится с целью компен­сации неточностей при проектировании и для обеспечения работоспособности конструкции при случайных перегрузках в процессе эксплуатации. Величину нормативного коэффициента запаса прочности определяют расчётным или табличным способом.

В частности, допускаемые контактные напряжения сжатия [σ_н] зависят от поверхностной твёрдости материала. Твёрдость - сопротивление материала проникновению в него более твёрдого материала. Наиболее распро­странены испытания твёрдости методом вдавливания специального тела (индентора) в материал, а твёрдость определяют по площади отпечатка в материа­ле от вдавливания стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.

Так, твёрдость по Бринеллю (НВ) - твёрдость материала, опреде­лённая на твердомере Бринелля путём вдавливания стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм. Отношение силы давления F к площади S по­лученного отпечатка (шарового сегмента) даёт значение твёрдости НВ = F/S, кгс/мм². Твёрдость по Роквеллу (HRC) определяют на твердомере Роквелла путём вдавливания алмазного конуса с углом 120° или стального шарика диаметром 1,59 мм с нагрузками 60, 100 или 150 кгс. Выражается в условных единицах. Твёрдость по Виккерсу (HV) определяют на твер­домере Виккерса путём вдавливания алмазной четырёхгранной пирамиды с нагрузкой от 5 до 120 кгс. HV = 2F/d²sinα/2, кгс/мм², где d - среднее арифметическое длины диагоналей отпечатка после снятия нагрузки; α = 136° - угол между гранями пирамиды при вершине. Ограничение напряжений в детали, вызываемых нагрузкой, принято обо­значать в виде условия: действующие напряжения должны быть меньше или равны допускаемым. При расчёте по допускаемым напряжениям условия проч­ности имеют вид σ _mах ≤ [σ]. Так, выражение σ_н ≤ [σ_н] означает, что деталь ис­пытывает контактные напряжения сжатия, а соблюдение записанного условия при расчёте обеспечивает предотвращение разрушения по контактным напря­жениям. В дальнейшем в основном будет использоваться метод допускае­мых напряжений (деформаций).

При расчёте деталей машин методом допускаемых нагрузок ограничива­ют действующую силу по условию F ≤ [F]. Допускаемой называется нагруз­ка, которая не может превзойти внутренние усилия, возникающие в наиболее опасных сечениях конструкции в процессе её эксплуатации: [F] = F_paзp / [n], где F_paзp - разрушающая нагрузка, полученная в результате расчётов или экспери­ментов с учётом опыта изготовления и эксплуатации конструкции. Иногда ог­раничивают расчётный запас прочности по условию n ≥ [n].

ТИПЫ РАСЧЁТОВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН. Различают два типа расчётов при конструировании: проектировочный и проверочный расчёты. Проектировоч­ным называют расчёт, при котором по заданным нагрузкам и известным ха­рактеристикам материала определяют размеры конструкции или детали при проектировании. В процессе проектирования расчёт и конструирование тесно связаны, при этом многие необходимые для расчёта размеры берутся конструк­тивно из чертежа.

Проверочным называют расчёт реальной конструкции или детали, вы­полняемый с целью проверки прочности, жёсткости и т.д. или определения ве­личины передаваемой нагрузки, срока службы и пр. В этом случае при извест­ных размерах конструкции и заданных нагрузках определяют максимальные напряжения, деформации, нагрузки или ресурс и сравнивают их с допускаемы­ми величинами.

ВИДЫ НАГРУЗОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН. Нагрузку при расчётах деталей машин подразделяют на номинальную и расчётную. Номинальная нагрузка в виде мощности, вращающего момента или силы (N_ном, Т_ном, F_ном) соответству­ет паспортной или проектной мощности машины и может быть постоянной, переменной или ударной. Например, номинальный вращающий момент на ва­лу исполнительной машины где u_пр и η|_пр - пере­даточное отношение и КПД привода машины соответственно.

Расчётная нагрузка определяется как произведение номинальной на­грузки на динамический коэффициент режима работы К: Т_расч= К ∙ Т_ном. Ко­эффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, возникаю­щие в периоды неустановившегося (пуск, торможение) или неравномерного движения. Величину К определяют расчётом или выбирают из справочника на основе экспериментов или опыта эксплуатации машин. Предельные значения К = 1,1...3,5, в среднем К = 1,1…1,5.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ВИДЫ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН. Первоначальная стоимость машины определяется, главным образом, массой и стоимостью материалов её деталей и узлов, а также стоимостью их изготовления. При конструировании деталей машин их работоспособность обеспечивается, во-первых, выбором соответствующего материала и, во-вторых, расчётом размеров изделия, при этом прочностные расчёты должны увязываться с экономическими требованиями. В связи с этим существенную роль играет выбор конструкционных материалов и вида заготовки для деталей машин. Поэтому инженеру нужно знать машиностроительные материалы, их свойства и экономичные профили проката.

При выборе материалов для деталей механизмов и машин необходимо обеспечить работоспособность, надёжность деталей и выполнение некоторых специфических требований к ним. Как было сказано, работоспособность — это способность изделия выполнять заданные функции с параметрами, установ­ленными техническим заданием.

Основными характеристиками конструкционных материалов являются:

• прочностные механические характеристики - предел прочности σ_в, предел текучести σ_т и предел выносливости σ_-1; характеристики жёстко­сти — модуль упругости Е и модуль сдвига G; характеристика сопротив­ления контактным напряжениям - поверхностная твёрдость;

• эксплуатационные характеристики - износостойкость, косвенными показателями которой являются поверхностная твёрдость и допускаемое давление [р]; фрикционные свойства, характеризуемые коэффициентом трения f, допускаемым давлением [р] и относительной скоростью сколь­жения v_ск;

• технологические характеристики - обрабатываемость резанием, ли­тейные свойства материала, возможность его сварки и штамповки;

• экономические показатели - стоимость и дефицитность материалов.

К основным конструкционным материалам относятся стали, чугуны, ти­тановые и никелевые сплавы, сплавы цветных металлов, композиционные и неметаллические материалы.

Сталь - сплав железа с углеродом, в котором углерода менее 2%. Плот­ность стали ρ = 7,8 т/м³. По химическому составу конструкционные стали под­разделяют на углеродистые стали общего назначения марок Ст0, Ст1, ..., Ст6 и качественные стали марок 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60. Число в обозна­чении качественных сталей показывает содержание углерода в сотых долях процента.

Для придания сталям специальных свойств и высокой прочности в них добавляют при выплавке легирующие элементы, обозначаемые в марке стали русскими буквами: хром - X, никель - Н, марганец - Г, вольфрам - В, бор - Р ит.д. Содержание легирующего элемента в процентах указывают цифрой или числом после его буквенного обозначения. Если содержание элемента менее 1%, то цифру не проставляют. Например, сталь марок 40Х, 40ХН, 12ХНЗА.

Изобретение М. Фарадея. Знаменитый английский физик сын кузне­ца Майкл Фарадей (1791...1867 гг.) известен, прежде всего, как первоот­крыватель закона электромагнитной индукции и автор многих исследова­ний в области электротехники. Однако мало кто знает, что у него есть изо­бретение и в области металлургии. Причём изобретателем-металлургом Фарадей стал из-за привычки пить чай - традиционный напиток англичан. Дело в том, что Фарадей готовил чай по-особому. В обычную заварку из чайного листа учёный любил добавлять щепотки сушёных трав и цветков. Иной раз было достаточно всего нескольких былинок или лепестков, что­бы чай приобрёл неожиданный вкус и аромат.

Такое свойство некоторых добавок - в небольших количествах про­изводить большие изменения - и натолкнуло Фарадея на идею легирова­ния (от лат. ligare - соединять, связывать) сталей. Ведь достаточно всего 1...3% хрома, марганца, никеля или ванадия, чтобы сталь приобрела со­вершенно иные качества. Инструментальные стали с хромом, выполнен­ные по рецептам Фарадея, пользовались широкой популярностью в сере­дине XIX в. Качество сплава оказалось таким, что и сейчас на стендах му­зея в Лондоне посетители могут видеть клещи, резцы и другой инстру­мент, на котором за полтора века не появилось ни пятнышка ржавчины.

Чугун - сплав железа с углеродом, в котором углерода более 2%. Плот­ность чугуна ρ = 6...7,8 т/м³. Это дешёвый конструкционный материал, имею­щий хорошие литейные и антифрикционные свойства. Чугуны делятся на се­рые, ковкие и высокопрочные.

В сером чугуне марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧЗО, СЧ35 число в обо­значении показывает значение предела прочности при растяжении (МПа), де­лённое на 10. Например, предел прочности чугуна СЧ20 составляет 200 МПа. Ковкий чугун применяют для литых деталей, допускающих случайную удар­ную нагрузку в отличие от весьма хрупкого серого чугуна. Высокопрочные чу­гуны получают легированием и применяют для изготовления ответственных тяжело нагруженных деталей, например коленчатых валов.

Титановые и никелевые сплавы. Титан - металл серебристого цвета, обладающий высокой прочностью и небольшой плотностью (ρ = 4,5 т/м³), Ти­тановые сплавы широко используют в химической промышленности для изго­товления ёмкостей с агрессивными средами, в авиационной и космической технике, в судостроении. Никелевые сплавы широко применяют в авиационной технике для деталей, работающих при температурах 700... 1100 °С.

Сплавы цветных металлов. Сплавы на основе меди делятся на бронзы и латуни. Бронзы обладают высокими антифрикционными и хорошими техно­логическими свойствами, хорошо обрабатываются резанием. Благодаря этому их широко применяют в узлах трения скольжения. Латуни - это сплав меди с цинком с добавлением легирующих элементов. Их применяют в химической аппаратуре, холодильном оборудовании и т.д. Баббиты — это сплавы на основе олова и свинца с добавлением меди, кадмия, никеля, кальция, сурьмы и др. Их применяют в качестве антифрикционного материала для вкладышей подшип­ников скольжения.

Композиционные в неметаллические материалы. Композиционные материалы (КМ) - это армированные различными наполнителями сплавы ме­таллов или полимеры. Наполнители могут быть в виде частиц или волокон. Материалы, упрочнённые частицами, получают методом порошковой метал­лургии. К неметаллическим конструкционным материалам относятся пластмас­сы, резина, композиционные материалы на неметаллической основе. Послед­ние состоят из термореактивной смолы и армирующей части (наполнителя). По удельной прочности и жёсткости такие материалы превосходят традиционные материалы. Так, долговечность лопастей вертолёта из КМ на полимерной осно­ве в несколько раз выше, чем из металлических материалов.

Рекомендации по выбору материала будут даны в дальнейшем примени­тельно к различным деталям машин.

Информация к размышлению. Замена обычной углеродистой стали на низколегированную сталь обеспечивает снижение расхода материала на 15...20% и способствует повышению надёжности машины, что даёт экономию денежных средств.

К выбору вида заготовки: при изготовлении деталей резанием из прутка коэффициент использования металла составляет 20...25%, при штамповке в открытых штампах - 40...50%, при безоблойной и точной объёмной горячей штамповке - 55...75% и более.

МЕРЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ. Основными путями и методами повышения эффективно­сти конструкций машин являются:

• использование рядов нормальных линейных размеров (ГОСТ 6636-69), составленных на основании рядов предпочтительных чисел (ГОСТ 8032-84), которые служат основанием для выбора номинальных значений размеров изделий и их элементов. Использование нормальных линейных размеров (см. табл. 1) позволяет унифицировать изделия, сократить но­менклатуру режущих и измерительных инструментов, штампов и другой технологической оснастки;

• агрегатирование машин, унификация деталей, переход на типовую технологию и сочетание этих мероприятий. Агрегатирование — это построение машин из нормализованных, унифицированных агрегатов, узлов и деталей, изготовляемых централизованно. При этом до 40...50% сокращается число типоразмеров деталей, а также номенклатура приме­няемых профилей проката, типоразмеров редукторов и других сбороч­ных единиц;

• применение стандартизации и сертификация машин. Стандартиза­ция — это введение обязательных специальных нормативных документов (стандартов) как государственных, так и международных. Стандартизация охватывает: нормы проектирования (общие нормы, классификацию и терминологию, методы расчёта, правила оформления чертежей); конструкции (основные параметры, присоединительные и га­баритные размеры); параметры производственного процесса (техноло­гический процесс и инструмент); уровень качества и условия эксплуата­ции (материалы, показатели качества, технические требования, методы испытаний);

Сертификация машин - это проверка и удостоверение показате­лей, гарантирующих качество в соответствии с требованиями стандартов.

• правильный выбор типа привода и вида передач в нём. Например, цилиндрический редуктор мощностью 13 кВт с передаточным числом 31 при частоте вращения входного вала 1450 об/мин имеет массу 700 кг, червячный редуктор с такими же параметрами - 500 кг, а глобоидный — всего 130 кг. Эффективно также применение мотор-редукторов, зубча­тых передач с зацеплением Новикова, волновых и планетарных передач.

Существенно, что уменьшение габаритов редукторов приводит к зна­чительному уменьшению массы и размеров машины в целом, а значит, и к снижению материальных и трудовых затрат на производство. Уменьшение габаритных размеров и массы машины (например, грузоподъёмных кра­нов) даёт возможность уменьшить размеры здания цеха и величину капи­тальных затрат на его постройку и эксплуатационных издержек за счёт амортизационных расходов. Снижаются также сроки строительства;

• назначение геометрических параметров шероховатости поверхно­сти детали. Шероховатость поверхности — это совокупность неров­ностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. Её необходимо назначать в соответствии с условиями работы и требуемой точностью изготовления деталей и оценивать по комплексу параметров ГОСТ 2789-73. Основными параметрами, предусмотренными этим стан­дартом, являются: Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм, и Rz - высота неровностей профиля по 10 точкам, мкм. От точности обработки и от геометрии шероховатости поверхности деталей зависят эксплуатационные показатели машин — износостойкость, надёжность и долговечность, а также взаимозаменяемость;

• применение взаимозаменяемости деталей. Взаимозаменяемость - это

способность независимо изготовленных деталей без дополнительной обработки занимать свои места в машине и обеспечивать доброкачествен­ную работу. Взаимозаменяемость позволяет производить независимую обработку деталей высокопроизводительными методами, эффективно применять поточную и конвейерную сборку, осуществлять надёжный контроль изделий с помощью калибров, быструю замену вышедших из строя деталей машин заранее изготовленными запасными, ускорение проектирования и т.д. Взаимозаменяемость (полная или частичная) обес­печивается Единой системой допусков и посадок (ЕСДП).

ЕДИНАЯ СИСТЕМА ДОПУСКОВ И ПОСАДОК. Взаимозаменяемость глад­ких соединений регламентируется стандартами «Единая система допусков и посадок». Система стандартов «Основные нормы взаимозаменяемости» (ОНВ) устанавливает допуски и посадки резьбовых, шпоночных, шлицевых и др. соединений, допуски зубчатых и червячных передач, а также допуски несопрягаемых деталей.

Сопрягаемые детали - вал и отверстие, поверхности которых входят друг в друга, образуя подвижное или неподвижное соединение. Размеры валов и отверстий разделяют на номинальные, действительные и предельные.

Номинальный размер — размер, относительно которого определяются предельные размеры и который служит также началом отсчёта отклонений. Значение номинального размера проставляют на чертеже с округлением до нормального ближайшего линейного размера по ГОСТ 6636-69 (табл. 1).

Таблица 1.

Нормальные линейные размеры от 2 до 1000 мм (из ГОСТа 6636-69)

2,0 2,1 2,2 2,4 2,5 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,5 4,8 5,0 5,3 5,6 6,0 6,3 6,7 7,1 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10 10,5 11 11,5 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24 25 26 28 30 32 34/35 36 38 40 42 45/47 48 50/52 53/55 56 60/62 63/65 67/70 71/72 75 80 85 90 95 100 105 110 120 125 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 240 250 260 280 300 320 340 360 380 400 420 450 480 500 530 560 630 670 710 750 800 850 900 950 1000_________________________________________

Примечание. Под косой чертой приведены диаметры посадочных мест для подшипников качения

Действительный размер - размер, установленный измерением с допус­тимой погрешностью (допускаемая погрешность измерения должна находиться в пределах 10...20% допуска на размер). Предельные размеры - два предель­но допустимых размера (рис. 19), между которыми должен находиться или ко­торым

может быть равен действительный размер

.

Рис. 19. Построение схемы полей допусков отверстия и вала

Допуск — это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. Таким образом, размеры деталей должны выдерживаться в преде­лах допуска. Для удобства на чертеже указывают номинальный размер детали, а предельные размеры определяют по их отклонениям от номинального разме­ра. Отклонение - алгебраическая разность между размером (действительным, предельным или иным) и номинальным размером. Линия, соответствующая номинальному размеру, называется нулевой линией. Положительные откло­нения откладываются вверх от нулевой линии, а отрицательные - вниз. Основ­ным отклонением называется отклонение, ближайшее к нулевой линии.

Поле допуска - это поле, ограниченное наибольшим и наименьшим пре­дельными размерами отверстия или вала. При графическом изображении поле допуска может быть расположено выше или ниже нулевой линии, касаться или пересекать её. Положение каждого поля допуска отверстия или вала относи­тельно нулевой линии обозначают буквами латинского алфавита: для отверстия - прописными, для вала - строчными (табл.2).

Для нормирования уровня точности установлены 19 квалитетов, кото­рые обозначают номерами 01; 0; 1; 2; 3;...; 17 в порядке снижения точности. Квалитет - совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для всех номинальных размеров («квалитет» по смыслу соответствует понятию «класс точности»). Квалитеты подразделяют на точные, средние и грубые (табл. 3). Наиболее распространёнными являются квалитеты 6, 7, 8, ко­торые используют для ответственных соединений в машиностроении. На чер­теже предельные отклонения указывают условным обозначением, например,

Ф85g6, числовыми значениями в миллиметрах, например, Ф85 или комбинированным образом, например, Ф85g6

Посадка — характер соединения деталей (вала и отверстия), определяе­мый величиной получающихся в нём зазоров и натягов. В зависимости от вза­имного расположения полей допусков отверстия и вала посадки разделяют на три группы: с зазором, с натягом и переходные.

Таблица 2. Обозначение положений полей допусков отверстий и валов для различных посадок

Основные отклонения	Посадки
	с зазором	переходные	с натягом
отверстий	A B C D E F G H	JS K M N	P R S T U V X Z
валов	a b с d e f g h	js k m n	p r s t u v x z

Таблица 3. Обозначение квалитетов ЕСДП

Квалитеты ЕСДП	Точные	Средние	Грубые
	01 0 1 2 3 4	5 6 7 8 9 10 11	12 13 14 15 16 17

Зазор - положительная разность размеров отверстия и вала, если размер отверстия больше размера вала. Натяг - положительная разность размеров ва­ла и отверстия до сборки, если размер вала до сборки больше размера отвер­стия. Таким образом, посадка характеризует свободу относительного переме­щения соединяемых деталей или степень сопротивления их взаимному смеще­нию. Схемы расположения полей допусков для разных случаев посадок приве­дены на рис. 20.

Рис.20. Схемы полей допусков для разных случаев посаоок: а - посадки в системе отверстия; 6 - посадки в системе вала

Посадка с зазором - посадка, при которой обеспечивается зазор в со­единении. Поле допуска отверстия при этом расположено над полем допуска вала. Посадка с натягом - посадка, при которой обеспечивается натяг в со­единении. Поле допуска отверстия расположено под полем допуска вала. Пе­реходная посадка - посадка, при которой возможно получение как зазора, так и натяга. Поля допусков отверстия и вала перекрываются частично или полно­стью.

Номинальный размер посадки - номинальный размер, общий для от­верстия и вала, составляющих соединение. Основное отверстие - отверстие, нижнее отклонение которого равно нулю. Поле допуска основного отверстия обозначается буквой Н. Основной вал - вал, верхнее отклонение которого рав­но нулю Поле допуска основного вала обозначается буквой h.

Назначают посадки в ЕСДП по двум системам: посадки в системе отверстия, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных 'валов с основным отверстием и посадки в системе вала, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом. По экономическим соображениям предпочтительной является система отверстия. Таким образом, посадки образуются сочетанием полей допусков отверстия и вала. В обозначение посадки входит её номинальный раз­мер и обозначения полей допусков для отверстия и вала, например: Ф45H7/g6.