книги из ГПНТБ / Ковалев Н.А. Теория механизмов и детали машин крат. курс учебник

полезной механической работы и построенные только из одних твердых тел, называют механизмами. Эти машины и являются объектом изу­ чения в нашем курсе.

Для того чтобы построить из твердых тел механизм, эти тела нужно соединить друг с другом так, чтобы все их относительные движения, кроме необходимых, стали невозможны. Такие подвижные соединения соприкасающихся твердых тел называют кинематическими парами, а образующие их тела — звеньями. Система звеньев, под­ вижно связанных между собой, образует кинематическую цепь. По­ этому можно сказать, что механизм представляет собой кинематиче­ скую цепь, используемую для осуществления требуемого движения. Таковы поршневая группа автомобильного двигателя, его клапанное распределение, автомобильная или станочная трансмиссия и т. д.

В большинстве случаев по условиям монтажа и производства зве­ нья не изготовляют как монолит, а собирают из отдельных неподвижно соединенных деталей. Последние ради ускорения процесса сборки предварительно соединяют в сборочные единицы (узлы), комплекты

и подкомплекты. Детали и узлы должны быть сконструированы так, чтобы их можно было изготовлять высокопроизводительными методами, т. е. они должны быть технологичными. Таким образом, весьма важно, чтобы в разных машинах применялись в возможно большем количе­ стве однотипные детали и узлы, что дает возможность организовать их массовое производство на специализированных заводах самыми совершенными технологическими методами. Все это объясняет совре­ менную тенденцию к расширению использования стандартных дета­ лей и узлов.

Несмотря на то что механизмы используются в весьма различных областях инженерной деятельности, с их помощью решают сходные задачи. Поэтому не удивительно, что весьма различные машины часто содержат большое число однотипных деталей и простейших механизмов.

Отсюда следует, что одни и те же методы анализа, расчета и про­ ектирования находят применение в казалось бы далеких друг от друга отраслях техники. Это делает курс теории механизмов и деталей машин универсальной общеобразовательной технической дисциплиной, знакомство с которой необходимо каждому инженеру. Таким обра­ зом, в нашем курсе мы будем изучать не специальные, а возможно более универсальные и широко распространенные механизмы и их детали.

Как и сама инженерная деятельность, наша учебная дисциплина будет опираться на многие ранее проработанные курсы, такие, как машиностроительное черчение, технологические дисциплины, теоре­ тическая механика, сопротивление материалов.

Нас будет интересовать прочность деталей и звеньев, без которой немыслима нормальная работа какой-либо машины. Изучая конструк­ цию механизма, следует постоянно помнить о требованиях техно­ логии изготовления. Необходимо не просто придумать машину, но также знать, как ее построить. Однако совершенно особое, центральное место в нашем курсе Должна занимать проблема устройства и работо­ способности кинематических пар, составляющих основу всякого меха­

10

Г л а в а I

КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ И НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

§ 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Прежде чем приступить к изложению основного содержания курса, полезно напомнить необходимые в дальнейшем сведения из области технологии и сопротивления материалов.

Физические свойства конструкционных материалов оказывают решающее влияние на конструкцию' и способ изготовления машин и механизмов. Эти свойства можно подразделить на две группы:

а) конструкционные свойства, определяющие работоспособность материала в процессе эксплуатации машины. От них зависят не только

изготовления детали-. От этих свойств зависит выбор технологического процесса и способа изготовления.

К о н с т р у к ц и о н н ы е с в о й с т в а . К свойствам первой группы относятся прежде всего характеристики статической проч­ ности — предел текучести сгт и предел прочности о11Ч. Смысл этих характеристик поясняет рис. 1-1, где в координатах напряжение а —■ удлинение е представлена диаграмма растяжения образца из пласти­ ческого (кривая 1) и хрупкого (кривая 2) материалов. Напряжение огх отвечает появлению площадки текучести.. Если оно будет достигнуто при работе машины, соответствующая часть получит остаточную дефор­ мацию и изменит свои проектные размеры.

(где Смаке — наибольшая испытательная нагрузка, F0 — первоначаль­ ная площадь поперечного сечения образца), то произойдет разрушение.

В первом приближении все конструкционные материалы можно подразделить на хрупкие и пластичные, характерные диаграммы растя­ жения которых представлены на рис. 1-1. Хрупкие материалы плохо

12

работают при вибрации, ударах и концентрации напряжения; они имеют малое относительное удлинение и малую ударную вязкость. В машиностроении такие материалы применяют для ограниченного круга изделий: пружин, инструмента, статически нагруженных дета­ лей. Пластичные материалы с большим относительным удлинением и большой ударной вязкостью применяют для большинства машино­ строительных деталей и прежде всего для деталей с ударной и вибрационной 6 нагрузкой.

Важной характеристикой пластич­ ности является относительное удлине­ ние б и относительное сужение гр, изме­ ряемые в процентах, б — представляет собой отношение удлинения стандарт­ ного образца в момент разрыва к его первоначальной длине. В соответствии с двумя типами стандартных образцов, имеющих длину деформируемой части, равную пяти или десяти диаметрам, раз­

личают б5 и б10. Высокая пластичность полезна для снятия перенапря­ жения вблизи концентраторов при статическом нагружении деталей.

Для деталей, подверженных вибрациям и ударам, важна ударная вязкость а„, измеряемая в джім2. Она представляет собой величину суммарной работы, затраченной на разрушение стандартного образца с надрезом ударами стандартного копра.

Большое значение для работоспособности кинематических пар имеет твердость Н. Она измеряется размером отпечатка калиброван­

ного шарика или призмы в единицах твердости НВ шкалы Бринелля или шкалы Роквелла (чаще всего шкалы С Роквелла HRC).

К р и в а я в ы н о с л и в о с т и . При переменных нагрузках прочность материала характеризуется пределом выносливости ог, величина которого зависит от рода напряженного состояния и струк­ туры цикла напряжения. Последняя определяется. коэффициентом

13

напряжения берут с присущими им знаками. Например, для постоян­

При напряжениях, превышающих оу, после некоторого числа цик­ лов нагружения Na в наиболее напряженном сечении образца заро­ ждается трещина. Ее развитие быстро приводит к разрушению, кото­ рое не сопровождается заметной деформацией, как и при статическом испытании образца из весьма хрупкого материала.

Если по оси ординат отложить максимальное напряжение цикла нагружения, а по оси абсцисс — соответствующее ему число циклов до разрушения, то результат каждого лабораторного испытания можно изобразить точкой (рис. 1-3). Разброс опытных точек при вибрацион­ ных испытаниях получается гораздо большим, чем при статических. Тем не менее для каждого г, т. е. для каждой структуры цикла, можно провести линию, называемую кривой усталости (выносливости). Для

тех сочетаний напряжения и числа циклов, которые изображаются точками,, располагающимися ниже этой кривой, усталостное разру­ шение не произойдет.

По типу кривой выносливости конструкционные материалы делятся на две группы. Первая группа, к которой относится незакаленная сталь, характеризуется точкой перелома (рис. 1-3, а). Ветвь правее этой точки практически параллельна оси абсцисс. Напряжение аг, соответствующее этой ветви, и называют пределом выносливости. Положение точки b для .материалов этой группы определяется значе­ нием Nц = УѴб. При а < ог разрушение от усталости не происходит при любом числе циклов нагружения.

Материалы второй группы, куда входят закаленная сталь и бронза, имеют предельную кривую, тип которой приведен на рис. 1-3, б. На этой кривой точка перелома отсутствует и уменьшение напряжения

сувеличением числа циклов продолжается по крайней мере до Мц =

=25-ІО7. Для таких материалов не существует неограниченного предела выносливости. Для них напряжение ог, соответствующее так

называемому базовому числу циклов N6 (для стали Мб = ІО7), считают

условным пределом выносливости.

Части машин, которые испытывают переменные напряжения, рас­ считывают на выносливость. При этом некоторые узлы должны рабо­

14

тать практически лишь определенное число часов (например, авиа­ ционные двигатели, подшипники качения и т. д.), после чего проч­ ность их не гарантируется, и они идут на слом или продолжают исполь­ зоваться в менее ответственных машинах. Для изделий с ограниченным сроком службы предельное напряжение, определяемое кривой вынос­ ливости в зависимости от расчетного числа циклов нагружения (рис. 1-3, а, б), называют пределом ограниченной выносливости. Ана­ литическое выражение зависимости, изображенной на рис. 1-3 кривой, имеет вид

где .г — устанавливаемый опытным путем показатель степени, имею­ щий определенное значение для каждого материала и вида напряжен­ ного состояния. Например, для стали в случае напряжений изгиба

Принято выражать предел ограниченной выносливости оудг через предел неограниченной, или условной, выносливости оу с помощью соотношения

(1.3)

где ЛГр — коэффициент корректирования предельных напряжений.

Для материалов, имеющих кривую выносливости, изображенную

симость (1.3) будет изображать несуществующую часть кривой выно­ сливости, показанную штриховой линией. Для материалов, имеющих кривую выносливости, подобную изображенной на рис. 1-3, б, Крможет быть и меньше единицы.

Не следует думать, что расчет по пределу ограниченной выносли­ вости имеет смысл только в конструкциях с большой напряжен­

вочниках указывается только величина предела выносливости при симметричном знакопеременном цикле и нужно уметь найти величину предельного напряжения для цикла, характеризуемого любой задан­ ной величиной коэффициента асимметрии г. Предельное напряжение су в этом случае находят с помощью диаграммы предельных циклов (рис. 1-4).

Всякий цикл напряжения с заданным значением коэффициента асимметрии (см. рис. 1-2, а) можно представить как сумму постоянного напряжения, равного

(1.4а)

15

и симметричного цикла изменения напряжения с амплитудой

как это показано на рис. 1-2, б, в.

Пользуясь этим представлением, для построения диаграммы пре­ дельных циклов (рис. 1-4) по оси ординат откладывают ст0, а по оси абсцисс ат. Само построение диаграммы ясно из рис. 1-4 и может быть выполнено без затруднений, если известны предельные напряжения <Т-і, <7|ІЧ и сгт. Величину предельных циклических напряжений дает ломаная abd.

Структура цикла напряжения определяется постоянным значением коэффициента асимметрии г или постоянным отношением напряжений оа и от. Увеличивая значение напряжения и сохраняя это отношение, будем перемещать­ ся вдоль луча, выходящего из начала О. Луч 01 пересе­ кает прямую ab в точке /.

Этой точке соответствуют пре­ дельные напряжения ста и ат, превышение которых приведет к развитию трещины устало­ сти и разрушению образца.

Если луч пересекает уча­ сток bd ломаной abd (как, например, луч От), то разру­

шение образца не произойдет. Но в момент, когда напряжение достиг­ нет максимальной величины, т. е. когда будет

<7макс <7т <7а —(7Т,

образец получит остаточную деформацию. Действительно, так как наклон линии bd равен 45°, максимальное напряжение для точки т

Омане = On + пт = On + nd.

Т е х н о л о г и ч е с к и е с в о й с т в а . Перейдем теперь к тех­ нологическим свойствам материалов. Некоторые из них имеют непо­ средственную связь с соответствующими конструкционными свойст­ вами. К их числу относится тесно связанная с пластичностью способ­ ность к формообразованию путем давления (горячей ковкой и штам­ повкой, а также холодной прокаткой, штамповкой, гибкой и высадкой). Инб?йа эти свойства (ковкость, удлинение при холодной штамповке) оцениваются с помощью специальных технологических испытаний (проба по Эриксену и т. д.).

От поверхностей твердости зависит экономичность и производи­ тельность обработки резанием со снятием стружки. Материал с обрабатывается только специальным режущим инструмен­

том.

16

Другие технологические свойства материала, как, например, литейные (тугоплавкость, жидкотекучесть, усадка), не связаны непо­ средственно с конструкционными. Однако нужно твердо помнить, что применять можно только те материалы, которые обладают технологи­ ческими свойствами, делающими производство нетрудоемким и эко­ номичным.

С другой стороны, сами конструкционные свойства зависят не только от природы материала, но и от технологических процессов, применяемых при изготовлении. Например, тонкая холоднокатаная стальная лента и калиброванная проволока вследствие наклепа под влиянием пластической деформации имеют гораздо большую проч­ ность, чем толстый горячекатаный лист или пруток из стали того же химического состава.

Т е р м о о б р а б о т к а . Особое место занимают технологические процессы, не связанные с формообразованием, а специально предназ­ наченные для получения желательных конструкционных свойств. К ним относится термообработка, а также другие процессы, изменяю­ щие внутреннюю структуру материала. Особенно большое значение имеет термообработка для стали, цветных и алюминиевых сплавов, для стекла, керамики, некоторых пластиков и др.

Применительно к стали различают следующие основные виды тер­ мообработки.

Отжиг — нагревание выше критической точки фазовой диаграммы сплава железо — углерод с последующим медленным охлаждением (вместе с печью). В результате отжига пластинки перлита получаются крупными, чем и обеспечивается высокая пластичность. Применяется отжиг как подготовительная операция перед холодной обработкой давлением и резанием, а такйсе для снятия усадочных напряжений в отливках.

Нормализация отличается от отжига более быстрым охлаждением (на воздухе). В результате получается мелкое зерно и более тонкий перлит, чем при отжиге, что обеспечивает большую прочность, но мень­ шую пластичность, Обычно прокат и поковка, а часто и литье подвер­ гаются нормализации.

Улучшение до различных степеней твердости состоит в закалке с последующим высоким отпуском, при котором закаленное изделие нагревается до і > 500° (но t < 723°) и затем подвергается медленному охлаждению. Чем ниже температура высокого отпуска, тем выше твер­ дость и прочность и тем ниже пластичность и ударная вязкость улуч­ шенной стали.

Закалка состоит в нагревании выше критической точки с после­ дующим быстрым охлаждением в воде или (при более слабой закалке) в масле (специальные высоколегированные стали закаливают и на воздухе). После закалки для снятия внутренних напряжений произ­ водят низкий отпуск (і < 200 350J С). При этом в зависимости от скорости охлаждения образуется мартенсит или троостит, т. е. существенно меняется структура стали, а с ней и ее механические свойства. Прочность, твердость и хрупкость.ѵпеличивяются. а пластич­ ность, особенно при закалке на мартенси', peßse. уімш&ща^ся. ;

М И ТАЛЬііС'Г Л/

Можно избежать отрицательных свойств закаленной стали (хруп­ кости) при сохранении положительных (поверхностной твердости), если вместо объемной закалки применять различные процессы поверх­ ностного упрочнения. Главными из них являются:

цементация и цианирование с последующей закалкой, которой подвергают низкоуглеродистые цементируемые стали;

азотирование — насыщение поверхности стали азотом; поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты, приме­

няемая для высокоуглеродистой стали; дробеструйный и другие виды холодного поверхностного наклепа.

Процессы поверхностного упрочнения позволяют получить высо­ кую поверхностную твердость и прочность при мягкой, пластичной сердцевине. В результате удается избежать хрупкости и появления больших остаточных термических напряжений в деталях. Поверхност­ ное упрочнение имеет особую ценность для поверхностей соприкосно­ вения в кинематических парах. Нужно иметь в виду, что всякая спе­ циальная термообработка увеличивает стоимость изготовления, а по­ тому не всегда оправдана. Для ее выполнения нужен специальный тер­ мический цех.

Таким образом, конструкционные и технологические свойства каждого материала не являются строго постоянными и могут изме­ няться в определенных пределах в зависимости от технологии изго­ товления. При этом одни полезные свойства улучшаются, а другие, наггротив, ухудшаются.

§2. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Всовременном машиностроении наибольшее применение имеют следующие конструкционные материалы.

Ч у г у н — железоуглеродистый сплав, содержащий обычно свыше 2,8% углерода. Свойства чугуна зависят от его химического составам термообработки, определяющих тип структуры; Наибольшее при­ менение в машиностроении имеет содержащий свободный графит серый

чугун марок от СЧ 12-28 до СЧ 32-52. В этом обозначении первое число есть апч на разрыв, а второе опч н на изгиб (например, для СЧ 32-52 апч на разрыв — 32 кгс/мм2, апч н на изгиб — 52 кгсімм2).

Серый чугун не пригоден для обработки давлением и сварки, но является превосходным литейным материалом. Он прекрасно заполняет форму благодаря хорошей жидкотекучести и малой усадке при затвер­ девании. Его температура плавления ниже, чем у стали, поэтому воз­ можна отливка не только в песочные, но и в металлические формы1 (в кокиль).

Чугун плохо сопротивляется разрыву и не пригоден для ударной и вибрационной нагрузки, но хорошо противостоит статическому сжа­ тию. Чугун широко применяется для фасонного литья, для станин, корпусов редукторов, корпусов подшипников, крышек и т. п.

Существуют специальные сорта чугуна, обладающие улучшенными свойствами.

18

С т а л ь — железоуглеродистый сплав, содержащий обычно менее 1,7% углерода. Конструкционная сталь подразделяется на углеродистую

и легированную, в составе которой имеются добавочные легирующие элементы (хром, никель, марганец, кремний и др.).

Свойства сталію меняются в широких пределах в зависимости от ее химического состава и вида термообработки, определяющих тип структуры. Особенно большое влияние на свойства стали оказывает количество углерода. Поэтому в обозначение марки углеродистой и низколегированной стали входят цифры, указывающие среднее количество углерода в десятых долях процента. Например, сталь 35Л (0,35% С), сталь М16 (0,16% С), сталь 45 (0,45% С). Исключение составляет сталь углеродистая обыкновенного качества группы 1, для которой гарантируются механические свойства, а химический состав может колебаться в более широких пределах. Марки этой стали обозначают Ст. 2, Ст. 5 и т. д. Эта сталь используется без дополнитель­ ной термообработки.

С повышением содержания углерода пластичность стали умень­ шается, а прочность растет. Сталь, содержащая менее 0,35 -ь 0,4 % С, плохо закаливается. При количестве углерода менее 0,15% сталь может быть легко науглерожена путем цементации или цианирования и в таком виде подвергнута закалке. Сталь, содержащая более 0,6% С вследствие повышения хрупкости, редко применяется в качестве кон­ струкционной. Высокоуглеродистая сталь используется для изготов­ ления пружин и инструмента.

Сталь хорошо обрабатывается давлением (прокат, поковка) и хорошо сваривается, в частности дуговой электросваркой, но как литейный материал уступает чугуну, благодаря большой усадке, тугоплавкости и меньшей жидкотекучести. Поставляется сталь чаще всего в виде стандартного проката (лист, пруток, квадрат, фасонный прокат и т. д.), а также в виде поковок.

Добавлением легирующих элементов, таких, как хром, никель, марганец, кремний и др., получают легированную сталь, обладаю­ щую улучшенными свойствами. Начальные буквы названия легирую­ щего элемента включаются в шифр марки стали. Например, 40Х обозначает хромистую сталь с 0,4% углерода, ХН — хромоникеле­ вую сталь, Г — добавку марганца, С — кремния и т. д.

Помимо общего улучшения структуры, важное действие легирую­ щих добавок состоит в повышении прокаливаемое™ стали, чем обес­ печивается большая равномерность структуры термообработанных толстостенных деталей. Массивные детали из углеродистой стали, имеющие большую толщину стенки, вообще не закаливаются, так как для них невозможно осуществить необходимую скорость охлажде­ ния. В таких деталях нужную структуру после закалки можно полу­ чить только в случае применения легированной стали. Поэтому по­ лезное действие легирующих элементов в полной мере проявляется только в результате термообработки.

Сталь обладает высокими прочностью и пластичностью, что вместе с прекрасными технологическими свойствами' делает ее основным конструкционным материалом нашего времени.

19