книги из ГПНТБ / Зиновьев, Владимир Андреевич. Детали машин учебник для немеханических специальностей высших технических учебных заведений

таты, получаемые из расчета по таким формулам, приходится все же в подавляющем большинстве случаев вносить поправки, учиты­ вающие влияние факторов, не поддающихся математическому выра­ жению. Например, произведя по одной из таких формул расчет толщины стенки чугунной трубы по заданному внутреннему давле­ нию, диаметру трубы и допускаемому напряжению и получив из расчета толщину, равной 1 мм, нельзя принять ее к исполнению, потому что чугунную трубу с такой толщиной стенки практически невозможно отлить. Кроме этого, такая труба, если бы даже она и была изготовлена, могла бы легко разрушиться при пере­ возке.

Если факторы, не поддающиеся математическому выражению, преобладают или оказывают значительное влияние на подлежащие определению размеры, то приходится прибегать к чисто эмпири­ ческим формулам, графикам или таблицам, отражающим зависимо­ сти между разными величинами, определенные из наблюдений

над удачными конструкциями или в результате специальных опытов. Такими материалами можно пользоваться лишь в некоторых пре­

делах входящих в них величин.

При проектировании деталей машин приходится в разных случаях производить расчеты предварительные и расчеты поверочные. Иско­ мый размер может быть принят к исполнению в результате однократ­ ного расчета в том случае, если определение всех действующих на рассчитываемую деталь силовых факторов не встречает затруднений. Но часто бывают случаи, когда точное определение величины сило­ вого фактора (например, изгибающего момента) становится возмож­ ным только после конструктивного оформления всего или некоторой части механического устройства, в состав которого входит деталь,

подлежащая расчету. В таких случаях необходимый для конструк­

тивного оформления искомый размер определяется предварительным расчетом по какой-либо приближенной формуле или иным образом. После этого производится конструктивное оформление устройства,

выявляется неизвестная при предварительном расчете величина силорого фактора и затем производится уточненный поверочный расчет принятого предварительного размера.

В результате такого расчета выявляется не искомый размер, который уже имеется в оформленной конструкции, а напряжение, возникающее в детали с таким размером в процессе работы данного

устройства. Если напряжение, выявленное при поверочном расчете,

оказывается равным или близким к допускаемому, то на этом рас­ чет и конструктивное оформление детали заканчиваются. Если на­

пряжение оказывается меньшим или значительно большим допу­ скаемого, то в конструктивное оформление детали вносится соответ­ ствующее изменение, после которого в случае надобности произво­ дится повторный поверочный расчет. Обыкновенно при поверочных расчетах выявляется не напряжение, а запас прочности, предста­ вляющий собой отношение предельного напряжения (предела те­

10 Введение

кучести, предела прочности или предела выносливости) к действи­ тельному.

Выбор допускаемого напряжения или запаса прочности (допу­ скаемое напряжение равно предельному напряжению, деленному на запас прочности) представляет собой во многих случаях нелегкую задачу. На ранней стадии развития техники вопрос о выборе допу­ скаемого напряжения разрешался относительно просто. Различались три режима работы детали:

первый режим — деталь находится под действием пе изменяю­ щейся во времени (так называемой статической) нагрузки;

второй режим — деталь находится под действием нагрузки, изменяющейся от некоторого минимума (в частности, от нуля) до

некоторого максимума без изменения знака, т. е. под действием пе­ ременной знакопостоянной (так называемой пульсирующей) нагрузки;

третий режим — деталь находится под действием знакоперемен­

ной нагрузки, изменяющейся в некоторых пределах.

Для каждого из применяемых материалов, которых было еще немного, и для каждого из трех режимов были установлены и от­ ражены в краткой таблице допускаемые напряжения, которые и при­ нимались при расчетах разных деталей.

Такие таблицы универсального характера с развитием техники утратили свое значение и в настоящее время применяются лишь в редких, строго определенных случаях. В большинстве расчетов допускаемое напряжение приходится выбирать, руководствуясь многочисленными и разнообразными соображениями.

Слишком большое допускаемое напряжение не обеспечивает до­

статочной прочности, слишком малое влечет за собой увеличение

размеров, веса и стоимости детали, что также недопустимо, в особен­ ности, если проектируемая деталь предназначена для массового про­ изводства.

Решая вопрос о необходимом запасе прочности, конструктор должен учитывать достоверность сведений о материале, который предназначается для изготовления детали. Конструктор должен учесть стоимость и степень ответственности детали: если поломка

дешевой детали может повлечь за собой лишь кратковременную остановку машины для быстрой замены пришедшей в негодность детали, то запас прочности может быть небольшим, а если поломка

детали может повлечь за собой тяжелую аварию с человеческими жертвами, то подход к определению запаса прочности должен быть уже иным.

Выбранное допускаемое напряжение подставляется в расчетную формулу. Разные расчетные формулы основаны на разных упрощаю­ щих допущениях, по-разному влияющих на надежность получаемых результатов, поэтому точность расчетной схемы или формулы также должна приниматься во внимание.

Кроме указанного выше, следует учитывать и многие другие факторы — технологические процессы изготовления детали и сборки

Стандартизация деталей машин И

конструкции, в состав которой деталь входит, эксплуатационные условия, сложность формы детали, степень точности определения действующих на нее усилий.

В настоящее время методике определения допускаемых напряже­ ний уделяется значительное внимание. Работа в этом направлении

дала уже некоторые полезные результаты, но пока еще далека от

завершения.

При расчете деталей из пластичных материалов, к числу которых

принадлежат и стали всех видов, допускаемые напряжения назна­ чаются в зависимости от предела текучести, реже от предела проч­ ности, при расчете чугунных деталей — в зависимости от предела прочности. Детали, подвергающиеся переменным напряжениям, рассчитываются и по пределам выносливости аг. Расчет таких де­ талей производится в некоторых случаях па определенную ограни­ ченную продолжительность работы.

Кроме расчетов на прочность, детали с трущимися п изнашиваю­ щимися поверхностями рассчитываются еще на износ п нагревание.

Во многих с первого взгляда даже очень простых случаях, с ко­ торыми нам неоднократно придется встречаться и в настоящем крат­ ком курсе, расчет приходится производить при практической не­

возможности выявить с достаточной точностью величины всех дей­ ствующих на деталь силовых факторов и создаваемых ими разно­ родных напряжений. В таких случаях производится условный (основанный на использовании опытных данных) расчет, состоящий в следующем: в расчетную формулу подставляется величина только одного главного фактора, а совместное влияние остальных учиты­ вается условным допускаемым напряжением, которое должно при­ ниматься только при расчете определенных деталей по определенным условным формулам. Величины таких допускаемых напряжений, хорошо проверенных практикой, приводятся в справочниках в виде таблиц или кривых.

Изложенное выше относится к определению расчетных разме­ ров, число которых обыкновенно не превышает 4—5% числа всех размеров, показываемых на чертежах и необходимых для изготовле­

ния и монтажа всех деталей проектируемого устройства. Остальные размеры принимаются при проектировании по разного рода конструк­ тивным соображениям, не имеющим отношения к прочности деталей. Овладение умением правильно подходить к определению таких раз­ меров является важной целью, к достижению которой необходимо стремиться при прохождении курса деталей машин.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В народном хозяйстве и, в частности, в машиностроении дей­ ствуют многочисленные обязательные и рекомендуемые стандарты.

Стандартами на детали машин устанавливаются конструктивные формы, размеры и способы изготовления наиболее употребительных

12 Введение

деталей с целью их взаимозаменяемости, улучшения качества, упрощения и удешевления их производства путем ограничения числа типов и размеров и достигаемого этим сокращения необходимых

для изготовления таких деталей режущих, мерительных и других

инструментов и приспособлений.

В стандартах получает отражение и обобщение передовой опыт отечественной и зарубежной промышленности.

Стандартные детали можно изготовлять в массовых количествах

для обезличенных потребителей на специализированных заводах. При проектировании отступления от обязательных стандартов являются недопустимыми, отступления от рекомендуемых стандар­

тов должны обосновываться.

С учетом действующих стандартов отдельными ведомствами и за­ водами разрабатываются нормали разных деталей, обязательные к применению только в пределах тех ведомств и заводов, которыми

они разработаны.

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ

. МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения. В машиностроении применяются сотни различ­ ных материалов, в разной степени удовлетворяющих требованиям. При выборе материалов приходится учитывать следующие их свой­

ства:

1)прочность;

2)твердость;

3)износоустойчивость;

4)пластичность, т. е. способность изменять форму при давлении без изменения основных свойств;

5)обрабатываемость резанием;

6)термообрабатываемость, т. е. способность изменять свои

свойства при температурном воздействии;

7)литейные свойства, т. е. температуру плавления и способность

вжидком виде заполнять сложные формы;

8)коррозийную стойкость;

9)жаропрочность и некоторые другие.

Все эти свойства в значительной степени определяются химиче­ ским составом материала.

Основными механическими характеристиками материала являются:

4)твердость;

5)относительное удлинение при разрыве.

Основными материалами, применяемыми в машиностроении,

являются чугун, сталь, цветные металлы и сплавы. В последнее

время все более широкое применение получают металлокерамиче­ ские материалы и пластические массы.

Чугун представляет собой не обладающий пластичностью сплав железа с углеродом и некоторыми другими присадками. Даже при высокой температуре чугун не поддается обработке давлением с целью изменения формы, а потому применяется только для полу­ чения отливок.

В зависимости от содержания углерода и вида, в каком углерод находится в чугуне (в свободном или химически связанном состоя­ нии), различают чугуны серые и белые. Серый чугун хорошо пла­ вится и заполняет формы, хорошо обрабатывается резанием и по­ этому является основным конструкционным чугуном. Белый чугун

очень трудно поддается обработке резанием, плохо плавится и за­ полняет форму, вследствие чего применяется только в некоторых специальных случаях.

ГОСТом 1412-54 установлено девять марок серого чугуна от СЧ 12-28 до СЧ 38-60. В обозначении марки буквами отмечается ма­ териал (СЧ — серый чугун), числами — пределы прочности в кГ/мм2 (первым числом — при растяжении, вторым — при изгибе). Кроме

обыкновенного серого чугуна, применяется модифицированный се­ рый чугун (СМЧ), обрабатываемый в жидком состоянии некото­

рыми присадками с целью улучшения его свойств, а также ковкий чугун (КЧ), отличающийся способностью подвергаться большим

по сравнению с обыкновенным чугуном деформациям (несмотря на свое название, этот чугун не может коваться, т. е. изменять форму под давлением).

При конструировании чугунных деталей необходимо предусмат­

ривать возможность легкого изготовления формы и избегать больших скоплений металла в отдельных частях, а также резких переходов стенок от одного направления к другому и от одной толщины к дру­ гой, так как в таких местах в результате неравномерного остывания

отливок возникают большие напряжения.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и различ­ ными присадками, обладающий пластичностью. В зависимости от хи­ мического состава и термической обработки можно получать стали с разнообразными механическими и другими свойствами.

Разные виды стали, за исключением специальных, делятся:

1) на сталь углеродистую обыкновенного и повышенного каче­ ства;

2)на сталь углеродистую качественную машиностроительную

3)на сталь низколегированную конструкционную;

4)на сталь легированную машиностроительную.

14 Введение

установлено 13 марок, из которых чаще применяются девять марок от стали Ст.О до стали Ст.7. Чем выше цифра в обозначении марки стали, тем больше содержание углерода. С увеличением номера марки увеличиваются предел текучести и предел прочности при рас­

шиностроении, обладают хорошей пластичностью, хорошо свари­ ваются, сталь Ст.З не закаливается, сталь Ст.5 хорошо закали­ вается, стали Ст.6 и Ст.7 обладают высокой прочностью и износо­ устойчивостью, пониженной пластичностью и свариваемостью, хо­ рошо закаливаются.

Для сталей групп II и III установлено 24 марки.

Сталь углеродистая качественная машиностроительная

(ГОСТ 1050-57) делится на две группы в зависимости от содержания марганца. В группе I (с нормальным содержанием марганца) преду­ смотрены 21 марка от стали 08 до стали 85 с пределом прочности при растяжении соответственно от 33 до 115 кГ/мм2 и пределами текучести от 20 до 100 кГ/мм2. В группе II (с повышенным содер­

до 95 кГ/мм2 и пределами текучести от 27 до 52 кГ/мм2. В обозна­ чениях марок этих сталей первые две цифры указывают на прибли­ зительное содержание углерода в сотых долях процента, буква J? — на содержание марганца до 1%, цифра 2 после буквы Г — па

содержание марганца свыше 1 %. Качественные стали применяют для изготовления деталей, которые должны удовлетворять повы­ шенным требованиям прочности и могут подвергаться термической обработке.

Легированной называется сталь с присадками разных элементов,

придающих стали повышенные механические и другие свойства (жаростойкость, коррозийную стойкость) Легированных сталей в настоящее время насчитывается более 100 марок, в которых пер­ выми двумя цифрами отмечается приблизительное содержание угле­ рода в сотых долях процента, а следующими за цифрами буквами —

присадки. Буквой Г отмечается марганец, С — кремний, X — хром,

Н— никель, В — вольфрам, Ф — ванадий, М — молибден, Р — бор,

Ю— алюминий. Буквой А в конце марки отмечается повышенное

сталь с содержанием углерода 0,35%, хрома, вольфрама и ва­ надия не выше 1% каждого, никеля около 3%.

Вследствие дефицитности и дороговизны некоторых присадок

легированные стали являются дорогими, и поэтому применение их во всех случаях должно обосновываться.

Для низколегированных конструкционных сталей (ГОСТ 5058-57)

Для легированных машиностроительных сталей (ГОСТ 4543-57)

установлено три группы и 79 марок во всех группах. Предел проч­ ности при растяжении в разных сталях этих марок колеблется от 42 (сталь 12ХМ) до 165 кГ/мм2 (сталь ЗОХГСНА), предел теку­ чести от 23 (сталь 12ХМФ) до 140 кГ/мм2 (сталь ЗОХГСНА).

Цветные металлы и сплавы. К числу основных применяемых

в машиностроении цветных металлов следует отнести медь, цинк,

олово, свинец, никель и алюминий. В технически чистом виде эти металлы применяются сравнительно редко. Широко применяются следующие виды сплавов меди:

1)латунь — сплав меди с цинком и некоторыми другими при­ бавками в незначительных количествах;

2)бронза — сплав меди с оловом, свинцом или алюминием,

атакже некоторыми другими прибавками;

3)баббиты — сплавы олова, свинца, сурьмы и меди, применяе­ мые для заливки вкладышей и подшипников.

В стандартных марках латуней (ГОСТ 1019-47), бронз оловянистых

(ГОСТ 613-50) и безоловянистых (ГОСТ 493-54) буквами Л и Бр.

отмечается вид сплава (латунь или бронза). Остальные компоненты отмечаются следующим образом: А — алюминий, Ж — железо, Мц—

свинца по 2%.

Применение цветных металлов и сплавов вследствие их дорого­ визны всегда должно обосновываться.

В машиностроении применяются также металлокерамические материалы и многочисленные виды пластических масс.

Детали из металлокерамических материалов получаются прес­ сованием смесей порошков в стальных пресс-формах под давлением до 6000 кГ1слР с последующим спеканием пли прессованием с одно­

временным нагревом. Заданные размеры деталей, изготовляемых таким образом, получаются достаточно точными и лишь в отдельных

случаях для достижения большей точности требуются добавочные доводочные операции. Применение металлокерамических материалов ограничивается сравнительной дороговизной металлических по­ рошков, нерентабельностью изготовления деталей в небольших

16 Введение

количествах из-за высокой стоимости пресс-форм и ограничен­ ностью габаритов деталей, связанной с технологией прессования.

Подробные сведения о видах пластических масс и применении их в машиностроении приведены в гл. VIII.

ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ДЕТАЛЕЙ. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДОПУСКАХ И ПОСАДКАХ

Общие сведения. Показанные на чертеже детали размеры могут быть выдержаны при ее изготовлении с большой, но не абсолютной точностью. Поэтому следует различать показанный на чертеже поми­

нальный размер и действительный, получающийся при изготовлении детали.

Некоторые действительные размеры могут отличаться от пока­ занных на чертеже поминальных размеров более или менее значи­

тельно. Таковыми являются в большинстве случаев так называемые свободные размеры, т. е. размеры тех поверхностей деталей, по ко­ торым не производится сопряжений с другими деталями. Такими размерами являются, например, внешний диаметр D и длина I изображенной на фиг. 1 детали А, охватывающей деталь В. Вну­ тренний диаметр dA детали А и наружный диаметр dB детали В при

одном и том же показанном на чертеже номинальном диаметре d должны быть выдержаны при изготовлении деталей с достаточно большой точностью, так как действительными диаметрами dA и dB

определяется требуемый характер сопряжения — так называемая

посадка.

Посадка определяет характер соединения двух вставленных одна в другую деталей и обеспечивает в той или иной степени сво­ боду их относительного перемещения или прочность их неподвиж­ ного соединения.

Охватывающая деталь называется условно отверстием и обо­ значается всегда буквой А; охватываемая называется условно валом и обозначается буквой В. Эти термины относятся и к таким деталям,

сопрягаемые поверхности которых не являются цилиндрическими; например, шпонка в пазу вала (фиг. 2), является валом, а паз вала,

степки которого охватывают шпонку, является отверстием.

При положительной разности А = dA—dB сопряжение деталей

получается выполненным с зазором, в зависимости от величины ко­ торого детали могут с большей или мепыпей легкостью перемещаться одна относительно другой, вращаясь или двигаясь в осевом напра­ влении.

Взаимозаменяемость деталей. Краткие сведения о допусках и посадках \Л

тали в большей или меньшей степени лишаются свободы относи­ тельного перемещения.

Натягом называется отрицательная разность между разме­ рами сопрягаемых поверхностей отверстия и вала до сборки, создаю­ щая после сборки неподвижное соединение.

При сопряжении с натягом охватывающая деталь получается

растянутой, а охватываемая сжатой. Относительному движению

сопряженных с натягом деталей препятствует сила трения па поверх­ ности их соприкосновения. При достаточно большом натяге сила трения настолько велика, что сопряженные детали без каких-либо дополнительных креплений могут выполнять свое назначение, как

Фиг. 1.

единое целое, даже при действии на них значительных сил, стремя­ щихся вызвать их относительное движение.

Сопряжение с натягом осуществляется при надвигании одной детали на другую с некоторым усилием. При значительных натя­

гах надвигание производится при помощи пресса или после нагре­ вания охватывающей или охлаждения охватываемой детали.

Требуемая посадка может быть осуществлена путем индивидуаль­ ной пригонки одной детали к другой. Если таким образом будет изготовлено несколько одинаковых машинных узлов, состоящих из одинаковых деталей (один из деталей Аг и Blt другой из деталей

А2 и В2 и т. д.), то детали таких узлов не будут взаимозаменяемыми и в узлах, собранных из деталей Аг и В2 и А2 и Вг, требуемая посадка может получиться лишь случайно.

При массовом производстве многих механических устройств (автомобили, тракторы, авиационные двигатели, швейные машины

и пр.) индивидуальная пригонка одних деталей к другим для полу­

чения определенных посадок является не только нецелесообразной, но и недопустимой. При индивидуальной пригонке па каждом заводе пришлось бы иметь большой штат рабочих высокой квалифи­ кации для выполнения такой работы, потребители выпускаемой за­ водом продукции были бы лишены возможности легкого пользования запасными частями, при организации поточной работы встретились

18 Введение

бы большие затруднения. В настоящее время детали массового про­ изводства. подлежащие сопряжению, изготовляются взаимозаменяе­ мыми, т. е. могущими занимать свои места в узлах без всякой до­ полнительной обработки. Изготовление таких деталей производится обыкновенно на разных станках разными рабочими, часто в разных помещениях.

Взаимозаменяемыми изготовляются не только отдельные детали разных машинных узлов, но и целые, часто сложные машинные узлы.

Изготовление взаимозаменяемых деталей регулируется дей­

ствующими в СССР стандартами. Сведения о содержании таких стандартов приведены ниже.

Системы допусков, классы точности. Переходя постепенно от наибольшего возможного натяга к наибольшему зазору, необходи­ мому в некоторых случаях, можно представить себе очень большое

(теоретически бесконечно большое) число разных посадок, каждая

из которых от двух смежных с нею будет отличаться величиной на­ тяга или зазора весьма незначительно.

Слишком большое число разных посадок не является необходимым даже для таких отраслей промышленности, в которых детали при­ ходится обрабатывать с особенно большой точностью. Кроме этого, большое число незначительно отличающихся одна от другой поса­

влекла бы за собой неоправданное увеличение стоимости обработки. Поэтому стандартами установлено ограниченное число разных по­ садок.

Для каждой из стандартных посадок установлены не строго оп­ ределенные натяги или зазоры, а лишь довольно широкие пределы, в которых натяги или зазоры должны находиться. Для каждой оп­ ределенной посадки в стандартах для отверстия и вала указаны до­ пустимые предельные отклонения от номинального размера. Напри­ мер, если для диаметра dA отверстия указаны предельные отклоне­

ния +0,027 мм (наибольшее) и О (наименьшее), а для диаметра dB

вала +0,052 мм (наибольшее) и +0,035 мм (наименьшее), то подле­ жащие сопряжению детали должны считаться правильно изготовлен­

ными, если действительные диаметры их будут находиться в преде­

лах

d<dA<(c/ + 0,027);

(d + 0,035) < dB < (d + 0,052),

где d — номинальный диаметр в мм.

При таких пределах наибольший натяг получится, если отвер­ стие будет выполнено с наименьшим допустимым диаметром, а вал с наибольшим допустимым диаметром. Наименьший возможный на­