-2-360~1

3.1.2. Усталостное разрушение деталей и его причины. Контактные напряжения и контактная прочность

Для расчета и проектирования деталей и узлов машин необходимо знать нагрузки, которые могут воздействовать на деталь в процессе ее эксплуатации. При проектировании обычно оперируют расчетными схемами деталей, а все нагрузки, воздействующие на детали, рассматривают как режимы нагружений.

Для более точного учета нагрузок в расчетах деталей машин используют общепринятые типичные модели нагружения.

По характеру нагружения внешние силы разделяются на поверхностные и объемные. Поверхностные силы действуют на поверхность деталей и являются результатом взаимодействия деталей, объемные силы – силы тяжести и инерции – приложены к каждой частице детали. Силы вызывают в деталях деформации и напряжения.

По характеру изменения во времени напряжения подразделяют на статические и циклические.

Статическими называют нагрузки (напряжения), медленно изменяющиеся во времени. Циклические нагрузки характеризуются параметром цикла и непрерывно изменяются с течением времени.

Совокупность всех последовательных значений напряжений за один период их изменения называют ц и к л о м .

П е р и о д – время однократной смены напряжений.

Параметрами цикла нагружения являются амплитуда напряжений, среднее, максимальное и минимальное напряжение.

Если параметры цикла нагружения неизменны во времени, то такой режим нагружения называют постоянным (регулярным, стационарным).

Различают несколько стационарных циклов: симметричный (рисунок 3.3, а), асимметричный (рисунок 3.3, б) и пульсирующий (рисунок 3.3, в) или отнулевой. Стационарные циклы (рисунок 3.3, в) характеризуются:

1.Максимальной Fmax и минимальной Fmin нагрузкой,

2.Амплитудой цикла

3.Средней величиной нагрузки

211

4. Коэффициентом асимметрии

У симметричного цикла (рисунок 1, а)

Пульсирующий цикл имеет (рисунок 1, в)

Рисунок 3.3- Виды стационарных циклов

Режим нагружения, в котором параметры цикла изменяются во времени, называют переменным. В этом случае расчеты выполняют по эквивалентным нагрузкам, условно приравнивая разрушающее действие переменных нагрузок постоянной эквивалентной нагрузке, действующей такой же период времени

Рисунок 3.4- Отнулевой цикл растяжения (а), отнулевой цикл сжатия (б), подобные циклы (в)

Циклы с одинаковыми коэффициентами асимметрии называют подобными (рисунок 3.4,в).

У симметричного цикла m 0 ; а max и R 1.

212

На рисунке 3.4, а изображен отнулевой цикл растяжения ( R 0 ), а на рисунке 3.4, б - отнулевой цикл сжатия ( R ).

Пример на определение параметров цикла: При движении шатуна двига-

Для деталей машин, испытывающих во время работы переменные напряжения, характерно усталостное разрушение. Опыты показывают, что детали машин, подвергающиеся длительное время переменным напряжениям, могут разрушаться при напряжениях, значительно меньших предела прочности u ( в ) , а во многих случаях даже меньших предела текучестиу ( Т ) данного материала детали при статическом напряжении. При этом

разрушение происходит без заметных остаточных деформаций мгновенно, т. е. имеет ярко выраженный хрупкий характер даже в случае, если материал детали обладает высокой пластичностью.

Экспериментальными исследованиями процесса разрушения установлено, что после определенного числа циклов перемен напряжений в материале испытываемой детали появляется усталостная микротрещина. Эта трещина появляется обычно на поверхности в местах наибольших напряжений и в тех местах, где имеются пороки материала — неоднородное строение,

наличие следов механической обработки и повреждений поверхности детали (раковины, газовые и шлаковые включения, царапины, следы резца и т. п.), а также в местах концентрации напряжений. Образовавшаяся трещина, сначала очень маленькая, невидимая простым глазом, под влиянием переменных напряжений, постепенно развивается (расширяется и углубляется) и охватывает все большую толщу материала. После того, как трещина достигнет такой величины, что сечение детали заметно ослабнет, про-

исходит внезапный усталостный излом (усталостное разрушение).

213

Таким образом, причиной поломок деталей машин в большинстве случаев является усталость — это процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. Свойство материала противостоять усталости называется сопротивлением

усталости.

При расчете деталей машин, на которые в процессе работы действуют переменные напряжения, основной характеристикой прочности материала является предел выносливости, который, как правило, определяют опытным путем. Для испытания изготовляют серию (не менее 10) совершенно одинаковых тщательно отполированных лабораторных образцов. Первый образец нагружают так, чтобы вызвать циклы напряжений с 1 max (0,5...0,6 u ) , т.е. несколько ниже предела прочности и отмечают, сколько циклов образец выдержал без разрушения. Второй образец испытывают при еще меньшем значении 2 В этом случае, естественно, образец выдерживает, не разрушаясь, большее число циклов. Постепенно снижая значение максимального напряжения цикла, испытывают образцы до тех пор, пока один из них не выдержит, не разрушаясь, 107

циклов (для углеродистых сталей) или 108 циклов для цветных металлов

и их сплавов и для высокопрочных легированных сталей.

Это число циклов называю б а з о й и с п ы т а н и й . Установлено, что образец, выдержавший при данном значении напряже-

ния базу испытаний, не разрушится и при дальнейшей работе в таком режиме.

Максимальное напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытания, называется пределом выносливости. Его обозначают R , где R соответствует коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости при симметричном цикле1 , а при отнулевом цикле растяжения 0 . Экспериментально установлено,

что симметричный цикл наиболее опасный.

График (рисунок 3.5), построенный по результатам испытаний, назы-

вают к р и в о й у с т а л о с т и .

214

Рисунок 3.5-Кривая усталости

Факторы, влияющие на предел выносливости:

1) наличие концентраций напряжений значительно снижает предел выносливости, поэтому при конструировании деталей, работающих при переменных напряжениях, особенно важно выбрать их формы, при которых не

Концентрацией (т.е. сосредоточением) напряжений принято называть явление возникновения местных напряжений, а причины, их вызывающие (отверстия, надрезы, галтели, шпоночные пазы, кольцевые канавки, посадки деталей с натягом, шлицы, резьба и т. п.), - концентраторами напряжений. На рисунке 3.6 показано распределение напряжений в попе-

но превышают номинальные (напряжения в поперечных сечениях): FA .

Рисунок 3.6- Распределение напряжений в поперечном сечении, проходящем через надрезы в растянутой пластине

215

2)влияние абсолютных размеров детали. Экспериментально установлено, что с увеличением абсолютных размеров поперечного сечения детали предел выносливости снижается. Это объясняется тем, что с уве-

личением объема материала возрастает вероятность наличия в нем неоднородностей строения (шлаковые и газовые включения, дефектные зерна и т. п.), это приводит к появлению очагов концентрации напряжений.

3)влияние качества обработки поверхностей деталей. При статиче-

ских нагрузках качество обработки рабочих поверхностей деталей оказывает незначительное влияние на их прочность. При циклических нагрузках разрушение деталей связано с развитием усталостных трещин, возникающих в поверхностном слое. Развитию этих трещин способствует возникшая в результате механической обработки детали шероховатость поверхности в виде рисок, царапин, следов резца и т. п., которые являются концентраторами напряжений. С увеличением шероховатости поверхности предел вы-

носливости снижается. При одновременном воздействии на детали циклических нагрузок и коррозионной среды возникает явление более интенсивного накопления усталостных повреждений, называемое коррозионной усталостью. Предел выносливости вследствие влияния коррозионной среды снижается в 3 раза и более.

4)влияние поверхностного упрочнения. Повышение прочности поверх-

ностного слоя и появление в нем остаточных напряжений сжатия, препятствующих образованию усталостной трещины, достигается дробеструйным

деформационным упрочнением (наклепом), накатыванием роликами и ша-

риками, поверхностной закалкой и нагревом ТВЧ, химико-термической обработкой, лазерной обработкой и др. В результате поверхностного упрочнения в ряде случаев предел выносливости повышается в 2...3 раза и более, что является мощным средством повышения долговечности машин при одновременном снижении их массы. Наибольший эффект поверхностное упрочнение дает для деталей, имеющих заметную концентрацию напряжений.

Современные методы оценки прочности деталей машин базируются на сравнении нормальных ζ или касательных напряжений η с допускаемыми

[ζ]и [η].

Под допускаемыми напряжениями понимают максимальные значения рабочих напряжений, которые могут быть допущены в опасном сечении при условии обеспечения необходимой прочности и долговечности детали во время ее эксплуатации. Следовательно, условие прочности можно выразить формулами:

216

где F – действующая нагрузка, Н; A – площадь сечения детали, мм2 .

Для пластичных материалов в качестве предельного напряжения берется предел текучести и запас прочности S:

Для хрупких материалов в качестве предельного напряжения берется предел прочности и запас прочности:

Запасом прочности S детали называют отношение предельного напряжения к допускаемому напряжению.

Одним из наиболее общих условий конструирования машин является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы машин с излишними запасами прочности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с выходом конструкции из строя из-за разрушения или повреждения других элементов. Повышение несущей способности и увеличение сроков службы детали осуществляют путем использования конструктивных, технологических, металлургических и эксплуатационных мероприятий. Для повышения прочности необходимо увеличить прочностные характеристики материала, уменьшить вредное воздействие динамических нагрузок (например, при 3000 об/мин смещение центра тяжести ротора на 0,1 мм создает нагрузки, равные весу ротора), уменьшить концентрацию напряжений в опасных сечениях, сконструировать детали с возможно более равномерным распределением напряжений.

217

3.2. Общие сведения о механических передачах, их классификация 3.2.1. Классификация, сравнительные характеристики механических передач

Под передачами понимают механизмы, служащие для передачи механической энергии на расстояние, с преобразованием скоростей и моментов, иногда — с преобразованием видов движения.

Отношение угловой скорости ведущего вала к угловой скорости ве-

домого называют передаточным числом передачи.

В практике приборо- и машиностроения применяют следующие разновидности передач: механические, электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные.

При изучении «Деталей машин» будут рассматриваться лишь механические передачи, т.е. передачи, представляющие собой механические устройства и имеющие наибольшее распространение.

Функции, выполняемые передачами:

выбор и применение наивыгоднейшей (оптимальной) скорости движения;

регулирование скорости движения (повышение или понижение); преобразование вида движения (вращательного в поступательное, винтового в поступательное и т.д.);

изменение направления движения (реверсирование);

изменение крутящих моментов и сил движения;

передача мощности на расстояние.

Наиболее распространенные передачи делятся на группы:

группа 1-я — передачи с непосредственным контактом (фрикционные) и зацеплением (зубчатые, червячные); группа 2-я —передачи гибкой связью (ременные, цепные).

Механические передачи равномерного вращения классифицируются по следующим признакам.

По принципу действия:

1)фрикционные — действующие за счет сил трения, создаваемых внешними силами между элементами передачи;

2)зацеплением — работающие в результате возникновения давления между специальными выступами (зубьями, кулачками или др.) на взаимодействующих деталях.

По характеру изменения скорости:

1)понижающие (редукторы) и 2) повышающие (мультипликаторы).

По взаимному, расположению валов в пространстве передача движения осуществляется между:

218

1)параллельными,

2)пересекающимися,

3)перекрещивающимися

4)соосными валами.

По характеру движения валов:

1)простые, у которых валы лишь вращаются вокруг своих осей, а оси валов и сидящих на них взаимодействующих деталей остаются в пространстве неподвижными;

2)планетарные, у которых оси и сидящие на них детали (сателлиты) вращаются вокруг некоторой неподвижной основной оси передачи. Оси сателлитов закрепляются в звене передачи, называѐмом - водилом, также вращающемся вокруг основной оси.

По числу ступеней, т. е. отдельных передач, взаимно связанных и одновременно участвующих в передаче и преобразований движения:

1)одноступенчатые,

2)многоступенчатые (двух-, трехступенчатые и т. д.). По конструктивному оформлению:

1)открытые; не имеющие общего закрывающего их корпуса, жестко связывающего подшипниковые узлы передачи;

2)полузакрытые, смонтированные подобно открытым из независимых узлов и имеющие лишь легкий кожух, защищающий передачу от загрязнения, но не выполняющий силовых функций;

3)закрытые; заключенные в общий прочный и жесткий корпус, обеспечивающий герметизацию и постоянную смазку пересдач. Быстроходные передачи выполняются, как правило, закрытыми.

Передачи бывают кинематические, служащие только для преобразования угловых скоростей, и силовые — для передачи вращающих моментов.

Закрытые, отдельно выполненные передачи с передаточным отношением больше 1 называются редукторами, а с передаточным отношением меньше 1 — мультипликаторами.

Механические передачи обладают целым рядом достоинств обеспечивающих их широкое использование в современном мащино- и приборостроении. Они компактны, удобны для встраивания в общую конструкцию машины, отличаются высокой надежностью в эксплуатации, позволяют относительно просто осуществлять необходимые преобразования движения и практически почти любые - передаточные отношения, при надлежащем качестве изготовления обладают высоким к. п. д.

219

3.3. Фрикционные передачи 3.3.1. Классификация, принцип работы и устройство фрикционных передач

Фрикционная передача относится к передачам трением с непосредственным контактом фрикционных элементов. Передача состоит из двух катков, закрепленных на валах (рисунок 3.7). Подшипники ведомого вала выполнены подвижными, благодаря чему вал может перемещаться в направлении линии центров передачи. Пружина сжатия, действующая на подвижный подшипник, прижимает катки один к другому силой Fr, нагрузка передается силой трения R f , возникающей в месте контакта вращающихся катков.

Рисунок 3.7 – Цилиндрическая фрикционная передача

Условие работоспособности передачи: На практике применяют два способа прижатия катков: постоянной си-

лой (например, пружины, собственный вес элементов передачи и т. п.) и переменной силой, которая автоматически изменяется пропорционально изменению передаваемой силы.

Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:

1.По назначению:

-с нерегулируемым передаточным числом Передаваемая мощность до 20 кВт, допускаемая скорость катков до 25 м/с. Этим передачи нашли ограниченное использование в виде кинематических передач в приборах (магнитофоны, кинокамеры и т. п.), где требуется плавность и бесшумность работы; - с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного чис-

ла(вариаторы).

2.По взаимному расположению осей валов:

-цилиндрические или конусные с параллельными осями (рисуньк 3.8,а);

-конические с пересекающимися осями (рисунок 3.8, б).

-лобовые при скрещивающихся осях

-торовые с соосными осями валов.

220