Техническая механика. Учебное пособие для СПО

ЛЕКЦИЯ № 10. Основные положения

1. Основные понятия

Машиной называется агрегат, производящий полезную ра боту. Машины различаются по назначению, размерам и конст рукции, но все состоят из одинаковых по форме и назначению элементов — деталей.

Деталью называется элементарная часть машины, не под лежащая разборке, например, вал, гайка, болт. Деталь, к кото рой крепятся остальные детали, называется базовой.

Несколько деталей, соединенных между собой, называют ся узлом. Несколько соединенных узлов представляют собой

сборочную единицу, или машину.

Любая машина всегда состоит из трех механизмов:

1)рабочий орган, или исполнительный механизм;

2)двигатель;

3)передача.

Рабочий орган выполняет определенную производствен ную функцию. Например, экскаватор должен копать землю, его рабочим органом является ковш, стрела, напорный меха низм. Чтобы он работал, нужен источник энергии — двига+ тель. Чтобы передать энергию к рабочему органу, нужна пе+

редача.

Механизмом называется устройство, совершающее стро го закономерные движения. Как правило, механизм является составной частью машины.

Ко всем деталям машин предъявляются следующие требо вания:

1)прочность;

2)экономичность (высокий КПД);

3)низкая стоимость;

101

4)простота управления и безопасность обслуживания;

5)эстетичность.

В разделе «Детали машин» изучаются детали общего назна чения, применяемые во всех машинах: соединения, передачи, детали вращения. Детали, присущие определенному виду ма шин, изучаются в специальных курсах.

Выбор допускаемых напряжений. На выбор допускаемых напряжений оказывают влияние точность формул, достовер ность механических качеств материалов, правильная оценка величины и характера действующих нагрузок.

Условия работы различных деталей неодинаковы, и об щих норм допускаемых напряжений не существует. Тем не менее, существуют разработанные на основе практики нор мы допускаемых напряжений для отдельных видов деталей: только для валов, только для болтов, только для зубчатых ко лес и т. д.

Допускаемое напряжение определяется двумя способами: аналитически и по таблице.

Аналитический способ — это расчет по формуле:

[σ ]= σ . n

Для хрупких материалов:

[σ ]= σ gx , n

где n — коэффициент запаса; σпц — предел прочности.

Коэффициент запаса n определяется очень сложно. Он состоит из большого количества различных коэффициентов, учитывающих характер нагрузки и свойства материала, тип и чистоту обработки, влияние местных напряжений.

102

Допускаемые напряжения выбираются по таблице, что при меняется на производстве.

Выбор материалов зависит от назначения машины, назна чения деталей, способа изготовления и ряда других факторов. Правильный выбор материалов в значительной мере влияет на качество деталей и машины в целом.

Детали машин изготавливают из металлических и неметал лических материалов.

Металлы, применяемые в машиностроении, делятся на черные и цветные.

Черные металлы подразделяются на чугуны и стали. Конструкционные стали делятся на углеродистые и леги

рованные. Углеродистая сталь бывает обычного качества (Ст1, Ст2, Ст3, Ст5), повышенного качества (сталь 40, сталь 50 и т. д.). Легированная сталь — это сталь, улучшенная леги рующими элементами — хромом, никелем и т. д. (сталь 40Х, сталь 40ХН и т. д.).

Чугуны бывают серые (основной литейный материал, при меняемый в машиностроении), ковкие и белые чугуны.

Цветные металлы, применяемые в машиностроении, делят ся на сплавы меди (бронзы, латуни и баббиты) и легкие сплавы (сплавы алюминия и магния).

К неметаллическим материалам относятся дерево, пласт масса, резина, стекло, фарфор.

При подборе материалов для изготовления деталей необхо димо учитывать их стоимость, долговечность и безопасность.

2. Разъемные соединения

Соединения в машинах делятся на две основные группы — подвижные и неподвижные. Подвижные соединения служат для обеспечения относительного вращательного, поступа тельного или сложного движения деталей. Неподвижные со единения предназначены для жесткого скрепления деталей между собой или для установки машин на основаниях и фун даментах. Неподвижные соединения, в свою очередь, могут быть разъемными и неразъемными.

103

Разъемные соединения (болтовые, шпоночные, зубчатые

идр.) допускают многократную сборку и разборку без разру шения соединительных деталей.

Неразъемные соединения (заклепочные, сварные, клеевые

идр.) могут быть разобраны лишь путем разрушения соеди няющих элементов (заклепок, сварного шва и т. д.).

Крезьбовым относятся соединения деталей с помощью болтов, винтов, гаек, шпилек, стяжек, резьбовых муфт и т. д. Основным скрепляющим элементом резьбового соединения является резьба. Резьбой называется винтовая линия, нане сенная на цилиндрическую или коническую поверхность.

Резьбы бывают крепежные (служат для соединения дета лей) и специальные (выполняют как функцию соединения, так и другие функции: преобразование движения, уплотнение

ит. п.).

Ккрепежным резьбам относятся:

1. Основная метрическая — характеризуется наружным диа метром d, шагом p и углом профиля 60°.

Важнейшим параметром является внутренний диаметр d1. Основной называется такая резьба, для которой выполняется соотношение:

d1 = 0,85. d

Обозначается М6, М10, М12, М18 и т. д.

2. Мелкая метрическая — характеризуется точно так же, как основная, но имеет более мелкий шаг:

d1 > 0,85. d

Преимущества мелкой резьбы следующие: лучшее сопро тивление самоотвинчиванию; выше прочность, меньше ослаб ление тела болта резьбой.

104

3.Дюймовая — характеризуется наружным диаметром d (в дюймах), углом профиля 55° и количеством ниток К на один дюйм длины резьбы.

Обозначается 5/8″, 5/16″, 1/12″ и т. д. Крепежная резьба бывает правая и левая. К специальным резьбам относятся.

1.Грузовая — бывает прямоугольная, упорная и трапецеи дальная.

Прямоугольная резьба применяется в прессах, домкратах, упорная и трапецеидальная — в металлорежущих станках и хо довых винтах.

Прямоугольная грузовая резьба обозначается прям. 40 × 6, прям. 50 × 8 и т. д. Упорная и трапецеидальная — соответст венно уп. 50 × 8, трап. 60 × 8 и т. д.

2.Трубная дюймовая.

Обозначается: труб. 1/2″, труб. 3/4″ и т. д. Цифра указывает внутренний диаметр трубы, на которой нарезана резьба.

3.Коническая.

Эта резьба обладает очень высокой прочностью и плот ностью, применяется в штуцерах, вентилях. Обозначается:

к.30 × 1,5, к. 40 × 2 и т. д.

4.Круглая.

Применяется на штампованных и литых изделиях (элект ролампочки, крышки термосов, крышки фляг).

5.Часовая — диаметр меньше 1 мм.

6.Многоходовая.

7.Модульная (червяк).

8.Питчевая.

Для закрепления резьбовых соединений применяют болты и средства против самоотвинчивания.

Болты бывают черные (допуски не нормируются), получис+ тые (имеют определенные допуски) и чистые (специально по догнанные).

Болты отличаются формой головки (шестигранная, прямо угольная и др.), диаметром и длиной нарезной части.

Средства против самоотвинчивания. Самоотвинчиванием на зывается произвольное отвинчивание болта или гайки в резуль тате вибрации.

105

Против самоотвинчивания применяются:

1)прорезная или коробчатая гайка со шплинтом;

2)шайбы гроверы;

3)контргайки;

4)различные стопоры;

5)сопряжение по конической поверхности.

3.Расчет резьбовых соединений

Соединение бывает напряженное и ненапряженное.

Ненапряженным называется такое соединение, когда гайка закручена, но не затянута (например, хвостовой крюк подъемного крана). При отсутствии внешней нагрузки в резь бе нет напряжений. Напряженным называется такое соеди нение, когда гайка затянута и при отсутствии внешней на грузки в резьбе действует напряжение, вызванное затяжкой гайки.

Расчет резьбового соединения при действии нагрузки вдоль

оси болта. Проверка прочности болтов на растяжение при осевом усилии проводится по формуле:

где [σр] = 20—90 МПа — для напряженного соединения; [σр] = 90 МПа — для ненапряженного соединения.

Требуемый внутренний диаметр резьбы:

При диаметре болта d > 40 мм разницы для напряженного

иненапряженного соединения нет.

Взависимости от d1, по таблице выбирается d. Для основ ной метрической резьбы диаметр можно определить по фор

муле:

106

d = d1

0,85

и округлить до стандартного значения.

Расчет резьбового соединения при действии нагрузки перпен+ дикулярно оси болта.

В этом случае возможны два варианта:

1)постановка болта с зазором;

2)постановка чистого болта без зазора.

При постановке болта с зазором болт работает на растяже+ ние. Между деталями создается сила трения:

Fтр = 1,3F ;

где f — коэффициент трения; z — количество болтов.

Уравнение прочности на растяжение:

Из этой формулы можно определить F, z или d1:

Далее, в зависимости от d1, по таблице подбирается d. Коэф фициент трения:

f = 0,15—0,25.

107

При постановке чистого болта без зазора болт работает на срез.

Условие прочности на срез:

где d — диаметр болта; i — число срезов.

Требуемый внутренний диаметр резьбы:

τср = 40—70 МПа.

Резьба в этом случае не работает, а служит для предотвра щения выпадения болта и принимается конструктивно.

4. Шпоночные, шлицевые и штифтовые соединения

Шпонка служит для относительно неподвижного соедине ния зубчатого колеса, шкива или полумуфты с валом.

Шпонка бывает: на лыске; фрикционная; врезная (наиболее распространенная шпонка); тангенциальная (применяется при больших мощностях, хорошо работает только в одном направ лении).

Если работа реверсивная, устанавливают две шпонки под углом 1200; сегментная — применяется при небольших мощ ностях, очень удобна в монтаже.

Врезные шпонки бывают призматические (с прямыми и скруг ленными торцами) и клиновые (без головки и с головкой).

108

Уклон должен быть не более 1/5, иначе шпонка не будет держаться. Головка служит для демонтажа.

Достоинства шпонок: простота изготовления; низкая стои мость.

Недостатки: ослабление вала; недостаточное центриро вание.

Расчет шпонок. Шпонка работает на срез и смятие окруж ной силой. Размеры шпонок выбираются по таблице в зависи мости от диаметра вала.

Длина шпонки принимается в зависимости от длины сту пицы колеса.

Проверка на смятие проводится по формуле:

4Т

σсм = dh(l −b) ≤ σсм ,

где Т — передаваемый момент; d — диаметр вала;

h — высота шпонки; l — длина шпонки;

b — ширина шпонки.

При прямых торцах:

4Е

σсм = dhl ≤ σсм .

Проверка на срез:

τср = 100÷110 МПа.

109

Наиболее опасным является смятие, поэтому, если резуль тат проверки шпонки на смятие удовлетворительный, расчет на срез можно не делать.

Шлицевые соединения. Шлицевые зубья бывают прямозу+ бые, эвольвентные и треугольные.

Центрирование может быть осуществлено по наружной или внутренней поверхности, для эвольвентных зубьев — по боковым поверхностям. Зубья нарезаются на фрезерных, зу борезных или долбежных станках.

Шлицевые соединения широко применяются в коробках передач. Соединения с треугольными зубьями применяются для различных рукояток и фиксируются болтами.

Достоинства шлицевых соединений:

1)высокая прочность соединения;

2)хорошее центрирование;

3)меньшее, чем при других способах соединения, ослаб ление вала.

Недостатки: сложность изготовления, высокая стоимость. Размеры и количество зубьев выбираются по таблице, а за

тем проводится проверка на смятие:

2Е

σсм = 0,75zdср Асм ≤ σсм ,

где z — количество зубьев; dср — средний диаметр.

Шлицы подвергаются поверхностной закалке. Значение [σсм] зависит от характера работы и выбирается по таблице.

Штифтовые соединения. Эти соединения являются разъем ными и служат для соединения различных плоских деталей, для их фиксации и центровки.

Штифты работают на срез. Проверка прочности на срез проводится по формуле:

110