Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Детали машин и основы конструирования. Часть 1. Механические передачи. Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям 35.03.06, 23.03.03,.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Д. В. НИКИТИН, Ю. В. РОДИОНОВ, И. В. ИВАНОВА
ДЕТАЛИ МАШИН И
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Часть 1
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлениям 35.03.06, 23.03.03, 15.03.02, 15.03.05, 18.03.02
Учебное электронное издание
комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2015
1
УДК 621.8(075.8)
ББК К445я73
Н62
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
С. И. Лазарев
Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО МичГАУ
В. И. Горшенин
Н62
Никитин, Д. В.
Детали машин и основы конструирования. Ч. 1: Механические передачи [Электронный ресурс] : учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям 35.03.06, 23.03.03,
15.03.02, 15.03.05, 18.03.02 / Д. В. Никитин, Ю. В. Родионов,
И. В. Иванова. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. –
1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования :
ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод
RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл.
с экрана.
34,7 Mb
ISBN 978-5-8265-1398-9.
Учебное пособие соответствует программе курса «Детали машин
и основы конструирования». Приводятся описание и анализ типовых
современных конструкций деталей, применяемых в отечественном
машиностроении. Сформулированы основные принципы, примеры и
правила проектирования машин и их деталей.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям
35.03.06, 23.03.03, 15.03.02, 15.03.05, 18.03.02.
УДК 621.8(075.8)
ББК К445я73
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-1391-0 (общ.)
ISBN 978-5-8265-1398-9 (Ч. 1)
2
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2015
ВВЕДЕНИЕ
Содержание настоящего пособия соответствует программе курса
«Детали машин и основы конструировании» для машиностроительных
специальностей высших технических учебных заведений.
Курс «Детали машин и основы конструирования» является
завершающим в цикле общетехнических предметов, которые служат
базой для изучения специальных дисциплин.
В учебном пособии приводятся описание и анализ типовых
современных конструкций деталей, применяемых в отечественн
машиностроении.
Большинство расчётных формул приводятся без промежуточных
преобразований, когда это не мешает объяснению физического смысла, что облегчит учащемуся воспринимать предмет.
Основная задача дисциплины «Детали машин и основы конструирования» – повышение квалификации студентов путём изучения методов, правил и норм расчёта и конструирования типовых деталей и сборочных единиц машин.
Данно
е учебное пособие разработано для формирования у студентов необходимых компетенций, а также знаний, умений и навыков
в целях владения будущими специалистами инженерным подходом
к решению задач на прочность, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость, износостойкость и коррозионностойкость, исходя из заданных условий работы деталей в машине.
В учебном пособии приведены основные пр
инципы и правила
проектирования машин и их деталей на примере приводов общего назначения, а также дана информация по выбору материалов деталей
машин и методам расчёта.
ом
3
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТАЛЯХ МАШИН
Курс «Детали машин и основы конструирования» является первым из расчётно-конструкторских курсов, в котором изучают методики инженерного расчёта и основы проектирования машин и механизмов.
Машина – устройство, выполняющее механические движения для
преобразования энергии, материалов и информации в целях замены
или облегчения физического и умственного труда человека.
Механизмом называют сис
для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые
движения других тел (редуктор, коробка передач и др.).
Любая машина (механизм) состоит из деталей.
Деталь – такая часть машины, которую изготовляют без сбороч-
ных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.п.) или
сложными (корпус редуктора, станина станка и т.п.). Де
или полностью) объединяют в узлы.
Узел представляет собой законченную сборочную единицу,
состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта и т.п.). Сложные узлы (редуктор)
могут включать подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми
колёсами и т.п.
Среди большого разн
такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т.п.). Эти детали (узлы) называют деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин и основы
конструирования». Все другие детали (поршни, лопатки турбин, гребные винты и т.п.) отн
осятся к деталям специального назначения и изу-
чаются в специальных курсах.
На развитие современного курса «Детали машин и основы конструирования» большое влияние оказывает быстрый прогресс отечественного и зарубежного машиностроения. Этот прогресс требует всё
более широкой стандартизации и унификации деталей общего назначения, а также их изготовления в массовых к
зированных заводах. В условиях массового и специализированного
производства значение курса «Детали машин и основы конструирования» возрастает.
тему твёрдых тел, предназначенную
тали (частично
ообразия деталей и узлов машин выделяют
оличествах на специали-
4
Основные требования к конструкции деталей машин. Совер-
Δ
шенство конструкции детали оценивают по её надёжности и экономичности.
Надёжность – это свойство изделий выполнять свои функции
в течение заданного срока или наработки, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надёжность закладывается на стадии проектирования, поддерживается на стадии изготовления и эксплуатации. Надёжность изделий оп
ределяется безотказностью, ремон-
топригодностью, сохраняемостью и долговечностью.
Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы детали
n
=
Р
,
n
где nΔ – число деталей, которые выдержали испытание; n – общее
число испытываемых деталей.
При последовательном соединении деталей в машине вероятность
безотказной работы машины определяется по формуле
где
...
321
,, РРР – безотказность работы 1-й, 2-й и т.д. деталей.
321
n
∏
=
i
,
РРРРРР
in
1
==
Из формулы можно сделать два вывода:
− вероятность безотказной работы машины всегда меньше веро-
ятности безотказной работы самой малонадёжной детали, входящей
в неё; таким образом, надо стремиться к повышению надёжности
данной детали;
− в машинах должно быть минимальное число деталей.
В случае параллельного со
единения деталей в машине и при
условии равнонадёжности всех деталей вероятность её безотказной
работы можно определить по формуле
n
()
РР −−= 11 .
i
При параллельном соединении деталей в машине с их увеличением в машине вероятность безотказной работы увеличивается, но при
этом увеличивается вес и сложность всей конструкции. Следует отметить, что в ряде случаев необходимо применять параллельные соединения (тормозная система автомобиля).
5
t
Δ
Рис. 1.1. Изменение интенсивности отказов в зависимости от времени
Условия безотказной работы машины в течение некоторого времени можно представить графической зависимостью (рис. 1.1).
Интенсивность отказов
λ определяется по формуле
,
=λ
nnΔ
где tΔ – продолжительность работы машины.
Анализируя график (рис. 1.1), можно сделать следующие выводы:
− изделие необходимо эксплуатировать после прохождения зо-
ны приработки (обкатки), которая может осуществляться как на заводе
изготовителе, так и непосредственно потребителем;
− ремонт машины необходимо проводить до наступления зоны
интенсивного износа.
В зоне эксплуатации детали вероятность безотказной работы
определяется формулой
tеРλ−
= .
Для повышения показателей надёжности необходимо:
− устранять недолговечные детали, которые имеют более низкий
показатель надёжности;
− применять статически определимые системы, являющие более
надёжными с точки зрения расчёта и проектирования;
− применять современные смазочные материалы, способствую-
щие увеличению надёжности;
− устанавливать предохранительные устройства, обеспечиваю-
щие защиту машины от выхода из строя.
− пр
именять стандартизованные и нормализованные детали,
позволяющие увеличивать надёжность изделия.
6
Экономичность машины определяется выбором материала, рас-
чётов и стоимостью производства и эксплуатации.
Выбор материалов для деталей машин является ответственным
этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом.
Выбор материала подчинён следующим требованиям:
− удовлетворение основным критериям работоспособности:
прочность, жёсткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость, ви
броустойчивость;
− возможность изготовления;
− стоимость и дефицитность материала;
− удовлетворение специальным требованиям материала (анти-
коррозионность, антифрикционность).
Рекомендации по выбору материалов и их механических характеристик приведены в соответствующих разделах курса в конкретном
приложении к различным деталям.
Чёрные металлы (чугун, сталь) – прочны, дёшевы, но имеют
высокий удельный вес и подвержены коррозии.
Цветные металлы – это группа материалов, обладающих лёгко-
стью, коррозионной стойкостью, фрикционной стойкостью, однако
они дороги и дефицитны.
Пластмассы – способны работать без смазки, работоспособны
при высоких температурах.
Особенности расчёта деталей машин. При проектировании не-
обходимо учитывать большое число факторов. Выразить эти факторы
в аналитической форме не всегда возможно, поэтому расчёты в курсе
«Детали машин и основы конструирования» часто носят расчётный
или эмпирический характер. Очень важно выбрать расчётную схему,
учесть главны
е и отбросить второстепенные факторы. В курсе «Детали
машин и основы конструирования» применяются проектный и проверочный расчёты.
Проектный расчёт – предварительный, упрощённый расчёт,
выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины)
в целях определения её размеров и материала.
проектной форме расчётов число неизвестных превышает
При
число расчётных уравнений, поэтому отдельным величинам приходиться задаваться, ориентируясь на данные опыта (в основном существующие конструкции).
7
Проверочный расчёт – уточнённый расчёт известной конструк-
ции, выполняемый в целях проверки её прочности или определения
норм нагрузки.
проверочной форме расчёта число неизвестных равно числу
При
проверочных уравнений. Этот метод используется при расчёте готовых конструкций.
Требования, предъявляемые к машинам и их деталям. При
проектировании новых машин к ним предъявляют следующие основные
требования: высокая производительность; надёжность и долговечность;
простота управления, обслуживания и ухода; быстрая окупаемость всех
затрат на проектирование и изг
отовление машины; малые габариты,
транспортабельность, соответствие эстетическим требованиям.
Детали проектируемой машины должны удовлетворять следующим требованиям: обладать достаточной прочностью, жёсткостью,
устойчивостью, износостойкостью, теплостойкостью, коррозионностойкостью; допускать возможность изготовления из недорогостоящих и
недефицитных материалов; иметь такую конструктивную форму, чтобы
их можно было изготовить наиболее простыми и производительными
технологическими процессами, т.е. детали должны быт
ь технологичными; обладать высокой надёжностью, т.е. выполнять заданные функции
с сохранением эксплуатационных показателей в течение требуемой
наработки (в часах, километрах или других единицах).
Основные критерии работоспособности и расчёта деталей.
Прочность – способность детали выдерживать нагрузки без видимых
разрушений, находясь в зоне упругих деформаций.
Прочность детали обеспечивается напряжениями, величина которых меньше или равна допустимым. В отличие от прочности, изучаемой в курсе «Сопротивление материалов» прочность в курсе «Детали
машин и основы конструирования» обеспечивается с учётом реальных
условий работы. Эти условия учитываются вве
дением специальных
коэффициентов в расчётные формулы.
Работоспособность многих деталей машин зависит от контактной
прочности, определяемой контактными напряжениями. В месте соприкосновения двух тел в тех случаях, когда размеры площадки касания
малы по сравнению с размерами тел (сжатие двух шаров, шара и плоскости, двух цилиндров и т.п.) возникают
контактные напряжения.
Если контактные напряжения превышают величину допускаемого
напряжения, то на поверхности деталей появляются вмятины, борозды
или мелкие раковины. Подобные повреждения наблюдаются у механических передач, а также в подшипниках качения.
8
а) б)
Рис. 1.2. Схема сжатия двух цилиндров с параллельными осями:
а – контактные напряжения; б – контактные и касательные напряжения
При расчёте контактных напряжений различают два характерных
случая:
и т.п.);
первоначальный контакт в точке (два шара, шар и плоскость
первоначальный контакт по линии (два цилиндра с параллель-
ными осями, цилиндр и плоскость и т.п.).
Рассмотрим случай сжатия двух цилиндров с параллельными
осями (рис. 1.2). До приложения удельной нагрузки
q цилиндры
соприкасались по линии. Под нагрузкой линейный контакт переходит
в контакт по узкой площадке. При этом точки максимальных нормальных напряжений σ
располагаются на продольной оси симметрии кон-
Н
тактной площадки. Величину этих напряжений вычисляют по формуле
Г. Герца (H. Hertz, 1857 – 1894)
H
где Eпр – приведённый модуль упругости:
E+=
E
q
=σ
ρ
пр
()
пр
2EEEE
μ−π
21
21
пр
, (1.1)
2
)1(
.
Здесь E1, E2 – модули упругости цилиндров; ρпр – приведённый радиус
кривизны; μ – коэффициент Пуассона, для металлов принимается равным μ = 0,3. Тогда
9
qE
σ=τ
τ
σ=τ
≤
≤
θ
ϕ≤ϕ
[
пр
418,0ρ=σ
H
, (1.2)
пр
Помимо нормальных контактных напряжений в зоне касания действуют максимальные касательные напряжения, также влияющие на
сохранность рабочих поверхностей. Эти напряжения расположены на
высоте
z = 0,8b вдоль оси у (рис. 1.2, б) и определяются по формуле
max
3,0
.
Н
Однако при наличии скольжения в зоне контакта величина
max
увеличивается; кроме того, напряжения приближаются к зоне касания,
например, при коэффициенте трения
max
f = 0,2
36,0
.
Н
Приближение касательных напряжений к поверхности контакта,
увеличивает вероятность возникновения и увеличения усталостных
трещин.
Помимо этого рост усталостных трещин ускоряет наличие между
деталями масла. Попадая в зону контакта, трещина закрывается,
а заполняющее её масло подвергается высокому давлению. Это давление способствует развитию трещины до тех пор, пока не произойдёт
выкрашивание частицы металла.
Жёсткость – способность детали сопротивляться упругим де-
формациям в процессе её эксплуатации. Жёсткость детали определяется расчётом по допускаемому значению перемещения (линейного и
углового). Для случая изгиба
][ yy
и ][θ
,
где y – прогиб; θ – угол перекоса подшипников.
При кручении
][
,
где ϕ – угол закручивания.
При растяжении (сжатии)
]
ll Δ≤Δ
,
где l – удлинение (укорочение).
10