Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Детали машин. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В. Н. Основин
Ю. В. Родионов
Д. В. Никитин
К. Л. Сергеев
ДЕТАЛИ МАШИН
Утверждено Учёным советом университета в качестве
учебного пособия для студентов 2 курса направлений подготовки
15.03.01, 15.03.02, 15.03.05, 15.03.06, 21.03.01, 23.03.03, 35.03.06
очной формы обучения
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2021
1
УДК 621.8(075.8)
ББК К44я73-1
Д38
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Агроинженерия» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
С. М. Ведищев
Доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры
транспортно-технологических машин и основ конструирования
ФГБОУ ВО «Мичуринский ГАУ»
С. В. Соловьёв
Д38
Детали машин [Электронный ресурс] : учебное пособие /
В. Н. Основин, Ю. В. Родионов, Д. В. Никитин, К. Л. Сергеев. –
Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2021. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не
ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 20,2 Mb ; RAM ;
Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-2379-7
Соответствует программе курса «Детали машин». 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 2 курса направлений подготовки
15.03.01, 15.03.02, 15.03.05, 15.03.06, 21.03.01, 23.03.03, 35.03.06 очной
формы обучения.
УДК 621.8(075.8)
ББК К44я73-1
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются
за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного
продукта запрещено.
©
ISBN 978-5-8265-2379-7
2
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Тамбовский государственный
технический университет»
(ФГБОУ ВО ТГТУ), 2021
ВВЕДЕНИЕ
Содержание настоящего пособия соответствует программе курса
«Детали машин» для машиностроительных специальностей высших
технических учебных заведений.
В учебном пособии приводятся описание и анализ типовых современных конструкций деталей, применяемых в отечественном машиностроении.
Большинство расчётных формул приводится без промежуточных
преобразований, когда это не мешает объяснению физического смысла, что облегчит учащемуся воспринимать предмет.
Основная задача дисциплины «Детали машин» – повышение квалификации студентов путём изучения методов, правил и норм расчёта
и конструирования типовых деталей и сборочных единиц машин. Данное 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 принципы и правила
проектирования машин и их деталей на примере приводов общего назначения, а также дана информация по выбору материалов деталей
машин и методам расчёта.
3
1. ДЕТАЛИ МАШИН ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
1.1. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЁТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Всё многообразие деталей машин можно классифицировать на:
− разъёмные и неразъёмные соединения: резьбовые, заклёпоч-
ные, сварные, пайкой и склеиванием, клеммовые, шпоночные и шлицевые, посадкой с натягом;
− механические передачи: зубчатые, червячные, волновые,
фрикционные, ременные, цепные, передача винт–гайка;
− валы, подшипники, муфты;
− детали сборочных единиц: картеры, корпуса, станины;
− детали смазочных, защитных и предохранительных устройств
(сальники, защитные шайбы, пружины, рессоры).
Выделяют также специфические детали отдельных групп машин:
− для энергетических машин: цилиндры, поршни, клапаны, лопат-
ки и диски турбомашин, роторы и статоры электрических машин и др.;
− для транспортных машин: колёса, гусеницы, рельсы, винты
водяные и воздушные, ковши, грейферы и т.п.;
− для машин-орудий: опоки, валки, шаботы, бабы, патроны, ле-
меха, катушки, челноки и др.
Основными требованиями к современным машинам и их деталям,
узлам, механизмам являются: работоспособность, надёжность, технологичность, экономичность, эргономичность.
Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнить заданные функции с параметрами, установленными
нормативно-технической документацией.
Под надёжностью понимается свойство проектируемых деталей
сохранять свои функциональные свойства, а также заданные эксплуатационные показатели за определённый период.
Исходя из опыта проектирования и практики эксплуатации, в зависимости от функционального назначения и условий работы деталей,
были сформулированы следующие критерии работоспособности:
прочность, жёсткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость и виброустойчивость.
Для всего существующего многообразия деталей прочность является главным критерием работоспособности. В узком смысле это сопротивление разрушению. В большинстве литературы это понятие
4
формулируется следующим образом: свойство детали выдерживать
заданные нагрузки без каких-либо видимых разрушений, при этом,
находясь в зоне упругих деформаций, или сопротивляться необратимому изменению формы (пластической деформации).
Для того чтобы ограничить упругие перемещения деталей в допустимых пределах, введён критерий под названием жёсткость. Это,
критерий характеризует изменение формы и размеров, находящихся
под нагрузкой. Такие условия характерны для сопряжённых деталей
(зубчатых колёс, подшипников на валу).
С течением времени в местах посадок, сопряжений, а также направляющих увеличиваются зазоры в результаты трения. Образование
зазоров оказывает существенное влияние на технические характеристики всего механизма (снижается мощность, КПД, производительность, надёжность и др.). Для устранения преждевременного износа
проводят расчёты по критерию износостойкость, предусматривающие
обеспечение жидкостного трения между деталями.
Взаимодействие практически всех деталей в механизмах сопровождается нагревом. Высокие температуры могут привести к снижению механической прочности, образованию эффекта ползучести, разрушению масляных пленок, как следствие, увеличению износа, снижению точности работы сопрягаемых пар (например, прецизионных),
а также к заклиниванию и заеданию.
Для предотвращения указанных эффектов выполняют расчёты по
критерию теплостойкость (тепловые расчёты). После расчёта в конструкцию машины могут быть внесены соответствующие конструктивные изменения (например, оребрение корпуса в червячном редукторе).
Технологичность предполагает минимизацию различного вида за-
трат (труда, времени и др.) на изготовление машины, механизма или
детали.
Экономичность характеризуется снижением затрат на процессы
проектирования, технологий изготовления, на эксплуатацию и ремонта.
Эргономичность заключается в обеспечении безопасности для
человека, улучшении технической эстетики и дизайна.
Руководствуясь критериями работоспособности в инженерной
практике, применяются два вида расчёта.
1. Проектный, который подразумевает предварительную (упрощённую) оценку размеров конструкции детали, а также выбор материла для изготовления. Часто размеры деталей принимают, руководствуясь практическими рекомендациями.
2. Проверочный, предназначенный для оценки прочности конструкции детали или определения норм нагрузки. При этом прочность
5
детали обеспечивается напряжениями, величина которых меньше или
[
]
A
[
]
σ≤σ
A
[
]
σ≤σ
[
]
A
[
]
равна допустимым:
• по нормальным напряжениям:
– для растяжения (сжатия)
где расчётное напряжение растяжения (сжатия)
,
σ≤σ
рр
F
=σ
;
р
– для смятия
,
где расчётное напряжение смятия
смсм
F
=σ
см
;
– для изгиба
,
где расчётное напряжение изгиба
ии
M
=σ
W
;
z
и
• по касательным напряжениям:
– для среза
,
τ≤τ
где расчётное напряжение среза
срср
F
=τ
;
ср
– для кручения
,
τ≤τ
где расчётное напряжение кручения
кркр
T
=τ
W
.
p
кр
Для проектирования многих механизмов и машин, в частности
зубчатых передач и подшипников качения, используется расчёт напряжения на контактную прочность.
Расчёт из условия контактной прочности выполняется по формуле Герца (немецкий учёный Генрих Герц (H. Herz))
E
q σ≤
=σ
пр
( )
12
пр
[ ]
(1.1)
HH
2
µ−π⋅ρ
где q – удельная нагрузка, приходящаяся на длину контактных линий;
Eпр – приведённый модуль упругости контактируемых тел; µ – коэф-
6
фициент Пуассона; ρпр – приведённый радиус кривизны контактируемых тел.
Если деталь находится в сложном напряжённом состоянии,
то расчёт необходимо вести по эквивалентному напряжению, которое
принимается исходя из теории прочности. В случае совместного действия деформаций изгиба и кручения для пластичных материалов,
необходимо рассчитать эквивалентные напряжения по формуле
2
2
иэкв
[ ]
. (1.2)
4
σ≤τ+σ=σ
кр
7
2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
2.1. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕДАЧ
Проиллюстрируем схематично устройство большинства
современных машин (рис. 2.1).
Как правило, источником механической энергии является электродвигатель с характерным диапазоном частот вращения (750…
3000 мин–1). Как известно, электродвигатель имеет оптимальные показатели при высоких скоростях вращения вала. Но встретить непосредственное соединение электродвигателя в практике эксплуатации можно крайне редко. В большинстве случаев такой диапазон частот является неприемлемым, поэтому для преобразования кинематических и
силовых параметров используются передаточные механизмы.
Несколько (1, 2, ..., n) последовательно сопряжённых
передаточных механизмов (механических передач) по существу
преобразуют параметры вала двигателя до необходимых значений.
Вместе с тем часть механической энергии от двигателя к
исполнительному органу машины теряется. Часто потери обусловлены
рассеиванием тепловой энергии и трением элементов механических
передач. Для оценки эффективности передаточных механизмов
используются механический КПД (ηi). Постепенную потерю мощности
от двигателя к исполнительному органу машины необходимо
учитывать при энергетическом расчёте и выборе электродвигателя.
Рис. 2.1. Схематичное устройство современных машин:
Р
, Т1, n1 – показатели на входе;
1
Р
, Т2, n2 – показатели на выходе
2
8
а)
б)
в)
Рис. 2.2. Примеры приводных станций
Привод – устройство, предназначенное для передачи движения
технологической машине от двигателя (рис. 2.2).
Для того чтобы передать энергию от электродвигателя, а также в
ряде случаев с преобразованием кинематических параметров применяются механические передачи (червячная – рис. 2.2, а; цилиндрическая –
рис. 2.2, б, в). В ряде случаев механические передачи выравнивают
скорости источника механической энергии и исполнительного органа
машины.
В технике наибольшее распространение получили следующие
типы передач: зубчатые, червячные, цепные, ременные, фрикционные,
передачи винт–гайка и др.
Механические передачи используются для привода: конвейеров,
подъёмных механизмов, элеваторов и др.
9
На рисунках 2.3 – 2.6 демонстрируются кинематические схемы
часто используемых сочетаний механических передач, образующих
приводную станцию.
Принято для редукторов рассматривать два основных элемента –
ведущий или входной вал и ведомый или выходной вал. В разной литературе используются термины быстроходный (входной) и тихоходный (выходной).
Ведущему валу в расчётах присваивается индекс 1, а ведомому
валу – 2.
К основным параметрам механических передач относятся.
1. Мощность, которая передаётся телом вращения, кВт
, (2.1)
VFРt=
где Ft – окружная сила, Н; V – окружная скорость, м/с.
Рис. 2.3. Кинематическая схема привода с одноступенчатым
цилиндрическим редуктором и открытой цепной передачей:
1 – электродвигатель; 2 – цепная передача;
3 – цилиндрический редуктор; 4 – муфта
10