DM_1 / Деталі машин КЛ [Стадник В. А

Тема 21. Зубчасті (шліцеві) та профільні з’єднання

21.1.Загальні відомості і класифікація зубчастих шліцевих з’єднань.....579

21.2.Основні критерії працездатності і розрахунок зубчастих (шліцевих)

з’єднань……………………………………………………………………...583

21.3. Профільне (безшпонкове) з’єднання. Загальні відомості………….586

Тема 22. Клемові або фрикційно-гвинтові з’єднання.

22.1.Загальні відомості та класифікація клемових з’єднань……………588

22.2.Розрахунок клемових з’єднань………………………………………589

Тема 23. З’єднання деталей машин з гарантованим натягом (пресові

з’єднання).

23.1.Загальні відомості та класифікація пресових з’єднань………….…593

23.2.Розрахунок пресових з’єднань……………………………………....597

Тема 24. Нерознімні з’єднання

24.1.Заклепкові з’єднання, загальні відомості, конструкція, технологія,

класифікація…………………………………………………………….…..602

24.2.Матеріали заклепок. Допустимі напруження в розрахунках заклепкових з’єднань………………………………………………………608

24.3.Розрахунок заклепкових з’єднань при симетричному навантаженні………………………………………………………………..609

24.4.Розрахунок з’єднань при несиметричному навантаженні…………613

Тема 25. Зварні, паяні і клейові з’єднання

25.1.Зварні з’єднання, класифікація і різновидності зварних швів….…617

25.2.Проектування і розрахунок з’єднань при постійному

навантаженні………………………………………………………………………632

25.3.Допустимі напруження для зварних швів…………………………..640

25.4.Паяні з'єднання……………………………………………………….643

25.5.Клейові з’єднання……………………….……………………………648

10

Передмова

Цей курс лекцій складено у відповідності до навчальної програми дисципліни "Деталі машин" для підготовки бакалаврів за напрямом 6.0902 "Інженерна механіка" зі спеціальностей: 7.090202 - "Технологія машинобудування"; 7.090203 - "Металорізальні верстати та системи"; 7.090204

-"Інструментальне виробництво".

Востанні роки згідно до діючих у ММІ НТУУ "КПІ" навчальних планів підготовки бакалаврів вищеназваних спеціальностей кількість лекцій була скорочена до 18, а кількість нових підручників в бібліотеці через малі тиражі їх видань не задовольняє попит студентів, що безумовно впливає на якість їх теоретичної підготовки, оскільки у намаганні лектора не пропустити жодної теми робочої навчальної програми, лекції здебільшого носять оглядовий характер, або ж при детальному висвітленні основних, найбільш складних тем, окремі теми випадають з розгляду взагалі.

Тому виникає необхідність підготовки розширеного курсу лекцій, який доводиться до кожного студента, зокрема в електронному варіанті.

Наявність такого курсу у комплексі з програмним матеріалом, висвітленим на лекціях і вказівок лектора до вивчення кожної теми буде сприяти більш продуктивному і якісному рівню самостійної роботи студентів.

У відповідності з робочою навчальною програмою з дисципліни "Деталі машин" розширений курс лекцій складається із 4-х розділів і 25-ти глав, які розміщені у послідовності подання матеріалу на лекціях. Велику увагу приділено поясненню фізичної суті процесів тертя та мащення спряжених у вузлах деталей машин, а також загальні відомості про фізико-хімічні процеси, які відбуваються в контактах деталей машин з вищими кінематичними парами при наявності мастила. В курсі зроблені по тексту посилання на підготовлені лектором навчально-методичні посібники, використовувані студентами (при стовідсотковому їх забезпеченні) для виконання розрахункових завдань і

11

курсових проектів, що також сприятиме підвищенню рівня конструкторської підготовки майбутніх фахівців.

Студентам, які бажають розширити свої знання в області розрахунку і конструювання вузлів та деталей машин, приводиться рекомендована література.

12

Вступ

Розвиток суспільства нерозривно зв'язаний зі створенням нових машин. Основна мета створення машин – підвищення продуктивності праці людини. В теперішній час кількість видів машин, які працюють у різних галузях виробництва, настільки велика, що перерахувати їх неможливо.

Залежно від функціонального призначення машини поділяють на класи: Машини-двигуни – енергетичні машини, призначені для

перетворення енергії будь-якого виду на механічну (електричні двигуни, внутрішнього згорання, вітрові та інші).

Машини-генератори, перетворюючі механічну енергію в інший вид енергії (компресори, динамомашини та інші).

Машини-знаряддя (технологічні машини і транспортні машини), призначені для виконання роботи, пов'язаної з транспортуванням або із зміною форм і розмірів, властивостей чи стану предмета (металооброблювальні верстати, преси, транспортери, підйомні крани і т. ін.).

Інформаційні машини – призначені для перетворення інформації (комп'ютери, математичні прилади, планіметри, пантографи, годинники та ін.).

В сучасну епоху машини-двигуни (турбіни) і машини перетворювачі енергії (електричні генератори) будують потужністю більше 106 кВт. Між тим сама людина може тривало розвивати потужність не більше 0,1 кВт.

Історія розвитку машинобудування показує, що енергоозброєність людини безперервно підвищується.

У кожній державі з економікою, що розвивається, парк машин повинен оновлюватись кожні 5…10 років. Кожна заново спроектована машина повинна бути більш досконалою, більш точною, більш продуктивною, більш надійною і головне більш естетичною та інтелектуальною. Тільки естетичні та інтелектуальні машини користуються підвищеним попитом на ринку.

13

РозділΙ . Загальні принципи конструювання і

розрахунку деталей машин

(Лекція 1 - 2)

Тема 1. Задачі і зміст курсу "Деталі машин"

1.1.Основні поняття

Втеорії механізмів і машин приводиться таке визначення: машина – це механізм, який виконує механічну роботу. Машини перетворюють який-небудь вид енергії в механічну роботу або механічну енергію в який-небудь інший вид енергії. Прикладом цього можуть бути електродвигун, в якому електрична енергія трансформується в механічну роботу, або електрогенератор, в якому механічна енергія перетворюється в електричну. Таким чином, у ТММ поняття "машина" обов'язково зв'язане з механічною роботою. Але в різних лічильнорозв'язувальних та керуючих процесорних пристроях, які також дуже часто називають машинами, механічна енергія не приймає участі, так як та невелика кількість механічної енергії, яка в цих пристроях може витрачатись (наприклад, на тертя), не приймається до уваги. Тому стосовно до сучасної техніки визначення поняття "машина", сформульоване в ТММ, є також недостатнім. Проте це визначення є корисним і студенти повинні його засвоїти, також як і визначення поняття "механізм", відоме із ТММ: механізм – пристрій, всі частини якого виконують строго визначений відносний рух.

В механізмі ведена ланка здійснює доцільно задані рухи, використовувані для практичних цілей, в той час як у машині механізмом за допомогою інструмента виконується (робота) задана трансформація матеріалу (наприклад, годинник і металорізальний верстат). Якщо не брати до уваги технологічні трансформації матеріалу, виконувані машиною, то між машиною і механізмом ніякої різниці не буде. Тому всяку машину, яка працює в холостому режимі,

14

можна з повним правом розглядати як механізм в чистому виді, що дозволяє дати таке визначення:

"Машиною називають механізм або сукупність механізмів, що виконують рухи для перетворення енергії, матеріалів чи інформації з метою заміни або полегшення фізичної та розумової праці людини та підвищення її продуктивності".

Частіше всього мають справу з машинним агрегатом (рис.1.1), який являє собою сполучення машини-двигуна (МД), передатних механізмів (ПМ) та виконуючого органу (ВО). Для узгодження роботи двигуна та виконуючого органу вводять систему управління (СУ). В залежності від умов роботи машинного агрегату режим управління може здійснюватися вручну чи автоматично за допомогою автоматичної системи управління (АСУ).

Рис. 1.1. Схема машинного агрегату Всі машини складаються із деталей і вузлів.

15

Деталлю називають частину машини, виготовлену без застосування складальних операцій. Деталі можуть бути простими /гайка, шпонка/ або складними /корпус редуктора, колінчастий вал, станина верстата та ін./.

Вузол являє собою закінчену складальну одиницю, що містить ряд деталей, які мають загальне функціональне призначення /підшипники кочення, муфти, редуктори, тощо/.

Вузол являє собою складову частину машини.

В машинобудуванні розрізняють деталі і вузли загального і спеціального призначення.

Деталями і вузлами загального призначення називають такі, що зустрічаються майже в кожній машині (болти, вали, зубчасті колеса, підшипники, муфти та ін.). Вони складають переважну більшість в машинах і вивчаються в курсі «Деталі машин».

До деталей і вузлів спеціального призначення відносять такі, що зустрічаються в одній або декількох типах машин (шпинделі верстатів, поршні, кільця, колінчасті вали, тощо). Вони вивчаються у відповідних курсах («Металорізальні верстати», «ДВЗ» та ін.).

Основними задачами курсу «Деталі машин» є вивчення основ розрахунку і раціонального конструювання деталей і вузлів загального призначення з урахуванням режиму роботи і строку служби машини.

1.2. Класифікація деталей та вузлів загального призначення

Будь-яка машина, як відомо, складається із окремих елементів – деталей (наприклад, болти, гайки, шайби, шплінти, осі, вали, зубчасті колеса і т. п.). Окремі деталі в кожній машині з’єднуються між собою в деякій послідовності, причому звичайно так, що визначені групи їх створюють окремі вузли, які у сукупності складають машину. Вузлами машини, наприклад, є супорт і бабка токарного верстата. Вузли машин бувають дуже складними, що складаються із ряда більш простих вузлів, а ті в свою чергу – із ще більш простих. Складні машини містять інколи сотні і тисячі окремих вузлів, а загальна кількість деталей в машині може сягати десятків і сотень тисяч. Однак, для зручності

16

вивчення основних відомостей, необхідних для правильного виконання окремих деталей та вузлів, а також машини в цілому, всі деталі та вузли загального призначення класифікують за принципом їх роботи, сприйняття і передачі навантажень.

Приводимо одну із найпоширеніших (але не єдино можливу) класифікацію деталей та вузлів загального призначення.

I.З’єднання:

1.Рознімні (допускають розбирання та повторне складання без порушень цілості деталей): а) клинові (з поперечними і поздовжніми клинами); б) різьбові; в) зубчасті (шліцьові); г)шпонкові; д) профільні та ін.

2. Нерознімні (не допускають розбирання з’єднаних деталей без їх пошкодження): а)зварні; б)заклепкові; в)клеєві; г)пресові з’єднання (займають проміжне положення між рознімними і нерознімними з’єднаннями).

II.Передачі:

5.Планетарні.

III.Деталі для підтримки і з’єднання частин машин, що обертаються:

1.Осі та вали.

2.Опори осей та валів (підшипники, підп’ятники).

3.Муфти.

IV. Пружини та ресори.

17

1.3. Коротка історична довідка

Наука про деталі машин розвивалася значно пізніше самих машин: багато простих машин були відомі ще у глибокій древності.

Мистецтво конструювання і будування машин нараховує більше 2000 років свого розвитку. Найпростіші машини або їх елементи застосовували в Древній Греції і Римі, а також у Древньому Єгипті для будівництва пірамід та інших споруд.

Однак ці машини створювались людьми, які брали безпосередню участь у виробництві, тоді як теоретиків того часу машини цікавили мало – вони займалися більш абстрактними науками. Із найбільш відомих стародавніх праць, які торкаються питань механіки слід назвати «Механічні проблеми Аристотеля» (народ. в 384 р. до н. ери). В цій праці згадуються і описуються механічні допоміжні засоби: важіль, колодязний журавель з противагою, рівноплеча вага, гончарний верстат, кліщі, клин, сокира, кривошип, вал, колесо, каток, поліспаст, центрифуга, руль і колеса із бронзи або заліза для змінювання обертального руху, під якими очевидно слід розуміти зубчасті колеса.

Про всі ці механічні допоміжні засоби Аристотель говорить як про відомі речі. Про гвинт в цій праці не згадується. Гвинт був відомий в часи Архімеда (нар. в 287 р. до н. ери), якого вважають винахідником гвинта і черв’ячного колеса. На жаль, Архімед, який зі слів Плутарха, дивився на участь в будівництві механізмів, як на неблагородне ремесло, нічого не написав про відомі йому механічні допоміжні засоби, а тому його авторство гвинта і черв’ячного колеса нічим не підтверджується.

Перші початкові науки про деталі машин з’явилися в епоху Середньовіччя. Це перш за все Леонардо да Вінчі та Джеронимо Кардан (1501 – 1576 рр.) (обидва займалися математикою, філософією та медициною). Проте у цих, як і у багатьох інших авторів ΧVΙΙΙ − ΧΙΧ століть мова йшла в основному про машину в цілому. Справжня історія вчення про

18

деталі машин в сучасному його розумінні починається по-суті справи в кінці ΧΙΧ століття. В цей час в навчальних планах багатьох навчальних закладів вводиться самостійна дисципліна «Деталі машин». До цього теорія з деталей машин викладалася в технічних школах разом з теоретичною механікою, опором матеріалів, технологією металів та машинобудування, вантажопідйомними машинами, паровими машинами та ін.

Курс «Деталі машин» створювався не на порожньому місці. Серед видатних учених, які заложили основи цього курсу були, наприклад, Леонард Ейлер, який у ΧVΙΙΙ столітті розробив теорію зубчастого зачеплення. Він же запропонував евольвентне зачеплення, яке в теперішній час має переважне розповсюдження. Л. Ейлером були вперше виведені класичні співвідношення між зусиллями у вітках гнучкої нерозтяжної нитки, перекинутої через барабан. Ці співвідношення були пізніше використані російським вченим М. Є. Жуковським у теорії і розрахунку пасових передач. Ним було вперше вивчене і розв’язане питання про розподіл навантаження між витками гайки (1902 р.), експериментально досліджено явище пружного ковзання паса.

Професор Томського технологічного інституту І. І. Бобариков розв’язав у 1911 р. задачу про розподіл зусиль між болтом і з’єднуваними їм деталями і запропонував метод розрахунку болтових з’єднань з урахуванням їх пружності. Він же розробив методику розрахунку маточин коліс і шківів.

Відомий російський вчений акад. Н. П. Петров (1836 – 1920 р. р.) є основоположником гідродинамічної теорії тертя і мащення. На ній базуються всі сучасні методи розрахунку підшипникових вузлів. Основи своєї теорії Н. П. Петров виклав у 1883 р. у роботі «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости.»

Перший курс під назвою «Деталі машин» був написаний в 1881 р. проф. В. Л. Кирпичовим і виданий в 1882 – 83 навчальному році в Петербурзі. Проф. В. Л. Кирпичов (1845 – 1913) був видатним ученим з багатою ерудицією в різних галузях техніки. З 1876 р. він був професором Петербурзького

19