28

2.ОСНОВЫ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

2.1.ВИДЫ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Машина или ее составляющие элементы (двигатель, передача, исполнительный механизм, корпус, система управления) не рассчитываются на прочность как таковые, а рассматриваются как состоящие из отдельных деталей, которые могут рассчитываться на прочность, жесткость, износостойкость и по другим критериям.

В машиностроении существует два метода расчета: проектный и проверочный. Основу составляет проектный расчет, так как конструктору в первую очередь необходимо знать размеры деталей, которые выдержали бы действующие нагрузки и обеспечили необходимую жесткость. Последовательность проектного расчета следующая:

−определяются нагрузки, которые будут действовать в конструируемом элементе машины;

−выбирается материал для изготовления детали с учетом основного критерия работоспособности и, если необходимо, упрочняющие технологии;

−определяются допускаемые напряжения или запасы прочности;

−назначается основной конструктивный размер, на основании которого будут определены все размеры детали;

−иногда в расчетное выражение может входить несколько конструктивных параметров, тогда они могут быть выражены через безразмерные коэффициенты и основной параметр;

−рассчитывается основной размер, и определяются другие конструктивные размеры детали или узла, и приводятся к стандартным размерам.

После разработки конструкции должен быть произведен проверочный

расчет, так как при конструировании могут произойти изменения размеров, формы детали и т.д. Порядок проверочного расчета примерно следующий:

−реальная конструкция заменяется расчетной схемой;

−определяются места приложения нагрузок, если необходимо, распределенные нагрузки заменяются сосредоточенными, приводятся к определенным точкам;

−намечаются опасные сечения, то есть сечения в которых может произойти поломка;

−определяется расчетное значение напряжения или коэффициента запаса усталостной прочности и их значения сравниваются с допускаемыми.

29

2.2.ВЫБОР МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конструирование любого элемента машины начинается с выбора материала, так как он во многом определяет надежность, срок службы и экономические показатели машины. Следует иметь в виду, что стоимость материалов составляет значительную часть стоимости машины (в станках стоимость материалов составляет 65…70%, в грузоподъемных машинах – 70…75%). Металлоемкость отечественных машин и оборудования выше зарубежного на 30…200%. На единицу продукции машиностроения в среднем расходуется материальных ресурсов в 1,5 раза больше, чем в ведущих капиталистических странах. В некоторых случаях на предприятиях до 40% металла уходит в стружку. При изготовлении деталей необходимо стремиться к малой металлоемкости, для чего применять профильный прокат, штампованные или сварные заготовки, чтобы до минимума свести операции резанием.

Уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости изготовления. Это особенно важно при массовом производстве. Но уменьшение массы конструкции не должно стать самоцелью – не должны снижаться прочность, жесткость и надежность машины. Сравнительные весовые качества машин одинакового назначения принято оценивать показателем удельного веса, представляющего собой отношение массы машины к основному параметру. Этот показатель учитывает степень конструктивного совершенства машины, степень применения легких сплавов и неметаллических материалов.

Основными машиностроительными материалами являются сталь, чугун, сплавы цветных металлов, пластмассы, композитные материалы. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые, содержащие углерод до 0,25%, среднеуглеродистые - 0,25…0,6%, высокоуглеродистые - 0,6…2%. Легированные стали различают по содержанию легирующих присадок на низколегированные до 2…2,5%, среднелегированные с содержанием присадок 2,5…10% и высоколегированные с содержанием присадок более 10%. Присадки придают особые свойства: жаропрочность, коррозионную стойкость и т.д.

30

Чугуны подразделяется на:

−серый, в котором углерод находится в виде графита;

−белый, в котором углерод находится в виде цементита;

−ковкий, полученный из белого чугуна путем отжига.

Все чугуны обладают хорошими литейными свойствами.

Из сплавов цветных металлов применяется бронза – сплав меди с оловом, свинцом, алюминием и др. Они обладают высокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами и поэтому применяются в узлах трения, а также в паровой, водяной и масляной арматуре. Латунь – сплав меди с цинком. Они обладают хорошей коррозионной стойкостью, электропроводностью и находят широкое применение в машиностроении.

Композитные материалы обладают уникальными физико-механическими свойствами: прочностью, жесткостью, долговечностью, инертностью к агрессивным средам. Возможно создать рациональную структуру, адекватную силовым и другим воздействиям на конструкцию или деталь. При этом существенно упрощается технология изготовления деталей, что позволяет экономить энергетические, трудовые и материальные ресурсы, снизить эксплуатационные расходы. Значения прочности и жесткости представляют собой отношения сопротивления разрушению и модуля упругости к плотности

Композитные материалы состоят из матрицы и наполнителя. Высокопрочные композитные материалы состоят из металлической матрицы армированной различными волокнами из нитей бора, карбида кремния, бериллия, титана, вольфрама и т.д. механические характеристики зависят от доли волокон, их расположения и связи с матрицей и свойств матричного вещества.

Композитные материалы керамического типа на основе оксидов, нитридов, карбидов обладают тепло – и эрозионной стойкостью и применяются в виде покрытий и защитных слоев.

Выбор конкретных материалов при конструировании зависит от способа получения заготовки и критерия работоспособности детали. При выборе

31

материалов следует руководствоваться следующими соображениями. Детали, размеры которых определяются условиями прочности, выполняются из материалов с высокими прочностными характеристиками с применением упрочняющих технологий (легированные стали). Для деталей с большими упругими перемещениями (пружины, рессоры) применяют закаливаемые до высокой твердости стали. Если детали подвержены контактным напряжениям и износу, то их рекомендуется изготавливать из качественных сталей, закаливаемых до высокой твердости (подшипники качения, зубчатые колеса). Детали, размеры которых определяются из условия жесткости, изготавливаются из материалов с высоким модулем упругости, термически не обрабатываются.

Из двух сопряженных деталей, для которых основным критерием является износостойкость в условиях скольжения, одну деталь выполняют с возможно более твердой поверхностью, а другую – из антифрикционных материалов, с низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, хорошей прирабатываемостью (подшипники скольжения, направляющие).

В некоторых случаях сопряженные детали в паре скольжения должны обладать высоким и постоянным коэффициентом трения, высокими износо- и теплостойкостью в условиях работы всухую или со смазкой (тормоза, фрикционные муфты и передачи). Тогда они изготавливаются из металлокерамики, пластмасс на основе асбеста, белого чугуна.

Сложные по форме детали, например корпусные, изготавливают из материалов, которые хорошо льются. Детали в форме листов, тонкостенных труб, профильных балок – из материалов, допускающих обработку давлением. Детали ферм, рам, подвергаемых резке, гибке, пробивке отверстий в холодном состоянии

– из низкоуглеродистых сталей.