- •1.2. Основные определения курса. Классификация механизмов, узлов и деталей.
- •1.3. Качество. Критерии качества.
- •1.4. Критерии экономичности.
- •1.5. Критерии надежности.
- •Лекция 2. Требования к деталям, критерии работоспособности.
- •2.1. Основные критерии работоспособности деталей и узлов машин.
- •2.2. Взаимозаменяемость.
- •2.3. Стадии разработки при проектировании деталей и узлов машин.
- •Лекция 3. Прочность при переменных напряжениях.
- •3.1. Циклы напряжений в деталях машин.
- •3.2.Усталость материалов деталей машин.
- •3.2.1. Влияние концентрации напряжений на предел выносливости.
- •3.2.2. Влияние абсолютных размеров детали на предел выносливости.
- •3.2.3. Влияние качества обработки поверхности на предел выносливости.
- •3.2.4. Влияние упрочнения поверхности на предел выносливости.
- •3.3. Контактная прочность деталей машин.
- •Лекция 4. Сварные соединения.
- •4.1. Общие сведения о сварке.
- •4.2. Классификация сварных соединений.
- •4.3. Расчет на прочность сварных соединений.
- •4.3.1. Расчет сварных стыковых соединений.
- •4.3.2. Расчет сварных нахлесточных соединений.
- •4.3.3. Расчет сварных тавровых соединений.
- •4.4. Допускаемые напряжения для сварных швов.
- •Лекция 5. Соединения с натягом.
- •5.1. Общие сведения.
- •5.2. Расчет соединений с натягом.
- •5.3. Определение расчетного натяга.
- •5.4. Проверочный расчет на прочность соединяемых деталей.
- •Лекция 6. Шпоночные и шлицевые соединения.
- •6.1. Шпоночные соединения.
- •6.2. Напряженные шпоночные соединения.
- •6.3. Ненапряженные шпоночные соединения.
- •6.4. Расчет шпоночных соединений.
- •6.5. Шлицевые соединения.
- •6.6. Соединения с прямобочным профилем зубьев.
- •6.7. Соединения с эвольвентными зубьями.
- •6.8. Соединения с треугольным профилем.
- •6.9. Расчет шлицевых соединений.
- •Лекция 7. Резьбовые соединения.
- •Винтовая линия.
- •Метрическая резьба.
- •Соотношение сил в винтовой паре.
- •Условие самоторможения резьбы.
- •Кпд винтовой пары.
- •Распределение нагрузки по виткам резьбы.
- •Лекция 11. Резьбовые соединения.
- •Классы прочности и материалы резьбовых соединений.
- •Допускаемые напряжения в болтах при постоянной нагрузке.
- •Расчет резьбы на прочность.
- •Расчет ненапряженного болтового соединения (стержень болта нагружен только внешней растягивающей силой без предварительной затяжки).
- •Напряженное резьбовое соединение (расчет винта на совместное действие растяжения и кручения).
- •Болтовое соединение нагружено силами, сдвигающими детали в стыке.
- •Эффект эксцентричного нагружения болта.
- •Болт затянут, внешняя нагрузка раскрывает стык деталей.
- •Обозначение стандартизированной резьбы.
- •Лекция 10. Механические передачи.
- •10.1. Общие сведения о механических передачах.
- •Основные кинематические и силовые соотношения в передачах.
- •10.2. Зубатые передачи.
- •10.2.1. Общие сведения о зубчатых передачах.
- •10.2.2. Геометрия прямозубых цилиндрических колес.
- •10.2.3. Особенности геометрии цилиндрических косозубых и шевронных колес.
- •10.3. Точность зубчатых передач.
- •13.2. Ременные передачи.
- •Детали ременных передач.
- •Геометрические зависимости.
- •Силы в передаче.
- •Скольжение ремня и передаточное число.
- •Напряжения в ремне.
- •Расчет ременных передач.
- •Лекция 14. Фрикционные передачи.
- •Основные типы фрикционных передач и вариаторов.
- •Цилиндрическая фрикционная передача.
- •Коническая фрикционная передача.
- •Лобовой вариатор.
- •Торовый вариатор.
- •Клиноременный вариатор (вариатор с раздвижными конусами).
- •Дисковые вариаторы.
- •Лекция 15. Цепные передачи.
- •Детали цепных передач.
- •Причины выхода из строя цепных передач.
- •Натяжение и смазывание цепи. Кпд цепных передач.
- •Основные параметры цепных передач.
- •Силы в ветвях цепи.
- •Расчет цепных передач.
Лекция 2. Требования к деталям, критерии работоспособности.
В материал лекции входит: понятие работоспособности и ее критериев (прочности, жесткости, износостойкости, теплостойкости, виброустойчивости); понятие взаимозаменяемости.
2.1. Основные критерии работоспособности деталей и узлов машин.
Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями нормативно – технической документации.
Основными критериями работоспособности являются:
- прочность;
- жесткость;
- износостойкость;
- теплостойкость;
- виброустойчивость.
Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее назначения и условий работы.
Жесткость – это способность конструкции и ее элементов сопротивляться изменениям формы и размеров. Например, при недостаточной жесткости валов в зубчатой передаче может возникнуть прогиб, который приводит к неравномерности распределения нагрузки по зубьям колес из-за уменьшения площади контакта и заклиниванию подшипников качения из-за перекоса валов (пример см. рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Нарушение зацепления и работы подшипников вследствие прогибов валов под действием сил в зацеплении.
Недостаточная жесткость деталей влияет на их взаимное расположение в механизмах, вызывает в подвижных сопряжениях повышенное трение, давление, температуру и др.
Расчет конструкций на жесткость.
Различают объемную жесткость (брус, пластина, оболочка) и контактную жесткость, т. е. жесткость, связанную с контактными деформациями поверхностных слоев в местах контакта деталей.
Объемная жесткость оценивается коэффициентом жесткости:
,
где - сила; - вызванная силой деформация.
Величина обратная жесткости называется податливостью:
.
Факторы, влияющие на жесткость:
- модуль упругости (Е, G);
- геометрические характеристики сечения детали (площадь, момент инерции и др.);
- вид нагрузки и типы опор.
Методы повышения жесткости:
- устранение изгиба (т.к. металлы лучше работают (воспринимают) растяжение-сжатие);
- применение материалов с высоким модулем упругости ();
- рациональное расположение и изменение количества опор (что приводит к уменьшению прогиба и плеч изгибающих моментов; см. рис. 2.2.);
- выбор рациональной формы поперечного сечения детали;
- применение в конструкции ребер жесткости (что приводит к изменению геометрических характеристик сечения деталей);
- уменьшение числа стыков (монолитная конструкция обладает большей жесткостью, чем конструкция аналогичного объема, изготовленная с помощью сборочных операций (сварки, свинчивания и т.д.));
Рис. 2.2. Рациональное расположение опор.
- повышение качества поверхности (использование деталей с низкой шероховатостью).
Расчеты на жесткость сводятся к проверкам:
- удлинение;
- прогиб;
- угол поворота сечения при изгибе;
- угол закручивания.
Расчет ведется методами сопротивления материалов.
Виброустойчивость – способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса (резонанс - совпадение или кратность частоты вынужденных колебаний и частоты собственных колебаний).
Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, усиливают изнашивание, вызывают дополнительные переменные напряжения в деталях и усталостное разрушение.
Расчеты на виброустойчивость сводятся к определению частот собственных колебаний механической системы и обеспечению их несовпадения с частотой вынужденных колебаний.
Для снижения колебаний:
- используют маховики и демпферы, рассеивающие энергию колебаний;
- устранение действия внешних сил (например, дополнительных колебаний, вызванных эксплуатируемым в непосредственной близости оборудованием);
- изменение жесткости упругой связи деталей;
- уменьшение шероховатости;
- применение упругих прокладок.
Теплостойкость – способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы.
Нагрев деталей в процессе работы машины приводит к:
- снижению механических характеристик материала и к появлению пластических деформаций (при температуре свыше 300);
- уменьшению зазоров в подвижных сопряжениях деталей, что приводит к схватыванию, заеданию, заклиниванию;
- снижению вязкости масла (т. е ухудшаются смазочные свойства масляного слоя).
Для обеспечения нормального теплового режима работы должен быть обеспечен тепловой баланс, т. е. сравнивают количество выделенной теплоты с количеством отведенной теплоты в единицу времени:
;
определяют рабочую температуру и сравнивают с допускаемой:
.
Если условия не выполняются, то применяют:
- искусственное охлаждение,
- проектируют охлаждающие ребра,
- увеличивают размеры корпуса;
- заменяют пары скольжения парами качения;
- применяют материалы с малым коэффициентом линейного расширения.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности тела при трении, который приводит к постепенному изменению размеров и формы. До 90% деталей подвижных сопряжений машин выходят из строя из-за износа.
Существуют различные виды изнашивания:
- усталостное изнашивание. При контакте деталей в них возникают контактные напряжения . В результате циклического нагружения на трущейся поверхности 1 образуются усталостные микротрещины 2. Смазочный материал, попадая в микротрещины, способствует их расклиниванию 3 и выкрашиванию частиц 4 металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие ямки (питтинг), см. рис. 2.3. Такой износ характерен для зубчатых и фрикционных передач, подшипников качения.
Рис. 2.3. Схема усталостного изнашивания поверхности.
- абразивное изнашивание. Это разрушение поверхностных слоев материала трущихся пар твердыми абразивными частицами. Зерна абразива могут попадать на трущиеся поверхности извне, содержаться в материале трущихся пар или в продуктах износа. Методы борьбы: упрочнение поверхностей;
- водородное изнашивание. При работе узлы трения нагреваются, идет выделение водорода, который оседает на поверхности материала и проникает вглубь детали, вызывая охрупчивание, множество микротрещин и образование мелкодисперсного порошка материала. Методы борьбы: использовать стали легированные хромом, титаном, ванадием; снижение температуры в зоне контакта;
- молекулярно-механическое изнашивание. При больших давлениях происходит разрушение защитных масляных пленок на поверхностях сопряженных деталей. Отдельные участки поверхности могут вступить в молекулярный контакт. Происходит схватывание, а последующее перемещение поверхностей вызывает разрушение мест соединений (возникают задиры и борозды). Методы борьбы: повышение твердости за счет термообработки, использование специальных смазок, применение покрытий;
- коррозионно-механическое изнашивание (фреттинг-коррозия). Разрушение поверхности происходит под действием двух одновременных процессов: коррозии и механического изнашивания. Возникает при очень малых относительных перемещениях (колебаниях) сопряженных поверхностей, при этом происходит разрушение оксидных пленок, образуются ямки и порошок. Продукты износа не удаляются из зоны контакта и превращаются в абразивные частицы. Методы борьбы: уменьшение относительных смещений, поверхностное упрочнение, гальванопокрытия, напыление.
Износ вызывает:
- потери точности;
- снижение КПД;
- увеличение шума;
- увеличение вибрации;
- увеличение зазоров.
Меры борьбы с изнашиванием:
- замена сухого трения жидкостным (хорошее смазывание);
- увеличение твердости (например, закалка снижает износ в 2 раза) и чистоты обработки поверхностей;
- подбор материалов трущихся пар (например, использование антифрикционных материалов).
Прочность – это способность конструкции и ее элементов выдерживать внешние воздействия (нагрузки) без разрушения и появления недопустимых остаточных деформаций. Прочность является важнейшим критерием работоспособности. Ему должны удовлетворять все детали.
Расчеты элементов конструкции на прочность будем осуществлять:
1). С помощью метода допускаемых напряжений. Т.е. определяют максимальные напряжения в опасном сечении и сравнивают их с допускаемыми, используя условие прочности:
- при растяжении и сжатии;
- при сдвиге;
- при кручении;
- при изгибе.
Пример: Определить диаметр стального стержня при воздействии на него растягивающей силы кН, МПа.
Решение:
1. Воспользуемся формулой для определения действительных напряжений:
;
2. Определим площадь поперечного сечения:
;
3. Используя данные формулы определим диаметр стержня:
мм.
2). С помощью определения коэффициента запаса прочности. Т.е. прочность деталей машин оценивают сравнением действительного коэффициента запаса прочности s рассчитываемой детали с допускаемым коэффициентом запаса прочности :
.
Коэффициент запаса прочности, показывает во сколько раз допускаемое напряжение больше опасного (для пластичных материалов , для хрупких ).
Для выбора допускаемых коэффициентов запаса прочности в машиностроении пользуются двумя методами: табличным и дифференциальным.
Дифференциальный метод использует формулы, которые учитывают различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали:
,
где - коэффициент, учитывающий точность определения действующих на деталь нагрузок и возникающих в ней напряжений; - коэффициент, учитывающий однородность материала детали; - коэффициент, учитывающий специфические требования безопасности рассчитываемой детали.
При точных методах расчета рекомендуется принимать и при расчетах средней точности - 1,2...1,6.
Коэффициент для стальных деталей из поковок и проката равен 1,2... 1,5; для деталей из стального литья - 1,5...1,8; для чугунных деталей - 1,5...2,5.
Коэффициент ; большие значения - для дорогостоящих деталей и повышенной надежности.
Методы повышения прочности:
- механическое упрочнение (обкатка роликами, обдувка дробью и др.);
- закалка ТВЧ;
- химическое упрочнение (цементация, азотирование, цианирование);
- термо-механическое упрочнение.