Раздел 1. Общие вопросы проектирования деталей и узлов машин

Основные требования к деталям и узлам машин. Критерии работоспособности деталей машин. Допускаемые расчетные напряжения. Проектный и проверочный расчет.

Детали и узлы машин

Детали машин (от франц. détail — подробность) ДМ, элементы машин, каждый из которых представляет собой одно целое и не может быть без разрушения разобран на более простые, составные звенья машин. ДМ является также научной дисциплиной, рассматривающей теорию, расчёт и конструирование машин.

Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.п.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.п.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы (сборочные единицы).

Узел (сборочная единица) — это изделие, составные части которого (детали) подверглись соединению между собой сборочными операциями на предприятии изготовителе.

Машина (др.-греч. Μηχανή ), (от лат. machina) — совокупность агрегатов или устройств. Используется для выполнения определенных действий с целью облегчить или заменить полностью человека при выполнении конкретной задачи.

Практически любую машину можно причислить к одной из четырех групп:

• Энергетические машины (двигатели, ядерные реакторы, обогреватели и другие преобразователи энергии)

• Информационные машины (ЭВМ, музыкальные инструменты, аппараты связи и другие устройства передачи, обработки и хранения информации)

• Материалообрабатывающие машины (мельницы, печи, станки и т. д.)

• Транспортные и подъемные машины (канатные дороги, ракеты, краны, экранопланы…)

Число деталей в сложных машинах достигает десятков тысяч. Выполнение машин из деталей, прежде всего, вызвано необходимостью относительных движений частей. Однако неподвижные и взаимно неподвижные части машин (звенья) также делают из отдельных соединённых между собой деталей. Это позволяет применять оптимальные материалы, восстанавливать работоспособность изношенных машин, заменяя только простые и дешёвые детали, облегчает их изготовление, обеспечивает возможность и удобство сборки.

ДМ как научная дисциплина рассматривает следующие основные функциональные группы:

• Корпусные детали, несущие механизмы и другие узлы машин: плиты, поддерживающие машины, состоящие из отдельных агрегатов; станины, несущие основные узлы машин; рамы транспортных машин; корпусы ротационных машин (турбин, насосов, электродвигателей); цилиндры и блоки цилиндров; корпусы редукторов, коробок передач; столы, салазки, суппорты, консоли, кронштейны и др.

• Передачи — механизмы, передающие механическую энергию на расстояние, как правило, с преобразованием скоростей и моментов, иногда с преобразованием видов и законов движения. Передачи вращательного движения, в свою очередь, делят по принципу работы на передачи зацеплением, работающие без проскальзывания, — зубчатые передачи, червячные передачи и цепные, и передачи трением — ремённые передачи и фрикционные с жёсткими звеньями. По наличию промежуточного гибкого звена, обеспечивающего возможность значительных расстояний между валами, различают передачи гибкой связью (ремённые и цепные) и передачи непосредственным контактом (зубчатые, червячные, фрикционные и др.). По взаимному расположению валов — передачи с параллельными осями валов (цилиндрические зубчатые, цепные, ремённые), с пересекающимися осями (конические зубчатые), с перекрещивающимися осями (червячные, гипоидные). По основной кинематической характеристике — передаточному отношению — различают передачи с постоянным передаточным отношением (редуцирующие, повысительные) и с переменным передаточным отношением — ступенчатые (коробки передач) и бесступенчатые (вариаторы). Передачи, преобразующие вращательное движение в непрерывное поступательное или наоборот, разделяют на передачи винт — гайка (скольжения и качения), рейка — реечная шестерня, рейка — червяк, длинная полугайка — червяк.

• Валы и оси служат для поддерживания вращающихся ДМ. Различают валы передач, несущие детали передач — зубчатые колёса, шкивы, звёздочки, и валы коренные и специальные, несущие, кроме деталей передач, рабочие органы двигателей или машин орудий. Оси, вращающиеся и неподвижные, нашли широкое применение в транспортных машинах для поддержания, например, неведущих колёс. Вращающиеся валы или оси опираются на подшипники, а поступательно перемещающиеся детали (столы, суппорты и др.) движутся по направляющим. Опоры скольжения могут работать с гидродинамическим, аэродинамическим, аэростатическим трением или смешанным трением. Опоры качения шариковые применяются при малых и средних нагрузках, роликовые — при значительных нагрузках, игольчатые — при стеснённых габаритах. Наиболее часто в машинах используют подшипники качения, их изготавливают в широком диапазоне наружных диаметров от одного мм до нескольких м и массой от долей г до нескольких т.

• Для соединения валов служат муфты. Эта функция может совмещаться с компенсацией погрешностей изготовления и сборки, смягчением динамических воздействий, управлением и т.д.

Упругие элементы предназначаются для виброизоляции и гашения энергии удара, для выполнения функций двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров и натяга в механизмах. Различают витые пружины, спиральные пружины, листовые рессоры, резиновые упругие элементы и т.д.

• Соединительные детали являются отдельной функциональной группой. Различают: неразъёмные соединения, не допускающие разъединения без разрушения деталей, соединительных элементов или соединительного слоя — сварные, паяные, заклёпочные, клеевые, вальцованные; разъёмные соединения, допускающие разъединение и осуществляемые взаимным направлением деталей и силами трения (большинство разъёмных соединений) или только взаимным направлением (например, соединения призматическими шпонками). По форме присоединительных поверхностей различают соединения по плоскостям (большинство) и по поверхностям вращения — цилиндрической или конической (вал — ступица). Широчайшее применение в машиностроении получили сварные соединения. Из разъёмных соединений наибольшее распространение получили резьбовые соединения, осуществляемые винтами, болтами, шпильками, гайками.