11. Основные критерии работоспособности и расчета.

Работоспособность деталей машин оценивают определенными критериями. По одному или нескольким критериям ведут расчет, цель которого определение размеров детали. Основные критерии: прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость и др.

Прочность характеризует сопротивление детали пластической деформации (для деталей из пластичных материалов) или разрушению (для деталей из хрупких материалов). Прочность – главный критерий работоспособности.

Основные пути повышения прочности:

1. Правильный выбор формы поперечного сечения детали (например, при нагружении балки изгибом для увеличения момента сопротивления следует использовать деталь, имеющую сечение в форме двутавра, а не круга; при кручении – в форме круга, а не квадрата и т.п.).

2. Правильный выбор материала детали (например, для изготовления крюка подъемного крана следует использовать достаточно пластичные стали 3 или 20, а не более склонные к хрупкому разрушению, хотя и более прочные легированные стали). 3. Упрочнение поверхности детали, на которой, как правило, и зарождаются первые очаги разрушения (термическая обработка, химико-термическая обработка, поверхностное пластическое деформирование, электромеханическая обработка и др.).

4. Применение предварительно напряженных конструкций.

Отметим, что повышение прочности путем увеличения размера детали не является прогрессивным.

Жесткость – способность детали сопротивляться изменению формы под воздействием внешней нагрузки.

Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. К таким условиям можно отнести качество работы сопряжений деталей (например, качество зацепления зубчатых колес и условия работы ухудшаются при больших прогибах валов) и технологические условия (например, точность и производительность обработки ухудшается при низкой жесткости деталей металлорежущего станка).

В точных машинах при относительно небольших нагрузках существенное значение имеет контактная жесткость, которая во многом зависит от шероховатости и волнистости сопряженных поверхностей деталей.

Износостойкость – способность детали сопротивляться истиранию на поверхности силового контакта с соседней деталью.

Для снижения износа необходимо правильно подбирать материалы трущихся деталей (например, для червячных передач, передачи винт–гайка: червяк и винт изготовляют из стали, а колесо и гайку из антифрикционного материала – бронзы, чугуна и т.п.); обеспечить хорошие условия смазки; при малом скольжении в контакте (например, в зубчатых передачах) следует использовать материалы с высокой твердостью поверхности; понижение температуры трущихся деталей благодаря хорошему охлаждению; защиту от попадания в зону трения абразивных частиц; замену внешнего трения внутренним (резинометаллические шарниры); использовать эффект избирательного переноса.

Коррозионная стойкость – способность детали сохранять свои свойства в

условиях химического воздействия агрессивной среды или электрохимиче-

ского взаимодействия среды и материала. Теплостойкость – способность детали сохранять свои расчетные пара-

метры в условиях повышенных температур.

При нагреве из-за теплового расширения размеры деталей увеличиваются, что может привести к недопустимому снижению зазоров и заклиниванию механизма. Изменение физико-механических свойств материалов деталей также не должно выходить за допустимые пределы. При нагреве свыше 350 … 400 С для конструкционных сталей и 100 … 150 С для цветных металлов и сплавов и пластмасс значительно снижаются механические свойства. При длительном воздействии высоких температур может возникнуть явление ползучести, заключающееся в том, что при постоянной нагрузке в детали (например, в болте) происходит непрерывная пластическая деформация.

Для улучшения теплостойкости следует выбирать материалы с малым коэффициентом линейного расширения, а так же жаропрочные материалы.

Виброустойчивость – способность детали работать в заданном режиме движения без недопустимых колебаний. Для повышения виброустойчивости необходимо снижать неуравновешенность вращающихся деталей, а также исключать ситуации, при которых частота собственных колебаний совпадет с частотой изменения внешней нагрузки (например, частотой вращения), так как при этом возникает явление резонанса, которое может привести к разрушению детали.

Надежность – это вероятность безотказной работы в течение заданного времени. Надеж

ность машины тем выше, чем меньше количество n деталей.

Экономичность – это не критерий работоспособности, а хозяйственная выгодность изделия. В то же время при конструировании необходимо учитывать экономические факторы, однако дешовое изделие не должно стать самоцелью.

4. При передаче вращательного момента в зацеплении действует нормальная сила Fn и сила трения Rf, связанная со скольжением. Под действием этих сил зуб находиться в сложном напряженном состоянии. Решающее влияние на его работоспособность оказывают контактные напряжения и напряжения изгиба , изменяющиеся во времени по некоторому прерывистому отнулевому циклу. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: излома зубьев от напряжений изгиба и выкрашивания рабочих поверхностей зубьев от контактных напряжений. С контактными напряжениями и трением в зацеплении связаны также износ, заедание и другие виды повреждения поверхностей зубьев рис.2.3.2.