Основы расчёта деталей и узлов транспортных машин

О Г Л А В Л Е Н И Е

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин

Классификация нагрузок, действующих на детали машин Методы расчета элементов трансмиссии и других узлов автомобилей и тракторов Кривые распределения скорости и нагрузки

Методы определения допускаемых напряжений и коэффициента запаса прочности

1.ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Вопросы для самоподготовки

2.МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

Обоснование необходимости использования передач Основные и производные характеристики передач

2.1. ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ Достоинства и недостатки прямозубой цилиндрической передачи

Критерии работоспособности и расчета зубчатых передач Расчет прямозубых цилиндрических передач по контактным напряжениям (ГОСТ 21354-87)

Расчет прямозубых цилиндрических передач на прочность по напряжениям изгиба

Вопросы для самоподготовки 2.2. КОСОЗУБЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

Достоинства и недостатки косозубой цилиндрической передачи Силы, действующие в косозубой цилиндрической передаче Понятие об эквивалентном прямозубом цилиндрическом колесе Расчет косозубых цилиндрических передач на контактную прочность Расчет косозубых цилиндрических передач на прочность по

напряжениям изгиба Вопросы для самоподготовки

2.3. КОНИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ Геометрические параметры прямозубой конической передачи Передаточное число конической передачи Силы, действующие в прямозубой конической передаче

Понятие о прямозубом цилиндрическом колесе эквивалентном коническому Расчет прямозубой конической передачи по контактным напряжениям

Расчет прямозубой конической передачи по напряжениям изгиба Вопросы для самоподготовки 2.4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС.

ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

2

Материалы для изготовления зубчатых колес Определение допускаемых напряжений

Вопросы для самоподготовки 3. ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Достоинства и недостатки червячных передач Классификация червячной передачи Геометрические параметры червяков, колес Критерии работоспособности червячных передач Кинематика червячной передачи Силы, действующие в червячной передаче

Расчеты на прочность червячных передач Материалы, применяемые для изготовления червяка и червячного колеса Тепловой расчет червячной передачи

Вопросы для самоподготовки 4. РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Достоинства и недостатки ременных передач Материалы ремней ременных передач

Геометрические параметры и силы, действующие в ременной передаче Определение силы, действующей на вал ременной передачи

Напряжения, действующие в ременной передаче Кривые скольжения и КПД ременной передачи Оценка долговечности ременной передачи (обеспечение долговечности ременной передачи)

Порядок расчета плоскоременной передачи Некоторые особенности клиноременных передач

Вопросы для самоподготовки 5. ВАЛЫ И ОСИ

Критерии работоспособности Расчет вала на прочность Расчет валов на жесткость

Расчет вала на виброустойчивость (на колебания) Вопросы для самоподготовки

6.ПОДШИПНИКИ

6.1.Подшипники скольжения Виды разрушений подшипника Режимы трения

Расчет подшипника скольжения при полужидкостном трении Расчет радиальных подшипников в режиме жидкостного трения Порядок расчета подшипников скольжения

6.2.Подшипники качения

Критерии работоспособности и расчета подшипников качения Подбор подшипников качения по статической грузоподъемности Подбор подшипников качения по динамической

3

грузоподъемности Порядок подбора подшипников качения

Определение расчетной осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник качения

Вопросы для самоподготовки 7. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Достоинства и недостатки сварных соединений Виды сварных соединений Основные параметры угловых сварных швов

Расчет стыковых сварных швов на прочность Расчет стыкового сварного шва на растяжение (сжатие) Расчет стыкового сварного шва на изгиб

Расчет стыкового сварного шва при одновременном воздействии растягивающей нагрузки и изгибающего момента Расчет стыкового сварного шва на кручение

Расчет стыкового сварного шва в условиях сложного напряженного состояния Расчет угловых сварных швов на растяжение

Расчет угловых сварных швов на изгиб Расчет угловых сварных швов на кручение

Определение допускаемых напряжений. Расчет сварных соединений при переменных по времени нагрузках

Вопросы для самоподготовки 8. РЕЗБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Достоинства и недостатки болтовых соединений Классификация резьбовых соединений Основные геометрические параметры резьбы

Обоснование преимуществ треугольной резьбы перед прямоугольной при использовании ее в качестве крепежной

ТЕОРИЯ ВИНТОВОЙ ПАРЫ Зависимость между моментом завинчивания и осевой силой

Расчет на прочность винтов, нагруженных только осевой растягивающей силой (рис. 8.8)

Распределение нагрузки по виткам резьбы Обеспечение равной прочности резьбы на срез, а стержня винта на разрыв

Расчет болтов, нагруженных осевой растягивающей силой и скручивающим моментом от сил трения в резьбе.

КПД резьбы Расчет на прочность резьбовых соединений, нагруженных

поперечными силами, действующими в плоскости стыка Расчет предварительно затянутых резьбовых соединений (болт затянут, внешняя нагрузка раскрывает стык)

Проектный расчет болтового соединения Расчет предварительно затянутых болтовых соединений в условиях

4

воздействия переменных нагрузок Расчет предварительно затянутых резьбовых соединений при повышенных температурах Передача «Винт-гайка»

Критерии работоспособности передачи винт-гайка Вопросы для самоподготовки 9. ШПОНОЧНЫЕ, ЗУБЧАТЫЕ (ШЛИЦЕВЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ

Соединения призматическими шпонками Соединения сегментными шпонками Соединения клиновыми шпонками Соединения тангенциальными шпонками Зубчатые (шлицевые) соединения

Основные критерии работоспособности и расчета Упрощенный расчет по обобщенному критерию Уточненный расчет зубчатых соединений (ГОСТ 21425–75)

Вопросы для самоподготовки 10. СОЕДИНЕНИЯ С ГАРАНТИРОВАННЫМ НАТЯГОМ

Расчет на прочность (неподвижность) соединения Расчет на прочность деталей соединения

Вопросы для самоподготовки 11. УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОВЕРХНОСТНЫМ

ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ Основные методы ППД Упрочняющие факторы ППД

Основные параметры, характеризующие результаты ППД Вопросы для самоподготовки

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение П. 1 Приложение П. 2 Приложение П. 3 Приложение П. 4

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Машина – механизм, предназначенный для преобразования энергии или для преодоления сил полезного сопротивления. Таким образом, есть маши- ны-двигатели (преобразуют один вид энергии в другой) и машины-орудия.

Машины состоят из деталей, например, в автомобиле более 15 тысяч различных деталей. Транспортная машина (автомобиль, трактор, тягач), несмотря на разнообразие конструктивного исполнения, состоят из похожих по функциональному назначению основных узлов: двигателя, коробки передач, раздаточных коробок, сцепления, карданной передачи, ведущих мостов включающих главную передачу, дифференциал, механизм поворота, конечную передачу, тормоза, ходовую систему и др. В приложении к пособию приведены типичные конструкции различных узлов автомобилей и тракторов для пояснения методики их расчета.

Деталь – изделие, изготовленное без применения сборочных операций. Детали могут быть простыми: гайка, шпонка и т.д. или сложными: коленчатый вал, корпусные детали и т.д..

Узел – изделие, состоящее из ряда деталей соединенных сборочными операциями и имеющее общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т.п.). Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, коробка передач включает подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т.п.

По назначению детали машин условно могут быть разделены на следующие группы:

1.Крепежные детали: резьбовые, сварные, клеевые, паяные, шпоночные, шлицевые, профильные и т.п..

2.Детали, предназначенные для поддержания вращающихся деталей или передачи крутящего момента: оси, валы, муфты.

3.Опоры валов: подшипники качения, скольжения.

4.Передачи:

а) зацепления (зубчатые, червячные, цепные);

6

б) трения (ременные, фрикционные).

5.Корпусные детали, которые предназначены для размещения в них подшипников.

6.Пружины, рессоры, которые предназначены:

а) для смягчения ударных нагрузок; б) для аккумулирования механической энергии.

7. Уплотнения (манжетные уплотнения, сальники, защитные шайбы и т.д.).

Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин

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.

7

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 ухудшаетя 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 электрохимического взаимодействия среды и материала.

8

Теплостойкость – способность детали сохранять свои расчетные параметры 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 KH безотказной работы в течение заданного времени.

Поскольку отказ и безотказная работа взаимно противоположные события, то

где, KH – вероятность безотказной работы (коэффициент надежности), Q – вероятность отказа.

9

Вероятность KH безотказной работы машины KH,м равна по теореме умножения вероятностей произведению вероятностей безотказной работы отдельных деталей

Поскольку, как правило, вероятность безотказной работы деталей достаточно высокая, то последнее выражение, отбросив произведения малых величин, можно преобразовать к виду

Отсюда видно, что при данной величине вероятности отказа Q, надежность 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.

Классификация нагрузок, действующих на детали машин

Нагрузки, действующие в звеньях механизмов и машин и определяющие метод их расчета, разделяют на две группы:

1. Статическая (постоянная) нагрузка – нагрузка, вызываемая постоян-

ной не изменяющейся по значению, направлению и закону силой (весовая нагрузка станин, фундаментов, корпусов и др.).

L

К статическим нагрузкам относят, также медленно изменяющиеся во времени нагрузки, когда силами инерции можно пренебречь.

10