Детали машин и основы конструктирования

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ

«ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ»

для студентов машиностроительных и технологических специальностей

2

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь современного общества уже немыслима без применения машин, которые многократно повышают производительность физического и умственного труда человека.

Машины настолько прочно вошли в жизнь общества, что в настоящее время трудно найти такой предмет или продукт потребления, который был бы изготовлен или доставлен к месту потребления без помощи машин. Без машин невозможно было бы современное развитие наук, медицины, искусств, требующих все более совершенных инструментов и материалов, были бы невозможны быстрые темпы строительства, а также не могли бы удовлетворяться потребности населения в предметах широкого потребления.

Важнейшим достижением и показателем уровня машиностроения и приборостроения является автоматизация, в частности комплексная автоматизация производственных процессов в народном хозяйстве, охватывающая автоматизацию непрерывных процессов, автоматизацию крупного производства штучных изделий и в настоящее время распространяемую на принципиально более сложную автоматизацию производства штучных изделий мелкосерийного производства. Расширяется применение материало-, трудо- и энергосберегающей технологии, станков с программным управлением и многоцелевых, гибких производственных систем. Во все области машиностроения бурно внедряется микропроцессорная техника.

В настоящее время реализуются мероприятия по коренному повышению уровня и качества продукции машиностроения:

1.Повышение надежности и ресурса машин, достигаемое путем обеспечения их необходимого технического уровня, применения деталей и узлов, надежных и долговечных по своей природе, перехода на вероятностные расчеты и др.

2.Уменьшение материалоемкости конструкций путем их оптимизации, совершенствования

расчетов, выбора оптимальных и новых материалов и упрочнений.

3. Уменьшение энергозатрат путем обеспечения совершенного трения и повышения КПД механизмов, применением механизмов с особо высоким КПД.

4. Повышение производительности труда в машиностроении путем стандартизации и унификации объектов производства, организации централизованного изготовления узлов и заготовок, оптимизации структуры промышленности, как средства перехода на технологию крупносерийного и массового производства с повышением производительности в десятки раз.

5.Проектирование технологичных деталей под современную прогрессивную материа- ло-, трудо- и энергосберегающую технологию.

Вметодологии курса «ДМ и ОК» реализуются основные принципы диалектики.

Всоответствии с приниципом детерминизма, т.е. всеобщей закономерной связи всех явлений, осуществляется переход от условных и независимых расчетов деталей машин к расчетам по истинным критериям работоспособности и к расчетам как элементов единой системы.

Всоответствии с философскими категориями необходимость и случайность все изучаемые в курсе явления, позволяющие их удовлетворительное описание детерминистическими зависимостями, рассчитывают с помощью этих зависимостей. Вместе с тем расширяется применение вероятностных расчетов для учета таких недостаточно определенных и изученных факторов, как ресурсы деталей, интенсивность изнашивания, механические характеристики материалов.

Закон диалектики – переход количественных изменений в качественные – очень ярко иллюстрируется основным критерием прочности – сопротивлением усталости. Циклические напряжения вызывают некоторые качественные изменения, которые даже не меняют статическую прочность, а потом происходит внезапное разрушение. Также при других постепенных отказах – износе, коррозии, старении – детали значительное время эксплуатации остаются работоспособными, а потом выбраковываются по выходным показателям: шуму, опасности разрушения и др.

6

Рассмотрение явлений в своем развитии является весьма плодотворным в курсе деталей машин. Развитие конструкций тесно связано с развитием технологии, которая обеспечила появление подшипников качения, многоконтактных соединении и передач шлицевых, волновых и др.), деталей оптимальных форм.

Не менее тесная связь – с развитием и появлением новых материалов.

На примере ряда деталей можно явно наблюдать спиралевидное развитие. Так, передачи с ремнями из натуральных материалов начали вытесняться из машин, а после появления новых синтетических материалов получили второе рождение.

7

1. Общие сведения

Машины состоят из деталей. Детали машин – это составные части машин, каждая из которых изготовлена без применения сборочных операций (например, вал).

Число деталей в сложных машинах может составлять десятки и сотни тысяч, например, в автомобиле более 15 тыс. деталей, в автоматизированных комплексах прокатного оборудования – более миллиона.

Курс «Детали машин и основы конструирования» охватывает также совокупность совместно работающих деталей, представляющих собой конструктивно обособленные единицы, обычно объединяемые одним назначением и называемые сборочными единицами или узлами. Узлы одной машины можно изготовлять на разных заводах. Характерными примерами узлов являются редукторы, коробки передач, муфты, подшипники в собственных корпусах.

Изготовление машины из деталей в первую очередь связано с необходимостью относительных движений ее частей. Как свидетельствует одно из старейших, дошедших до наших дней определений, под термином «машина» понималось «орудие, имеющее внутреннее движение частей».

Неподвижные и взаимно неподвижные, скрепленные между собой детали называют звеньями. Выполнение звеньев не из одной, а из нескольких соединенных между собой деталей обеспечивает возможность:

а) изготовления деталей из разных материалов, например вкладышей подшипников из бронзы или другого антифрикционного материала, а корпусов подшипников из чугуна;

б) удобной замены быстроизнашивающихся деталей; в) сборки (например, установка коленчатого вала в коренные подшипники двигателя

обычно выполнима лишь при съемных крышках) и облегчения сборки машины; г) большей стандартизации и централизованного изготовления деталей. Рассмотрим самую общую классификацию деталей машин.

1.Выполнение машин и их звеньев из различных деталей вызывает необходимость соединения последних между собой. Поэтому группой деталей, рассматриваемой первой в курсе как наиболее общей, является группа соединений.

Некоторые части деталей и детали после их изготовления могут быть соединены постоянно и не требуют последующей разборки (например, нет необходимости разбирать паровой котел на отдельные листы). Соответствующие соединения называют неразъемными, их осуществляют сваркой, пайкой или клепкой. Разъединение деталей невозможно без их разрушения или связано с опасностью их повреждения.

Некоторые детали необходимо в процессе эксплуатации разъединять, например, для осмотра, очистки или замены. В этих случаях приходится использовать более сложные разъемные соединения, осуществляемые с помощью винтов, шпонок, клиньев и т. п.

2.Машины состоят из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов. Наиболее общими для всех машин являются передаточные механизмы. Двигательные и

исполнительные механизмы, как правило, имеют много специфических деталей. Передача механической энергии наиболее удобно осуществляется при вращательном движении, которое может быть непрерывным и иметь большую скорость.

Для передачи энергии при вращательном движении в основном применяют передачи, валы и муфты.

Передачи вращательного движения являются механизмами, предназначенными передавать энергию с одного вала на другой, как правило, с изменением, т.е. с уменьшением или увеличением угловых скоростей и соответственным изменением вращающих моментов.

Передачи разделяют на передачи зацеплением, передающие энергию посредством взаимного зацепления зубьев (зубчатые, червячные и цепные передачи), и передачи трением, передающие энергию посредством сил трения, вызываемых начальным натяжением ремня (ременные передачи) или прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи с жесткими телами качения).

8

3.Вращающиеся детали передач (зубчатые колеса, шкивы, звездочки) устанавливают на валах. Валы служат для передачи вращающего момента вдоль своей оси и для поддержания указанных деталей. Для поддержания вращающихся деталей без передачи полезных вращающих моментов служат оси.

Валы соединяют с помощью муфт. Муфты бывают постоянные, не допускающие разъединения валов при работе машин, и сцепные, допускающие сцепление и расцепление валов.

Валы и оси вращаются в подшипниках. Последние делятся на подшипники скольжения и качения.

Поступательно движущиеся детали поддерживают направляющие поступательного движения скольжения и качения.

Подшипники и направляющие, в свою очередь, базируются на основаниях: станинах и других корпусных деталях.

4.Для преобразования видов движений (вращательного в возвратно-поступательное, качательное или наоборот), осуществления движений с заданным законом изменения скорости

идвижения со сложной траекторией применяют шарнирно-рычажные и кулачковые механизмы. Наибольшее применение из шарнирно-рычажных механизмов имеет, как известно, кри- вошипно-ползунный механизм, используемый во всех поршневых машинах: двигателях внутреннего сгорания, насосах. Основные детали шарнирно-рычажных механизмов: кривошипы, шатуны, коромысла, направляющие, кулисы, ползуны. Основные детали кулачковых механизмов: кулачки, эксцентрики, ролики.

5.В большинстве машин необходимо использовать упругие элементы: пружины или рессоры. Пружины и рессоры применяют: для защиты от вибраций и ударов (особенно широко в транспортных машинах – автомобилях, вагонах); для совершения в течение длительного времени полезной работы путем предварительного аккумулирования или накопления энергии (заводные пружины в часах и других механизмах); для осуществления обратного хода в кулачковых и других механизмах; для создания натяга и т. д.

6.Для повышения равномерности движения, уравновешивания деталей машин и для накопления энергии в целях повышения силы удара или для ее восприятия (в машинах ударного действия) применяют детали, использующие для выполнения своих функций массу – маховики, маятники, грузы, бабы, шаботы.

7.Долговечность машин в значительной степени определяется устройствами для защиты от загрязнения и для смазывания.

8.Важную группу составляют детали и механизмы управления.

Наконец, значительные группы составляют детали специфические (точнее, имеющие наибольшее применение) для отдельных групп машин.

Для энергетических машин наиболее характерными являются цилиндры, поршни, клапаны, лопатки и диски турбомашин, роторы и статоры электрических машин.

Для транспортных машин характерны: колеса, гусеницы, рельсы, винты водяные и воздушные, крюки, ковши, грейферы и др.

Для машин-орудий специфическими являются: опоки, валки, шаботы, бабы, патроны, суппорты, лемехи, отвалы, веретена, катушки, шпули, челноки.

В связи с электрификацией, гидрофикацией и автоматизацией машин многие детали энергетических и транспортных машин получают общепромышленное применение.

1.1 Историческая справка

Наша жизнь немыслима без многих предметов и вещей, и большинство из них созданы человеком. Такие искусственные объекты являются результатом особой деятельности, проектирования. Развиваясь, человечество создает все более сложные объекты, одновременно обогащая содержание и совершенствуя приемы этой деятельности.

Первые искусственные объекты – изготовленные простейшим способом из галек рубила,– появились около 2 миллионов лет назад. Они ознаменовали собой начало эры homo habilis

9

(человека умелого). Шло время, оттачивались приемы скола частиц камня, совершенствовались очертания, уточнялись приемы и операции по изготовлению орудия. Деятельность все более приобретала осознанно-целенаправленный характер, и приблизительно 30...40 тысяч лет назад наступила эра homo sapiense (человека разумного).

Около 5 тысяч лет назад созидательная деятельность человека приняла более активный и целенаправленный характер. В начале 3 тысячелетия до н.э. в Древнем Египте появляются первые простые механизмы (клин, рычаг, блок, катки), которые применяли при строительстве пирамид. Чуть позже, в Индии, создаются первые повозки. Длительное время источником энергии служили человек и домашние животные. В 3 веке до н.э. начинают использовать энергию падающей воды, построили водяное колесо для мукомольных машин и первые передачи механического движения. Значительным событием становится строительство в 10...11 веках во Фландрии и Англии первых ветровых мельниц, в состав которых уже входили сложные передачи и тормозное устройство.

Весь этот период характеризовался созданием простых технических объектов. Их разработка осуществлялась, как правило, одним человеком, знаний которого было достаточно, чтобы охватить все возможные проблемы. Некоторое представление о системе таких знаний и принципах организации деятельности можно получить из труда римского архитектора и механика Витрувия, жившего 2 тысячи лет назад (отметим, что в то время деятельность архитектора была связана не только с возведением зданий, но и с созданием строительных и военных машин):

“...1. Наука архитектора основана на многих отраслях знания и на разнообразных сведениях, при помощи которых можно судить обо всем, выполняемом посредством других искусств. Эта наука образуется из практики и теории... .

2. Как во всем прочем, так главным образом в архитектуре заключаются две вещи: выражаемое и то, что его выражает. Выражается предмет, о котором идет речь; выражает же его пояснение, сделанное на основании научных рассуждений. Поэтому ясно, что тот, кто считает себя архитектором, должен быть силен и в том, и в другом. Таким образом, ему надо быть и одаренным и прилежным к науке: ибо ни дарование без науки, ни наука без дарования не в состоянии создать совершенного художника. Он должен быть человеком грамотным, умелым рисовальщиком, изучить геометрию, всесторонне знать историю, внимательно слушать философов, быть знакомым с музыкой, иметь понятие о медицине, знать решения юристов и обладать сведениями в астрономии и в небесных законах... .

4.Основания всему этому следующие. Грамотность необходима архитектору, чтобы поддерживать его память записями. Затем, уметь рисовать он должен для того, чтобы быть в состоянии изобразить без труда при помощи рисунков задуманное им произведение. Геометрия же приносит большую пользу архитектуре, и прежде всего она учит употреблению циркуля и линейки, что чрезвычайно облегчает составление планов зданий и правильное применение наугольников, уровней и отвесов. Также при помощи оптики в здание правильно пропускается свет с определенных сторон света. А посредством арифметики составляют смету постройки, вычисляют ее размеры и путем применения геометрических законов и выкладок разрешают сложные законы соразмерностей.

5.Всестороннее знакомство с историей необходимо потому, что архитектор часто намечает в своих произведениях многочисленные украшения, в значении которых он должен уметь дать отчет тем, кто этого потребует... .

7.Что же касается философии, то она возвышает дух архитектора и, искореняя в нем самонадеятельность, делает его более обходительным, справедливым, честным и отнюдь не скаредным. Это чрезвычайно важно, потому что, в самом деле, никакая работа не может быть выполнена без честности и добросовестности. Архитектор не должен быть жаден и стремиться

кнаживе, а обязан серьезно поддерживать свое достоинство соблюдением своего доброго имени; это ведь именно и предписывает философия. Кроме того, философия объясняет природу вещей,... которую архитектору необходимо очень тщательно изучить, так как он имеет дело со многими и различными физическими вопросами... . Точно так же понять Ктесибия или Ар-