Детали машин и основы конструктирования

11

В литературе эпохи Возрождения имеются данные о применении канатных и ременных передач, грузовых винтов, муфт.

Таким образом, большинство основных типов деталей машин было известно еще в древности или в период Возрождения.

Споявлением паровой машины в конце XVIII в. и паровоза в начале XIX в. широкое применение получили заклепочные соединения (в паровых котлах и железнодорожных мостах). В XX в. произошло постепенное вытеснение заклепочных соединений сварными.

Резьбовые соединения непрерывно совершенствовались. В 1840 г. Витвортом в Англии была разработана система крепежных резьб, сыгравшая большую роль как первая работа по стандартизации в машиностроении.

Передачи гибкой связью (ременная и канатная) развивались в начале как универсальные: для раздачи энергии от паровой машины по этажам фабрики (канатная передача), для привода трансмиссионных валов, привода отдельных станков и других машин и привода отдельных органов в каждой машине (ременная передача). В конце XIX и в XX вв. по мере развития индивидуального электропривода роль ременной передачи свелась к приводу легких и средних машин от индивидуальных приводных двигателей. В 20-х годах началось широкое распространение ременных передач с клиновым сечением ремня. В последние годы осуществляется переход на ремни из синтетических материалов, зубчатые и многоклиновые.

Зубчатая передача непрерывно совершенствовалась и области применения ее расширялись: вместо цевочного появляется собственно зубчатое зацепление, сначала прямо-бочного профиля со скруглениями, который затем заменяется циклоидальным, а потом эвольвентным. Вместо деревянных колес, использовавшихся в приводе от водяных двигателей, начинают применять чугунные со вставными деревянными зубьями на большом колесе, потом литые чугунные необработанные и, наконец, стальные обработанные.

С70-х годов прошлого века в связи с появлением велосипедов начинают применять подшипники качения, которые получают широкое распространение.

История развития конструкций деталей машин в России свидетельствует о значительном вкладе русских механиков в эту область техники.

Механику Петра I А. К. Нартову принадлежит изобретение (около 1718 г.) самоходного суппорта токарного станка с ходовым винтом. До этого на протяжении многих веков инструмент держали в руках, опирая на подручник.

К. Д. Фролов впервые в мире применил металлические (чугунные) рельсы для внутризаводского транспорта.

Ф. А. Блинов изобрел гусеничный ход, привилегия на который была ему выдана в 1879 г. Русскому инженеру Р. А. Корейво (1907 г.) принадлежит изобретение цельнометаллической упругой муфты, обладающей рядом принципиальных достоинств. Современные модифи-

кации этой муфты имеют широкое распространение в тяжелом машиностроении.

Еще в 1903 г. на Балтийском заводе были изготовлены червячные передачи с глобоидным (облегающим червячное колесо) червяком.

Развитие конструкций деталей машин в настоящее время определяется большими сдвигами, происходящими в технике в связи с появлением новых материалов и интенсификацией рабочих процессов, комплексной автоматизацией, повышением параметров машин – мощностей, скоростей, давлений, точности.

Теория и расчет деталей машин разрабатывались по мере появления и совершенствования конструкций. Простые расчеты – определение передаточных отношений и действующих сил – были известны еще в древней Греции. Первым исследователем в области деталей машин должен, по-видимому, считаться Леонардо да Винчи. Он рассматривал вопросы о сопротивлении вращению колес, шкивов и блоков, о зоне износа подшипников, и о соотношении между износом оси и подшипника. Он предложил установку для испытания винтов. Очень большое значение имели исследования Леонардо да Винчи в области трения.

12

Первая попытка систематического описания частей машин была сделана Леупольдом в сочинении «Театр машинный».

Вразработке теории и расчета деталей машин большая роль принадлежит отечественным ученым. Л. Эйлер – член Российской Академии наук, нашедший в России вторую родину, предложил и разработал теорию эвольвентного зацепления зубчатых колес, которое в настоящее время имеет повсеместное распространение, разработал теорию трения гибкой нити о шкив, составляющую основу теории расчета ременных передач и ленточных тормозов.

Профессор Н. П. Петров является основоположником гидродинамической теории смазки (теории работы масляного слоя между трущимися поверхностями).

Внастоящее время эта теория является не только основой расчета подшипников скольжения, но распространяется на зубчатые и червячные передачи, роликовые подшипники и другие детали, работающие со смазочными материалами.

Великий русский ученый Н. Е. Жуковский исследовал распределение силы между витками резьбы, работу упругого ремня на шкивах и вместе с С. А. Чаплыгиным дал блестящее решение важнейшей гидродинамической задачи для подшипников скольжения.

X. И. Гохманом была разработана общая теория зубчатых зацеплений.

Начиная с 1917 г. отечественная наука о деталях машин развивалась особенно быстрыми темпами и достигла значительных результатов.

Предложено круговинтовое зацепление высокой несущей способности (М. Л: Новиков), созданы основы контактно-гидродинамической теории смазки (А. И. Петрусевич и др.); разработан избирательный перенос в парах трения, обеспечивающий в определенных условиях почти безызносную работу (Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский); установлена прямая пропорциональность износостойкости материалов в естественном состоянии от твердости (М. М. Хрущов); разработан расчет на изнашивание как усталостный процесс и расчет сил трения (И. В. Крагельский и др.).

Из зарубежных классических исследований необходимо указать на выдающиеся работы О. Рейнольдса, А. Зоммерфельда, А. Митчеля в области гидродинамической теории смазки; X. Гюйгенса – по циклоидальному профилю зубьев зубчатых колес и Р. Виллиса – по общим зависимостям для зубчатых зацеплений; В. Льюиса, Е. Бакингема, X. Меррита – по прочности зубчатых передач; К. Баха – по выбору допускаемых напряжений и техническим расчетам деталей машин; Р. Штрибека, А. Пальмгрена – по расчету подшипников качения.

Создание в 1774г. Дж. Уаттом универсальной паровой машины положило начало технической революции и все более ускоряющемуся техническому прогрессу. Появляются сложное оборудование и двигательные установки, такие как изобретенные в 1889 г. К. Лавалем паровая турбина, в 1870...1890 гг. двигатель внутреннего сгорания (газовый – Н. Отто, бензиновый – Г. Даймлера и К. Бенца, дизельный – Р. Дизеля), в 1889 г. М. О. Доливо-Добровольским – электродвигатель переменного тока. Функционирование новых машин начинает широко использовать явления механики, термодинамики, электромагнетизма. Технические объекты становятся сложными физически. Сложность разрабатываемых объектов уже не позволяла одному человеку целиком решать всю техническую задачу. С 19 века наступает дифференциация наук и специализация в области исследований, разработки и производства.

1.2 Понятие проектирования

Безудержный рост потребностей общества, начавшийся в 20 веке, стимулировал поиск все новых и новых технических решений. Все ярче начали проявляться ограниченность материальных и временных ресурсов, опасность экологических последствий. Современному уровню развития техники стали присущи не только сложность проектируемых объектов, но и их интенсивное воздействие на общество и окружающую среду, тяжкость последствий аварий из-за ошибок разработки и эксплуатации, высокие требования к качеству и цене, сокращению сроков выпуска новой продукции. При создании подобных объектов их уже необходимо рассматривать в виде систем, т.е. комплекса взаимосвязанных внутренних элементов с определенной

14

2 Структура проектирования

Проектирование, как целенаправленная деятельность, обладает определенной структурой, т.е. последовательностью и составом стадий и этапов разработки проекта, совокупностью процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействием участников процесса.

Все мы так или иначе занимаемся проектированием, будь то составление маршрута поездки, приготовление обеда, написание сочинения и т.д. И у каждого выработалось свое представление о структуре проектной (творческой) деятельности, основанное на личном опыте. Однако за длительный период существования человечества сформировались и общепринятые, проверенные практикой подходы к проектированию и его структура.

В настоящее время существуют два представления структуры проектирования, подобных по форме, но различных по целям и подходам к деятельности. Это – структура оформления этапов проектных работ и структура проектной деятельности.

2.1 Стадии проектирования, регламентированные стандартом

Соответствующая структура стадий проектирования регламентирована стандартом (ГОСТ 2.103) и обязательна при официальных взаимоотношениях между заказчиком и исполнителем или между соисполнителями работ.

Данная структура определяет содержание и последовательность формирования комплекта проектной документации в процессе разработки технической системы. Эта документация необходима для отчета перед заказчиком о проделанной работе, возможности проверки или повторения разработок другими исполнителями, подготовки производства и обслуживания в период эксплуатации. Основные стадии (этапы) структуры представлены на рис. 2.1.

Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, технические и тактикотехнические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования к разрабатываемой технической системе, предписание по выполнению необходимых стадий создания документации и ее состав, а также специальные требования к изделию.

Техническое предложение (ПТ) – совокупность документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование (ТЭО) целесообразности разработки проекта. Такое заключение дается на основании анализа ТЗ заказчика и различных вариантов возможных решений, их сравнительной оценки с учетом особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов. Согласованное и утвержденное в установленном (на предприятии, в министерстве и т.п.) порядке ПТ является основанием для разработки эскизного проекта.

Эскизный проект (ЭП) – совокупность документов, содержащих принципиальные решения и дающих общее представление об устройстве и принципе работы разрабатываемой технической системы, а также данные, определяющие ее назначение, основные параметры и габаритные размеры. В случае большой сложности системы этому этапу может предшествовать аван-проект (предпроектное исследование), обычно содержащий теоретические исследования, предназначенные для обоснования принципиальной возможности и целесообразности создания данной системы. При необходимости на стадии ЭП проводят изготовление и испытание макетов разрабатываемой системы.

Технический проект (ТП) – совокупность документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве проектируемой системы, исходные данные для разработки рабочей документации.

На стадии рабочего проекта (РП) сначала разрабатывают подробную документацию для изготовления опытного образца и последующего его испытания. Испытания проводят в ряд этапов (от заводских до приемо-сдаточных), по результатам которых корректируют проектные документы. Далее разрабатывают рабочую документацию для изготовления установочной серии, ее испытания, оснащения производственного процесса основных составных частей изделия. По результатам этого этапа снова корректируют проектные документы и разрабатывают

15

рабочую документацию для изготовления и испытания головной (контрольной) серии. На основе документов окончательно отработанных и проверенных в производстве изделий, изготовленных по зафиксированному и полностью оснащенному технологическому процессу, затем разрабатывается завершающая рабочая документация установившегося производства. В процессе разработки проектной документации (рис. 2.1) в зависимости от сложности решаемой задачи допускается объединять между собой ряд этапов.

Этапы постановки ТЗ и технического проектирования могут входить в цикл научноисследовательских работ (НИР), а этапы технического предложения и эскизного проектирования – образовывать цикл опытно-конструкторских работ (ОКР). Завершает структуру этап, подводящий итог проектной деятельности – сертификация. Его назначение – определение уровня качества созданного изделия и подтверждение его соответствия требованиям тех стран, где предполагается его последующая реализация. Необходимость выделения этого этапа в виде самостоятельного вызвана тем, что в настоящее время экспорт продукции или ее реализация внутри страны во многих случаях недопустимы без наличия у нее сертификата качества.

Техническое задание

Техническое предложение

Эскизный проект

Технический проект

Разработка рабочей документации

Опытного образца

Установочной серии (опытного производства)

Установившегося

производства

Сертификация

Рис. 2.1 – Стадии разработки проектной документации

2.2 . Последовательность решения задачи проектирования

Правильное ведение документации облегчает взаимодействие участников процесса проектирования. Осознанный же подход к проектной деятельности позволяет быстро найти эффективные технические решения.

В настоящее время, по результатам исследований сущности процесса проектирования, разработаны рекомендации по ведению этой деятельности. Предложен ряд схем структур проектирования, совпадающих в основных чертах и различающихся только в содержании или названии отдельных этапов. На рис. 2.2 приведен обобщенный вид такой структуры.

16

Решение любой задачи начинается с ее осмысления и уточнения исходных данных. То ТЗ, которое выдается заказчиком, формулируется на языке потребителя и не всегда бывает технически четким и исчерпывающим. Перевести задание на язык предметной области, сформулировать задачу максимально полно и грамотно, обосновать необходимость ее решения – первый и обязательный этап работы. Исполнитель выполняет его в тесном контакте с заказчиком.

В машиностроении этот этап иногда называют внешним проектированием. Этим подчеркивается, что разработка системы уже начинается с постановки задачи и формирования ТЗ и активно ведется совместно с заказчиком.

Следующие этапы образуют внутреннее проектирование. Они нацелены на поиск решения задачи и выполняются разработчиком. Сюда входят этапы синтеза принципа действия, структуры и параметров проектируемой системы.

На этапе синтеза принципа действия отыскивают физические эффекты, которые составят основу функционирования системы. Это могут быть фундаментальные законы, их частные случаи или следствия. Работа ведется с физическими моделями и их графическим представлением – блок-схемами. Этому этапу соответствует заключительная стадия ТЗ и стадия технического предложения структуры проектирования по ГОСТ 2.103.

Рис. 2.2 – Структура процесса решения задачи проектирования

На этапе структурного синтеза на основе выбранного принципа действия создаются варианты начального графического представления системы – структурные схемы. В соответствии с ГОСТ 2.103 этот этап включает стадию эскизного проектирования.

На этапе параметрического синтеза отыскиваются значения параметров системы, находится численное решение проектной задачи, создаются чертежи изделия и его частей. Этот этап соответствует стадиям технического и рабочего проектирования.

В процессе решения задачи появляется потребность в подсистемах. Решение частных проектных задач, дополняющих основное решение, также проводится в соответствии с представленной последовательностью.

Вследствие неполноты начальных знаний процесс проектирования – итерационен, что на рис.4 отражается стрелками обратных движений.

На каждом этапе внутреннего проектирования выполняются следующие процедуры: выбор модели (основополагающий принцип, вид блок-схемы и расчетной схемы), выбор ме-

тода решения, решение, анализ полученных результатов и принятие решения.

Замечено, что эффективность проектируемой системы определяется: в первую очередь – выбранным принципом действия, во вторую – предложенной структурой и в третью – соотношением параметров.

Ведение разработки последовательно от верхних уровней иерархической структуры проектируемой системы к низшим называется нисходящим проектированием. Его результатом будут требования к подсистемам.

17

Возможен ход разработки от низшего уровня к верхнему, что образует процесс восходящего проектирования. Такое проектирование встречается, если одна или несколько подсистем уже являются готовыми (покупными или уже разработанными) изделиями. Результатом проектирования будет частная документация подсистем.

Нисходящее и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками. Так, при нисходящем проектировании возможно появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми по технологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектировании возможно получение системы, не соответствующей заданным требованиям. В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования, оба его вида взаимосвязаны.

Например, разрабатывая при нисходящем проектировании автомобиль (от общей схемы к подсистемам и, в частности, – к мотору), необходимо увязать общую компоновку с размерами и мощностью уже выпускаемых двигателей. В противном случае придется разрабатывать применительно к данной компоновке новый двигатель, либо изменять первоначальные варианты его расположения или схему компоновки всего автомобиля.

18

3. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин

Детали машин должны удовлетворять условию надежности, т. е. способности, сохраняя свои эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течении заданного срока службы, и условию экономичности, т.е. иметь минимальную необходимую стоимость изготовления и эксплуатации.

Поэтому необходимо применять наиболее подходящие материалы с учетом их стоимости и дефицитности, а также рассчитывать детали без излишних запасов.

Работоспособность и надежность деталей машин характеризуется определенными критериями. По одному или по нескольким из них ведут расчет, цель которого – определение размеров и материалов деталей машин. Часть критериев удовлетворяется заведомо и не требует проверки.

Важнейшие критерии работоспособности: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

3.1 Прочность

Нагрузки на детали машин и напряжения в них, как известно, могут быть постоянными и переменными по времени.

Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в машинах почти не встречаются. Постоянная, неподвижная в пространстве нагрузка вызывает во вращающихся деталях (валах, осях, зубьях зубчатых колес) переменные напряжения. Однако некоторые детали работают с мало изменяющимися напряжениями, которые при расчете можно принимать за постоянные. К таким деталям могут быть отнесены детали с большими нагрузками от силы тяжести (в транспортных и подъемно-транспортных машинах), детали с большой начальной затяжкой (заклепки, часть крепежных винтов и пружин) и детали с малым общим числом плавных нагружений.

Переменные напряжения, прежде всего, характеризуются циклом изменения напряжений. В деталях машин возникают следующие циклы изменения напряжений:

а) отнулевой цикл, в котором напряжения меняются от нуля до максимума (зубья зубчатых колес, работающих в однусторону, штоки, толкатели и шатуны тихоходных механизмов, малонагруженные при обратном ходе и т. д.);

б) знакопеременный симметричный цикл, в котором напряжения меняются от отрицательного до такого же положительного значения (напряжения изгиба во вращающихся валах и осях);

в) асимметричный, знакопостоянный (винты, пружины), или знакопеременный цикл. Переменные режимы могут быть регулярными, т. е. с постоянными амплитудами и

средними напряжениями, и нерегулярными с непостоянными амплитудами и средними напряжениями.

Постоянные режимы характерны для машин центральных силовых и насосных станций и транспортных машин дальнего следования, переменные – для большинства машин – универсальных машин-орудий, транспортных машин и т. д.

Нагрузки могут изменяться плавно или прикладываться внезапно (удары). Существенные ударные нагрузки действуют в машинах ударного действия и в транспортных машинах. Удары также бывают связаны с работой механизмов (переключением зубчатых колес и кулачковых муфт на ходу, использованием упоров и т. д.), с погрешностями изготовления и увеличенными зазорами в сопряжениях. Очень опасны удары при авариях. Основная характеристика сопротивления удару – ударная вязкость.

Расчеты на прочность – ведут по номинальным допускаемым напряжениям, по коэффициентам запаса прочности (запасам прочности) или по вероятности безотказной работы. Расчеты по номинальным напряжениям наиболее просты и удобны в качестве предварительных и для обобщения опыта конструирования путем накопления данных о напряжениях в хорошо зарекомендовавших себя конструкциях, работающих в сходных условиях. Наиболее полезны такие данные для машин массового выпуска, в частности автомобилей, опыт эксплуатации ко-

19

торых велик. Расчеты по коэффициентам безопасности учитывают в явной форме отдельные факторы, влияющие на прочность: концентрацию напряжений, размеры деталей, упрочнения,

– а потому более точны. Вместе с тем эти расчеты сохраняют условность, так как коэффициент запаса (иначе коэффициент незнания) вычисляют для некоторых условных характеристик материалов и значений нагрузок.

Наиболее прогрессивным является расчет по вероятности безотказной работы, как по истинному и физически ясному критерию.

Расчеты на прочность при постоянных напряжениях деталей из пластичных материалов обычно производят согласно условию отсутствия общих пластических деформаций, т. е. Обеспечивают требуемый коэффициент запаса по отношению к пределу текучести материала. Коэффициенты концентрации напряжений в расчеты не вводят, так как пики напряжений сглаживаются вследствие местных пластических деформаций, не опасных для прочности детали.

При действии напряжений изгиба (или растяжения) σ и кручения τ расчет ведут по эквивалентному напряжению

где σT и τT – пределы текучести материалов.

Некоторые детали рассчитывают по предельным остаточным перемещениям, допустимым без нарушения нормальной работы узла. К таким деталям могут быть отнесены, например, грузовые крюки, рым-болты, прижимные планки для крепления деталей на станках и т. д.

Расчет на прочность при постоянных напряжениях, равномерном напряженном состоянии и хрупком состоянии материала производят по заданному коэффициенту запаса относительно временного сопротивления (иначе, предела прочности). При неравномерном напряженном состоянии, в частности при изгибе, за исходную характеристику принимают временное сопротивление при этом напряженном состоянии.

Например, у серых чугунов временное сопротивление изгибу в среднем в 2 раза выше, чем растяжению. Коэффициенты концентрации напряжений вводят в расчет на статическую прочность для материалов в хрупком состоянии, но их существенно уменьшают для неоднородных материалов со значительной внутренней концентрацией напряжений (серый чугун).

Наиболее общей является теория прочности Мора, по которой эквивалентное напряжение

Для серых чугунов в среднем ν=0,25, для закаленных сталей ν = 0,75.

Расчет на прочность деталей машин при регулярных переменных напряжениях обеспечивает требуемый запас прочности по отношению к пределу выносливости.

При одноосном растяжении-сжатии или изгибе запас прочности определяют по формуле

20

где σ-1, τ-1 – пределы выносливости материала при знакопеременном симметричном цикле; σm, τm – постоянные составляющие напряжений;

σa, τa –амплитуды напряжений;

kσ, kτ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений; kf – коэффициент влияния шероховатости поверхности;

kd – масштабный коэффициент;

ψσ, ψτ – коэффициенты, характеризующие чувствительность материала к асимметрии цикла.

При пользовании приведенными формулами предполагается, что действие переменных напряжений превалирует над действием постоянных и несущая способность ограничивается усталостью материала, а не появлением пластических деформаций. В противном случае формулы трансформируются и запас прочности берется по отношению к пределу текучести.

При совместном действии изгиба и кручения или растяжения-сжатия и кручения общий запас прочности определяют по соотношению

S = Sσ Sτ

Sσ2 + Sτ2 .

Кроме общепринятого обозначения запаса прочности S, в учебнике при вероятностных расчетах принято старое обозначение п, т.к. S используется для среднего квадратического отклонения.

Расчет на прочность при нерегулярных циклических напряжениях обычно основывают на уравнении линейного суммирования повреждений

∑ ni = a Ni ,

где п – общее число циклов действия некоторого напряжения σ; N – число циклов до разрушения при том же напряжении; а – экспериментально устанавливаемый коэффициент.

Выбор коэффициентов запаса прочности является весьма ответственной задачей для конструктора. Коэффициент запаса, прежде всего, зависит от критерия прочности и характеристики материала, по отношению к которой назначается запас прочности.

Коэффициенты запаса, по отношению к временному сопротивлению даже при постоянных напряжениях в условиях хрупкой прочности выбираются довольно большими, например для серого чугуна порядка 3 и выше.

Это связано с тем, что даже однократное превышение максимальным напряжением временного сопротивления вызывает разрушение, а для чугуна это также связано с остаточными напряжениями и неоднородной структурой.

Коэффициент запаса по отношению к пределу текучести материала при расчете деталей из пластичных материалов под действием постоянных напряжений выбирают минимальным при достаточно точных расчетах, т.е. равным 1,3... 1,5. Это возможно в связи с тем, что при перегрузках, превышающих предел текучести, пластические деформации весьма малы (особенно при сильно неоднородных напряженных состояниях деталей) и обычно не вызывают выхода детали из строя. Коэффициенты запаса прочности увеличивают только для деталей из материалов с большим отношением σТ/σВ , для которых иначе получается недостаточный запас по отношению к временному сопротивлению.

Коэффициенты запаса по пределу выносливости, несмотря на опасный характер разрушения, выбирают относительно небольшими, т. е. равными 1,5...2,5. Это связано с тем, что единичные перегрузки не приводят к разрушению.

При контактных нагружениях коэффициенты запаса можно выбирать равными 1,1...1,3, так как возможные повреждения имеют местный характер.