Основы проектирования, критерии работоспособности / Лекция 1_Основы проектирования, критерии работоспособности

Критерии работоспособности

и расчета деталеймашин

Работоспособность и надежность деталей машин характеризуется определенными критериями:

Прочность Жесткость Износостойкость Теплостойкость Виброустойчивость

Надежность

Расчет по данным критериям должен обеспечивать такие параметры деталей машин (размеры и материалы) чтобы они могли сохранять свои эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течении заданного срока службы и при это иметь минимальную стоимость изготовления и эксплуатации.

! ВАЖНО: Не все критерии равнозначны для различных деталей. При расчетах выделяют 1-2 наиболее важных критерия, а остальные являются

? второстепенными.

Для практического выполнения указанных требований необходимо перейти от конкретной детали к ее модели. При этом точность определения

!характеристик детали существенно зависит от того, насколько адекватно построенная модель описывает реальную деталь.

В расчетах на прочность материал детали представляют однородной сплошной средой, что позволяет рассматривать тело как непрерывную среду и применять методы математического анализа.

Характеристики материала:

Однородность – независимость свойств материала от размеров выделенного объема.

Изотропность – независимость свойств материала от выбранного направления в материале.

Сталь – однородный изотропный материал. Дерево – однородный неизотропный материал.

Композиционные материалы (железобетон) – неоднородный неизотропный материал.

Физические свойства материала:

•Упругость – свойство тела восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки.

•Пластичность – свойство тела сохранять после разгрузки полностью или частично деформацию, полученную при нагружении.

•Ползучесть – свойство тела увеличивать со временем деформацию при действии внешних сил.

моделиформы

МОДЕЛЬ ФОРМЫ

Реальные конструкции имеют очень сложную геометрическую форму и учет всех особенностей геометрии бывает затруднен, а часто и нецелесообразен хотя и возможен (например, по Методу Конечных Элементов).

Особенности инженерного расчета:

моделиформы

Для оценки прочностной надежности часто вводят упрощения геометрии детали, приводя ее к одной из следующих схем:

•Стержень (брус) – тело, поперечные размеры которого малы в сравнении с его длиной. Стержень может иметь переменное поперечное сечение и криволинейную ось (например, кольцо или пружина).

•Пластина – тело, ограниченное двумя плоскими или слабоизогнутыми поверхностями и имеющее малую толщину.

•Оболочка – тело, ограниченное двумя поверхностями и имеющее малую толщину по сравнению с радиусом кривизны и длиной.

•Массивное тело (массив) – тело большого размера.

в) пластина

Особенности инженерного расчета:

модели нагружения

МОДЕЛИ НАГРУЖЕНИЯ

!Силы являются мерой механического взаимодействия элементов конструкций.

Если элемент конструкции (деталь) рассматривается изолированно от сопряженных деталей, то действие последних заменяется силами, которые называются внешними. Силы взаимодействия между частями отдельной детали или между деталями в сопряжении называют внутренними.

При схематизации условий работы силы вводят упрощение, подразделяя силы на: Сосредоточенные – действующие на небольшую часть поверхности детали.

Распределенные – действующие на участках поверхности, соизмеримых с полной поверхностью детали (рис.б).

Объемные (массовые) – действующие на каждую точку тела (рис. а).

•Статические – возрастающие медленно от нуля до номинального значения и остающиеся постоянными в процессе работы детали.

•Переменные – периодически меняющиеся во времени. Характеризуются

амплитудой силы Fa, средней силой Fm, частотой нагружения f и формой цикла.

Различают нагружения:

•Малоцикловое – число циклов 104…105. Характерно для деталей, циклы работы

которых набираются за счет запуска и остановки машины.

• Многоцикловое – число циклов 105…106. Характерно для длительно работающих машин.

Особенности инженерного расчета:

модели нагружения

Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в машинах почти не встречаются. Некоторые детали в процессе работы испытывают мало изменяющиеся напряжения, которые при расчете можно принимать за постоянные: детали с большими нагрузками от силы тяжести (детали транспортных и подъемно-транспортных машин); детали с большой начальной затяжкой (заклепки, некоторые крепежные винты и пружины) детали с малым числом плавных нагружений.

Большинство деталей испытывают переменные нагрузки (вращающиеся детали: валы, оси, зубчатые колеса, подшипники и пр.).

В деталях машин возникают следующие циклы изменения напряжений:

а) отнулевой цикл, в котором напряжения меняются от нуля до максимума (зубья зубчатых колес, работающих в одну сторону; штоки; толкатели; шатуны тихоходных механизмов и др.);

б) знакопеременный симметричный цикл, в котором напряжения менияются от отрицательного до такого же положительного значения (напряжения изгиба во вращающихся валах и осях); в) ассиметричный знакопостоянный (винты, пружины), или знакопеременный цикл.

?

R – коэффициент ассиметрии цикла

R= σmin/ σmax

• постоянная нагрузка R=1;

Критерии работоспособности

и расчета деталеймашин

Обозначения напряжений при расчете на прочность:

! [σ], [τ] – допускаемые контактные, касательные напряжения (т.е. те, которые может выдержать данный материал при каком-либо виде нагружения);

σ, τ или σmax , τmax – максимальные рабочие или максимальные напряжения при перегрузках, возникающие в детали при ее работе в конкретной машине (т.е. те, которые испытывает конкретная деталь в конкретной машине при определенных рабочих условиях).

[таким образом для одной и той же детали, работающей в разных условиях максимальные напряжения также будут разными, а допускаемые определяются только свойствами материала и соответственно не меняются].

σТ , τТ – предел текучести материала σв, σв сж– временное сопротивление растяжению и сжатию

σ-1, τ-1 – предел выносливости: такие наибольшие циклические напряжения, которые с наибольшей заданной вероятностью нагружения может выдержать деталь неограниченное время.