1. Основные понятия и определения

Детали машин – научная дисциплина, занимающаяся изучением, проектированием и расчетом деталей машин и узлов общего назначения. Механизмы и машины состоят из деталей. Механизмом называют устройство, служащее для передачи механического движения. Машиной называют механизм или сочетание механизмов, которые служат для преобразования одного вида энергии в другой или для выполнения полезной механической работы. Деталь – элемент конструкции, изготовленный из одного материала без сборочных операций. Узел состоит из отдельных деталей и представляет собой часть механизма или машины. Встречающиеся почти во всех машинах болты, валы, зубчатые колеса, подшипники, муфты называют узлами и деталями общего назначения. Все детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы:

1. Соединительные детали и соединения, которые могут быть неразъемными (заклепочные, сварные и др.) и разъемными (шпоночные, резьбовые и др.).

2. Детали, передающие вращательное движение (зубчатые колеса, шкивы и др.).

3. Детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.).

В развитии машиностроения очень важны следующие современные направления: увеличение мощности и производительности машины; быстроходность и равномерность хода; повышение коэффициента полезного действия; автоматизация рабочих циклов машин; точность работы машины; стандартизация и взаимозаменяемость деталей и узлов; удобство и безопасность обслуживания; компактность; эстетичность внешнего вида машины. Детали и узлы машин должны быть работоспособными, надежными, технологичными, экономичными и эстетичными.

Работоспособностью называют способность детали выполнять свои функции при минимальных затратах на ее изготовление и эксплуатацию.

Надежность – свойство машин выполнять функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных пределах в течение заданного промежутка времени или требуемой наработки. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Ошибки проектирования, погрешности в производстве, упаковке, транспортировке и эксплуатации машин отрицательно сказываются на ее надежности. Утрата работоспособности изделий (полная или частичная) называется отказом. Отказы по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение каналов, ослабление соединений). Отказы бывают полные и частичные; внезапные и постепенные. Поэтому задачи обеспечения прочности, жесткости и износостойкости деталей машин являются основными. Надежность характеризуется вероятностью безотказной работы (Р):

, (1.1)

где – общее число деталей, входящих в состав машины; п_д – число деталей, вышедших из строя в пределах расчетного срока службы.

Работоспособность и надежность деталей машин оценивается рядом основных критериев: прочность; жесткость; износостойкость; виброустойчивость и др. При расчете и проектировании деталей обычно используют один или два критерия, а остальные критерии удовлетворяются автоматически или не имеют практического значения для данных деталей.

Технологичность деталей обеспечивается: формой их простейших поверхностей (цилиндрической, конической и др.), удобной для обработки механическими и физическими методами; применением материалов, пригодных для безотходной обработки (давлением, литьем, сваркой и т. п.), и ресурсосберегающей технологии; стандартной системой допусков и посадок и другими средствами и методами.

Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства, за счет максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализацией производства и т. д. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Эстетичность. Совершенство и красота внешних форм деталей, узлов и машин существенно влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала.

Основные критерии работоспособности

Прочность – основной критерий работоспособности всех деталей, т. е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок.

Для оценки прочности деталей машин сравнивают расчетные или рабочие напряжения, возникающие в деталях машин под действием нагрузок, с допускаемыми.

Условие прочности выражают неравенством

или , (1.2)

где , – расчетные нормальные и касательные напряжения в опасном сечении детали; – допускаемые напряжения. Кроме обычных видов разрушения деталей (поломок), наблюдаются случаи, когда под действием нагрузок, прижимающих две детали одну к другой, возникают местные напряжения и деформации. Разрушения деталей в этом случае вызывают контактные напряжения. Тогда производят расчет по условию контактной прочности:

, (1.3)

, (1.4)

где – расчетная величина контактных напряжений (формула Герца); q – нагрузка на единицу длины контакта; Е_пр – приведенный модуль упругости;  – приведенный радиус кривизны;  – допускаемое контактное напряжение. Эта формула получена для случая контакта под нагрузкой двух круговых цилиндров бесконечно большой длины, материалы которых имеют коэффициент Пуассона = 0,3.

Прочность деталей машин зависит от ряда конструктивно-технологических факторов. К числу важнейших относится конфигурация детали.

Сформулируем основные принципы образования конструктивных форм деталей машин.

1. При конструировании деталей не следует допускать резких переходов, т. е. резких изменений формы соседних поверхностей. Соблюдение этого положения очень важно, так как при резких переходах в зоне сопряжения сечений наблюдается значительная концентрация напряжений, снижающая прочность детали при действии в ее сечениях, как статических так и переменных напряжений.

2. Конструктивные формы детали должны обеспечить по возможности равнопрочность всех ее сечений.

3. Конструктивные формы детали должны обеспечивать близкое к равномерному распределение напряжений по сечению детали. С этой целью применяют тонкостенные прокатные и прессованные профили, трубы и т. д. Большинство деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях деталей. На поверхности расположены основные источники концентрации напряжений, поэтому разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности. Для повышения конструкционной прочности деталей машин широко применяют различные способы поверхностного упрочнения.

Жесткостью называют способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость – основной критерий при определении их размеров. Например, размеры длинных валов точных зубчатых передач определяются расчетом на жесткость, так как значительный их прогиб во время работы изменит межосевое расстояние передачи и нарушит правильность зацепления. Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Эти нормы приводятся в справочной литературе.

Износостойкостью называют способность детали сохранять необходимые размеры трущихся поверхностей в течение заданного срока службы. Она зависит от свойств выбранного материала, термообработки и чистоты поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, от скорости скольжения и условий смазки, от режима работы и т. д. Износ уменьшает прочность деталей, изменяет характер соединения (при работе шум). В большинстве случаев расчеты деталей на износостойкость ведутся по допускаемым давлениям р, установленным практикой (расчет передачи винт–гайка и др.). Применение в конструкциях уплотняющих устройств защищает детали от попадания пыли, увеличивая их износостойкость.

Виброустойчивостью называют способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, вызывают переменные напряжения в деталях, что может привести к их усталостному разрушению. Особенно опасны резонансные колебания. Расчеты на виброустойчивость рассматривают в курсе «Теория колебаний» и производят не только для отдельных деталей, но и для всей машины в целом.

Теплостойкостью называют способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей во время работы – явление вредное и опасное, так как при этом снижаются их прочность и жесткость, ухудшаются свойства смазки, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заклиниванию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы конструкции производят тепловые расчеты (расчеты червячных передач, подшипники скольжения и др.) и при необходимости вносят конструктивные изменения.

Соблюдение указанных критериев работоспособности обеспечивает надежность конструкции в течение заданного срока службы. Развитие современного машиностроения связано с применением множества взаимодействующих узлов и автоматических устройств, поэтому отказ в работе хотя бы одной детали или соединения приводит к нарушению работы всей конструкции. Надежность зависит от качества изготовления конструкции и от соблюдения норм эксплуатации.