Рациональные сечения

Масса и металлоемкость конструкции

Масса имеет наибольшее значение в транспортном машинострое­нии, о собенно в авиации, где каждый лишний килограмм уменьшает полезную грузоподъемность, скорость и дальность действия. В общем машиностроении уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости изготовления.

Наибольшие возможности экономии металла заложены в снижении массы изделий массового выпуска. Это не освобождает от необходимости добиваться снижения массы машин единичного и малого выпуска, по­скольку суммарный их выпуск составляет значительную долю всей маши­ностроительной продукции.

Следует только оговориться, что уменьшение массы конструкции не является безуслов­ной самоцелью, Расходы на материал составляют в общем небольшую часть стоимости машин и очень мало влияют на экономический эффект за все время эксплуатации машины, который зависит главным образом от надежности и долговечности машин.

В тоже время уменьшение массы деталей, узлов и машины в целом приводит к повышению экономичности, так снижение массы поршня ДВС на 20% приводит к повышению эффективного кпд на 3…5% за счет снижения механических потерь вызываемых трениям.

Если умень­шение массы сопряжено с опасностью уменьшения прочности, жесткости и надежности машины, то целесообразно, особенно в общем машиностроении, сдержать тенденцию к сни­жению массы. Лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надежную и долговечную.

Сравнительные качества машин одинакового назначения оценивают показателем удельной массы, представляющей собой частное от деления массы машины на основной параметр машины.

Для машин генераторов энергии

g=m/ N

где N - мощность агрегата.

Этот показатель учитывает степень конструктивного совершенства ма­шины, а также степень применения легких сплавов и неметаллических материалов.

У ДВС удельная масса имеет следующую величину: для стационарных 6–11; судовых 2,2–6; автомобильных 0,4–3,5; авиационных 0,35–0,6 кг/э. кВт.

Уменьшения массы с параллельным снижением металлоемкости до­биваются приданием деталям рациональных сечений и форм, целесооб­разным использованием прочности материалов, применением прочных материалов, рациональных конструктивных схем, устранением излишних запасов прочности, заменой металлов неметаллическими материалами.

Максимального снижения массы можно добиться приданием де­талям полной равнопрочности. Идеальный случай, когда напряжения в каж­дом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения возможен только при некоторых видах нагружения. Тогда нагрузку воспринимает все сечение детали (растяжение-сжатие, отчасти срез) и когда отсутствуют резкие концентраторы напряжений.

При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напря­жения по сечению распределяются неравномерно. Они имеют максималь­ную величину в крайних точках сечения, а в других могут снижаться до нуля, например на нейтральной оси сечения, подвергаемого изгибу. В этих случаях можно только приблизиться к условию полной равнопрочности выравниванием напряжений по сечению, удалением металла из наименее нагруженных участков сечения и сосредоточением его в наибо­лее нагруженных местах – на периферии сечения.

В качестве примера рассмотрим цилиндрическую деталь, подвергаемую изгибу или кручению.

Напряжения в массивной детали круглого сечения (нормальные напря­жения при изгибе и напряжения сдвига при кручении) распределяются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения (на рис, а эпюра напряжений для случая изгиба условно совмещена с плоскостью чертежа).

Удаление слабонагруженного металла из центра сечения, т. е. при­дание сечению кольцевой формы, обеспечивает более равномерное рас­пределение напряжений в остающихся участках (рис.,6). Чем тоньше стенки кольца, т. е. чем больше отношение d/D, тем равномернее рас­пределение напряжений. При сохранении постоянного наружного диаметра уровень напряжений в стенках, естественно, повышается. Однако неболь­шим увеличением наружного диаметра легко привести напряжения к преж­нему уровню и даже значительно их снизить (рис. в и г).

Этот принцип, который можно назвать принципом равного на­пряжения сечения, применим к сечениям любой формы.

Дата добавления: 2014-12-26