Основы проектирования деталей машин

Лекция 1

1. Общие сведения о деталях и узлах конструкций

2. Основные требования к деталям и узлам машин

3. Критерии работоспособности и расчета деталей машин

4. Элементы теории надежности

5. Допуски и посадки, шероховатость поверхностей деталей машин

6. Машиностроительные материалы

1. «Общие сведения о деталях и узлах конструкций»

Во всех отраслях народного хозяйства машины применяют в самых широких масштабах. Под машиной понимают устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации. В зависимости от основного назначения различают три вида машин: энергетические, рабочие и информационные.

Энергетические машины предназначены для преобразования любого вида энергии в механическую (электродвигатели, электрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и т.д.)

Рабочие машины в свою очередь делятся на:

1. технологические (металлообрабатывающие станки, прокатные станы, дорожные и сельскохозяйственные машины и т.д.);

2. транспортные (автомобили, самолеты, тепловозы и т.д.).

Информационные машины предназначены для преобразования информации.

Машину, в которой все преобразования энергии, материалов, информации выполняется без непосредственного участия человека, называют автоматом.

Основу большинства машин составляют механизмы. Механизмом называют систему тел, предназначенных для преобразований движений одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. Простейшей частью механизма является звено.

Звено – это твердое тело, входящее в состав механизма. Звено механизма может состоять из нескольких деталей, не изменяющих между собой относительного движения. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, называют кинематической парой. Кинематические пары бывают низшие и высшие. Звенья низших пар соприкасаются по поверхностям (поступательные, вращательные, винтовые пары); звенья высших пар соприкасаются по линиям и точкам (зубчатые пары, подшипники качения).

Машины, механизмы, приборы, аппараты, приспособления состоят из деталей. При этом деталью принято называть элемент (часть) конструкции, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций (болт, гайка).

Совокупность деталей, соединенных на предприятиях изготовителя посредством сборочных операций и предназначенных для совместной работы называют сборочной единицей (узлом). Характерными примерами узлов является (по мере нарастания сложности) подшипник, узел опоры, редуктор и т.д.

2. «Основные требования к деталям и узлам машин»

Детали и узлы машин, как и машины в целом характеризуются: работоспособностью, надежностью, технологичностью, экономичностью, эстетичностью.

Работоспособностью называется состояние деталей, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией.

Надежностью называется свойство машины сохранять работоспособность во все время установленного срока эксплуатации (ресурса) в заданных условиях обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.

Технологичными называются детали, требующие минимальных затрат средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте.

При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт. Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материало-, энерго- и трудоемкости производства, за счет максимальной КПД в эксплуатации при высокой надежности.

Эстетичность – совершенство внешних форм деталей, узлов и машины в целом.

3. «Критерии работоспособности и расчета деталей машин»

плакат

Основные критерии работоспособности деталей машин: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность – главный критерий работоспособности для большинства деталей. Деталь не должна разрушаться или получать пластические деформации при действии на нее нагрузок.

Различают статическую потерю прочности и усталостные поломки деталей.

Потеря прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел текучести σ_т [сигма] – для пластических материалов или предел прочности σ_в [сигма] – для хрупких материалов.

Усталостные поломки вызываются длительным действием переменных напряжений, значение которых превышает характеристики выносливости материалов.

Работоспособность некоторых деталей (например – зубчатых колес, подшипников и др.) определяется не общей их прочностью, а прочностью рабочих поверхностей, т.е. контактной прочностью. В этом случае разрушение поверхностей деталей вызывается действием контактных напряжений.

Контактными называются напряжения, возникающие в месте контакта 2-х деталей, когда размеры площадки контакта малы по сравнению с размерами деталей.

Жесткость – способность деталей сопротивляться упругим деформациям, т.е. изменению их формы и размеров под действием нагрузок.

Жесткость наряду с прочностью является основным критерием многих деталей. Недостаточная жесткость, например вала, может сказаться на правильности функционирования и прочности связанных с ним деталей зуб. передач, подшипников, муфт и др.

Износостойкость – сопротивление трущихся деталей изнашиванию. Износ приводит к изменению размеров, формы и состояния поверхности деталей вследствие разрушения (изнашивания) ее поверхностного слоя при трении.

По условиям внешнего воздействия на поверхностный слой различают:

абразивный износ - изнашивание твердыми абразивными частицами, передвигающимися между трущимися частями,

коррозийный износ - при котором продукты коррозии стираются механическим путем.

Износ уменьшает прочность деталей и характер их соединений. Характерным признаком износа является возрастание шума при работе машин.

Повышение износостойкости деталей достигается:

1) защитой их от абразивного воздействия,

2) применением специальных смазок и присадок к смазочным материалам, позволяющих создавать сервовитную пленку.

Сервовитная пленка – это металлическая защитная пленка, возникающая в процессе трения, т.е. трение создает эту пленку.

Теплостойкость – способность конструкции сохранять работоспособность в пределах заданных температур. Чрезмерный нагрев уменьшает прочность и жесткость деталей; снижает защитную способность масляного слоя, что повышает износ деталей или вызывает их заедание; изменяет зазоры в сопряженных деталях, что приводит к заклиниванию и поломке.

Вибростойкость – способность конструкции работать в заданном диапазоне режимов без резонансных колебаний. Виброустойчивость как критерий работоспособности характерна для быстроходных машин. Вибрации снижают качество работы машины, вызывают дополнительные переменные напряжения, которые приводят к усталостному разрушению деталей.

4. «Элементы теории надежности»

Надежность слагается из более простых свойств:

- безотказность;

- долговечность;

- ремонтопригодность;

- сохраняемость.

Отказом называют нарушение работоспособности изделия.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания.

Долговечность характеризуется ресурсами:

1. техническим ресурсом называют наработку изделия от начала эксплуатации или ее возникновения после среднего или капитального ремонта до наступления предельного состояния.

2. назначенным (общетехническим) ресурсом называют суммарную наработку изделия, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей проведением технического обслуживания и ремонта с относительно небольшими затратами.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течении установленного срока хранения, транспортирования и после этого срока.

Основным показателем надежности является вероятность безотказной работы Р(t), т.е. вероятность того, что в переделах заданной наработки отказ деталей не возникает.

N₀ – число испытываемых деталей (одного наименования),

N_t – число деталей, отказавших за время наработки.

Вероятность Р(t) безотказной работы машины в целом равна произведению безотказности работы отдельных элементов, входящих в состав машины:

P(t) = P₁(t) ∙ P₂(t) ∙…∙ P_n(t)

Отсюда видно, что надежность машины всегда меньше надежности любого из его элементов и падает с увеличением числа элементов.

Например, при числе элементов n = 10 с одинаковой вероятностью безотказной работы = 0,97, имеем

P(t) = 0,97¹⁰ = 0,74

График надежности имеет 3 характерных периода:

Дата добавления: 2014-01-07