Основні вимоги до деталей машин

Реферат на тему:

Основні вимоги до деталей машин.

ПЛАН.

1. Загальні відомості.

2. Вимоги до машин і деталей.

3. Надійність машин.

4. Цикли напружень в деталях машин.

5. Зношуваність матеріалів деталей машин.

6. Межі стійкості матеріалів.

7. Місцеві напруження в деталях машин.

8. Коефіцієнт запасу міцності.

9. Контактна міцність деталей машин.

10. Критерії працездатності і розрахунку деталей машин.

11. Проекційний і перевірочний розрахунок.

1. Загальні відомості.

Третій розділ предмета «Технічна механіка» — «Деталі машин» присвячується розгляду основ розрахунку і конструювання деталей і вузлів загального призначення, які зустрічаються в різноманітних механізмах і машинах.

Механізмом називають систему тіл, призначену для передачі руху одного або декількох тіл в потрібному русі інших тіл.

Машиною називають механізм або сукупність механізмів, які служать для полегшення чи заміни фізичної або розумової праці людини і підвищення її продуктивності.

В залежності від основного призначення розрізняють два види машин:

1) енергетичні машини, перетворюючі любий вид енергії в механічну і навпаки (двигуни, динамо-машини, компресори і ін.);

2) робочі машини, у тому числі:

технологічні - змінюючи властивості, форму і розмір тіл (станки, преси і ін.);

транспортні - переміщаючи тіла (транспортери, крани і ін.);

інформаційні - перетворюючі інформацію (шифрувальні машини, механічні інтегратори і ін.);

ЕВМ (комп'ютери) — в яких механічний рух служить для виконання лише допоміжних операцій.

Всі машини складаються з деталей, які об'єднуються в вузли.

Деталлю називають частину машини, виготовлену без застосування збірних операцій (шпонка, болт, зубчасте колесо і ін.).

Вузол — велика збірна одиниця (коробка передач, муфта, редуктор і ін.), яка є складовою частиною виробу (приводу, машини).

В машинобудуванні розрізняють деталі і вузли загального і спеціального призначення. Деталями і вузлами загального призначення називають такі, які зустрічаються майже у всіх машинах (болти, вали, зубчасті колеса, підшипники, муфти і ін.). Вони становлять значну більшість і вивчаються в курсі «Деталі машин». До деталей і вузлів спеціального призначення відносять такі, які зустрічаються тільки в одному або декількох типах машин (шпинделі станків, поршні, шатуни, колінчасті вали і ін.). Вони вивчаються в відповідних спеціальних курсах («Металорізальні станки», «Компресори» і ін.).

Всі деталі і вузли загального призначення діляться на три основні групи:

1) з'єднувальні деталі і з'єднання, які можуть бути нерозбірні (заклепкові, зварні і ін.) і розбірні (шпонкові, різьбові і ін.);

2) передачі обертового руху (зубчасті, черв’ячні, пасові і ін.);

3) деталі і вузли обслуговуючі передачі (вали, підшипники, муфти і ін.).

Метою курсу є вивчення основ розрахунку і конструювання деталей і вузлів загального призначення з врахуванням режиму роботи і часу служби машин. При цьому розглядається вибір матеріалу і його термообробка, раціональні форми деталей, їх технологічність і точність виготовлення.

Деталі машин здебільшого мають складну конфігурацію, працюють в різних умовах і далеко не завжди можна дістати точну формулу для їх розрахунку. При розрахунку деталей машин широко застосовуються різноманітні наближенні і емпіричні формули, в які вводять поправочні коефіцієнти, встановлені дослідним шляхом і підтверджені практикою конструювання і експлуатації машин.

Деталі і вузли загального призначення виготовляють щорічно в дуже великих кількостях (в одному автомобілі біля п’яти тисяч типодеталей), тому всяке удосконалення методів, правил і норм проекціювання забезпечує більший економічний ефект.

2. Вимоги до машин і деталей В відповідності з сучасними тенденціями до більшості машин, що проектуються пред’являють наступні загальні вимоги:

O високе виробництво;

O економічність виготовлення і експлуатації;

O рівномірність ходу;

O високий коефіцієнт корисної дії;

O автоматизація робочих циклів;

O компактність, надійність і довговічність;

O зручність і безпечність обслуговування;

O транспортабельність;

O відповідність зовнішнього вигляду вимогам технічної естетики.

При конструюванні і виготовленні машин повинні строго дотримуватись Державні стандарти (ДСТ).

Застосування в машині стандартних деталей і вузлів зменшує кількість типорозмірів, забезпечує взаємозаміну, дозволяє швидко і дешево виготовляти нові машини, а в період експлуатації полегшую ремонт. Виготовлення стандартних деталей і вузлів машин відбувається в спеціалізованих цехах і на заводах, що підвищує їх якість і знижує ціну.

Однією з головних вимог, пред’явлених до машин і їх деталям, є технологічність конструкції, яка значно впливає на вартість машини.

Технологічною називають таку конструкцію, яка характерна мінімальними затратами при виготовленні і експлуатації.

Технологічність конструкції характеризується:

1) застосування в новій машині деталей з мінімальною механічною обробкою. При цьому широко використовується штампова, точне лиття, фасонний прокат, зварка;

2) уніфікацією даної конструкції являється застосування однакових деталей в різноманітних вузлах машини;

3) максимальним застосуванням стандартних конструкційних елементів деталей (різьб, канавок, фасок і ін.), а також стандартних квалітетів і посадок;

4) застосування в новій машині деталей і вузлів раніше засвоєних у виробництві.

3. Надійність машин Основним показником надійності являється ймовірність безвідмовної роботи та інтенсивність відмов.

Ймовірність безвідмовної роботи P (t) називається ймовірність того, що в заданому проміжку часу або в межах заданого виробіток не виникає відмова виробу.

Якщо за час відпрацювання t з числа N0 однакових виробів бали вилучені через відмову Nt виробів, то ймовірність безвідмовної роботи виробу.

P (t) = (N0 — Nt) / N0 = 1 — Nt / N0.

Так, наприклад, якщо по результатам досліду в однакових умовах партії виробів, складаючи з N0 = 1000шт., після виробітку 5000 год. вийшли з ладу Nt= 100 виробів, то ймовірність безпосередньої роботи цих виробів.

P (t) = 1 — Nt / N0 = 1 — 100 / 1000 = 0,9.

Ймовірність безпосередньої роботи складного виробу рівна виготовленню ймовірностей безпосередньої роботи окремих елементів:

P (t) = P1 (t) P2 (t) …Pn (t).

З формули (2) випливає, що чим більше елементів має виріб, тим менша його надійність.

Інтенсивність відмов l (t). В різні періоди експлуатації або випробувань виробів число відмов в одиницю часу різні. Число відмов, надходячи за одиницю часу, називається інтенсивністю відмов.

Так в попередньому застосуванні при випробовування в інтервалі від 0 до 5000 год. З ладу вийшли 100 виробів. Це означає, що в середньому за 1 год. відказує 0,02% виробів (1 виріб за 50 год. роботи).

Типова залежність інтенсивності відмов l (t) від часу експлуатації t для більшості машин і їх вузлів показано на рис. 1. В початковий період роботи — період приросту — інтенсивність відмов велика. В цей період проявляються різноманітні дефекти виробництва. Пізніше вони зменшуються, наближаючись до постійного значення, відповідному періоду нормальної експлуатації. Причиною відмов в цей період є випадкові перенавантаження, заховані дефекти виробництва (мікро тріщини і ін.). В кінці терміну експлуатації наступає період прояву зношення, коли інтенсивність відмов швидко зростає і відповідно експлуатація деталей повинна бути завершена.

Основи надійності закладаються конструктором при проекцію ванні виробу. Надійність залежить також від якості виготовлення виробу, і від врахування норм експлуатації .Вона монотонно знижується в період тривалості служби.

4. Цикли напружень в деталях машин Багато деталей машин такі, як зубчасті колеса, вали і інші, працюють в умовах, коли виникають в них напруження періодично змінюють своє значення або значення і знак. Наприклад, при оберті вала, напруженого крутним моментом, одні і тіж волокна опиняються то в розтягнутій, то в зжатій зоні.

Зміна напружень в часі проходить за законом синусоїди. Час одноманітної зміни напружень називається періодом і позначається Т.

Характеристикою напруженості деталі являється цикл напружень — сукупність послідовних значень напружень s за час одного періоду при регулярному напруженні.

Цикли перемінних напружень характеризуються:

1) максимальним напруженням smax;

2) мінімальним напруженням smin;

3) середнім напруженням sm = 0,5 (smax +smin);

4) амплітудою циклу sа = 0,5 (smax -smin);

5) коефіцієнт асиметрії циклу R = smax /smin.

Якщо R = 0 (smin=0; sm= sа = 0,5smax), то маємо від нульовий цикл напружень.

Якщо R = -1 (sm=0; sа =smax), то цикл напружень називається симетричним.

Якщо R = 1 (smax =smin=sm=sа), то діють постійні статичні напруження.

У всіх решта випадках — цикли напружень асиметричні.

5. Зношуваність матеріалів деталей машин Досліди показують, що деталі машин, довгий час підлягавши дії перемінних навантажень, руйнуються при напруженнях значно менших, чим допустима міцність sв.

Руйнування при циклічному навантаженні відбувається за рахунок виникнення мікро тріщин в зоні сконцентрованості напружень. Тріщини поступово розвиваються, проникаючи в середину, поперечне січення деталі послаблюється і в деякий момент виникає моментальне руйнування.

Руйнування матеріалу, викликане циклічною дією напружень, називається зношеністю.

Рис. Зношуване руйнування валу На малюнку ярко виражені дві зони: зона зношеного руйнування 1 з гладкою притертою поверхнею там, де зношена тріщина поступово проникала в глибину січення, і зону статичного руйнування 2 крупнокристалічної побудови, по якому проходить крихке руйнування за рахунок великого ослаблення січення. Близько 80% всіх випадків поломок деталей є зношуваними.

Здатність матеріалу сприймати багатократну дію перемінних напружень без руйнування називається опором зношення або стійкістю матеріалу.

6. Межа стійкості матеріалів Для розрахунку на міцність при повторно-перемінних напруженнях необхідні механічні характеристики матеріалу. Вони визначаються випробовуваннями на стійкість серії стандартних (пильно відполірованих) зразків на спеціальних машинах. Найбільш простим є випробовування на згин при симетричному циклі напружень.

Задавши зразкам різні значення напружень smax, визначають число циклів N, при яких виникло їх руйнування. При отриманні даних строять криву в координатах smax — N, названу кривою зношення.

Досліди показують, що починаючи з деякого напруження sR, крива тягнеться до горизонтальної асимптоти. Це означає, що при визначеному напруженні sR зразок, не руйнуючись, може витримати нескінченно велике число циклів навантаження. Практика показує, що стальний взірець, витримавши N0=107 циклів, може їх витримати необмежено багато.

Число циклів N0 називають базою випробовувань. При випробовуванні взірця після проходження N0 циклів дослід зупиняють. Для загартованих сталей і кольорових матеріалів N0=108.

Напруження, відповідне N0, приймають за межу витривалості.

Межею стійкості називається найбільше напруження, при якому взірець чи деталь може чинити опір без руйнування необмежено довго, і позначається sR для взірця і (sR)D для деталі.

Для взірців і деталей при коефіцієнті асиметрії циклу R = -1 межі стійкості при нормальних напруженнях позначаються s-1 і (s-1)D, а при нульовому циклі (R = 0) відповідно s0 і (s0)D.

При відсутності в таблицях експериментальних даних для визначення межі стійкості приймають емпіричні відношення. Так, наприклад, для вуглецевої сталі:

s-1 «0,43 sВ; i-1 «0,58 s-1;

s0 «1,6 s-1; i0 «1,9 i-1.

де sВ — межа міцності на розтяг.

7. Місцеві напруження в деталях машин Експериментально встановлено, що на значення межі міцності впливають розміри, форма і стан поверхні деталі.

Вплив розмірів. Чим більші абсолютні розміри поперечного січення деталі, тим менша межа міцності, так як виникає ймовірність існування внутрішніх дефектів (раковин і ін.). Це враховується коефіцієнтом впливу абсолютних розмірів Кd.

Вплив форми. В місцях різкої зміни форми поперечного січення деталей (в отворах, канавках, в різьбі, в перехідних січеннях і ін.) напруження більше номінальних s або i, визначених по формулах опору матеріалів.

Явище місцевого збільшення напружень називається концентрацією напружень.

Місцеві напруження зменшуються по мірі відходу від концентратора, ним викликаного (отвори, канавки, пази і ін.). Багаторазові зміни напружень в зоні концентратора напружень приводить до більш скорішій появі тріщини з наступним зношуваним руйнуванням.

Вплив форми деталі на межу витримки враховується ефективним коефіцієнтом концентрації напружень Кs (Кi), рівному відношенню межі витримки при однакових видах навантаження двох взірців однакових розмірів — гладкого — s-1 (i-1) і з концентратором напружень — s-1к (i-1к):

Кs=s-1/s-1к; Кi=i-1/i-1к.

Коефіцієнти концентрації напружень для даного січення деталі визначають з використанням приведених вище даних:

(Кs)D=(Ks/Kd + KF -1) 1/Ku;

(Ki)D=(Ki/Kd + KF -1) 1/Ku.

Межі міцності деталі в розглянутім січенні будуть:

(s-1)D=(s-1/(Kd)); (i-1)D=(i-1/(Ki)D),.

де s -1 і i -1 — межі міцності гладких стандартних взірців.

8. Коефіцієнт запасу міцності.

При статичних напруженнях. При статичному напруженні деталей виготовлених з пластичних матеріалів, концентрація напружень не знижує несучої здатності деталі, так як місцеві пластичні деформації допомагають перерозподілу та вирівнюванню напружень по січенні. В цьому випадку розрахунок на міцність виконують по номінальних напруженнях s або i .

Таким чином розраховують деталі з крихких матеріалів в зв’язку з їх пониженим відчуттям до концентрації напружень.

Для мало пластичних матеріалів (леговані сталі і ін.) розрахунок ведуть по найбільшим місцевим напруженням, так як концентрація напруження знижує міцність деталі.

На основі сказаного розрахункові коефіцієнти запасу міцності s, наприклад, по нормальним напруженням визначають за формулами:

Для пластичних матеріалів.

ST=sT/s/[ST];

Для крихких матеріалів.

SB=sB/s/[SB];

Для мало пластичних матеріалів.

ST=sT/(Ks/s)/[ST],.

де sT і sB — межа текучості і межа міцності матеріалу; Ks — ефективний коефіцієнт концентрації напружень; [ST] і [SB] - допустимі коефіцієнти запас міцності по межі текучості і межі міцності.

Вибір значення [S] являється повністю відповідною задачкою, оскільки необхідно забезпечити потрібну надійність без збільшення маси і габаритів деталі. Орієнтовно рекомендують:

Для вуглецевої сталі [ST]= 1,3…1,6;

Для сірого чавуну [SB] = 2,1…2,4.

При перемінних напруженнях. Для оцінки опору зношення деталі необхідно враховувати їх конструкційну форму, розміри, стан поверхні і інші фактори.

При дії перемінних напружень з амплітудою циклу sа, iа розрахункові коефіцієнти запасу міцності визначають за формулами:

В випадку нормальних напружень (згин, розтяг-стиск).

Ss = (s-1)D/sа В випадку дотичні напруження (кручення, зріз).

Si = (i-1)D/iа При спільній дії перемінних нормальних і дотичних напружень, наприклад при згині і крученні, загальний коефіцієнт запасу міцності.

][S].

де Ss і Si — коефіцієнти, В випадку перемінних напружень для стальних деталей рекомендують приймати:

При високої точності розрахунку [S] = 1,3…1,5;

При менш точній розрахунковій схемі [S] = 1,6…2,1.

9. Контактна міцність деталей машин Працездатність ряду деталей машин (зубчастих коліс, підшипників кочення і ін.) визначаються контактною міцністю, міцністю їх робочих поверхонь.

Руйнування цих поверхонь викликається дією контактних напружень sн, які виникають в місці контакту криволінійних поверхонь двох прижатих один до одної деталей.

При відсутності зовнішнього навантаження початковий контакт криволінійних поверхонь проходить в точці (контакт двох шарів і ін.) або по лінії (контакт двох циліндрів і ін).

Після прикладення зовнішнього навантаження початкових контакт цих поверхонь переходить в контакт по малій площадці з високими значеннями контактних напруг.

Ці напруги розприділяються по еліптичному закону. Найбільше значення sн використовується в якості головної критерії працездатності зубчастих, черв’ячних і других передач, а також підшипників кочення.

В випадку початкового контакту по лінії, характерного для роботи пари зубчатих коліс і інших, найбільше значення контактних напруг sн визначаються з допомогою формули Герца, отриманої для зони зіткнення двох циліндрів:

де q = Fr/b — нормальне навантаження на одиницю довжини контактної лінії; Fr — сила, нормальна до площадки контакту; b — робоча довжина контактної лінії; pпр — приведений радіус кривизни, рпр = р1 р2 / (р16р2).

р1 і р2 -радіуси кривизни в точках контакту (знак мінус береться у випадку контакту випуклої поверхні радіуса р1 з вгнутою поверхнею радіуса р2); Епр — приведений модуль пружності,.

Епр = 2Е1 Е2 / (Е1+Е2);

Е1 і Е2 — модулі пружності матеріалів циліндрів; якщо матеріали циліндрів одинакові, то Епр= Е1 = Е2; m — коефіцієнт Пуассона.

Умовою контактної міцності є.

sн * [s]н, де [s]н — допустима контактна напруга.

При оберті деталей під навантаженням кожна точка їх спряжених поверхонь періодично навантажується тільки в час проходження зони контакту, а контактні напруження sн в цих точках змінюється по проривному від нульовому циклі.

Якщо значення sн >[s]н, то результат циклічної дії контактних напруг в спряжених поверхнях деталей виникають зношені мікро тріщинки. Під дією сил тертя кочення ці тріщини розміщуються під нахилом за рахунок пластичного потоку металу.

Подальше розвивання тріщин зумовлено присутністю в зоні контакту мастильного матеріалу. При оберті деталей в початковий момент контакту поверхонь сили тертя відкривають тріщини і масло заповнює їх. Переходячи пізніше в зону високих контактних напруг, тріщини замикаються і тиск масла всередині них різко зростає, розклинюючи метал, що приводить до поступового розвитку тріщин і виколюванню чистин матеріалу. На робочих поверхнях деталей появляються мілкі раковини, ледь помітні спочатку і досягаючи 2…3 мм в процесі розвитку. Цей процес руйнування називають зношеним викришуванням.

Збільшення межі міцності і твердості, зменшення шорсткість спричиняє підвищенню здатності поверхні чинити опір викришуванню.

Розвиток тріщин при роботі в маслі не означає, що без нього руйнування робочих поверхонь сповільнено. Масло створює на поверхні захисні плівки, які зменшують тертя. При контакті через масляну плівку контактні напруження зменшуються, час праці до появи мікро тріщин збільшується.

При відсутності мастильного матеріалу поверхневий шар, в якому виникають початкові тріщини, стирається раніше, ніж в ньому встигають виникнути раковини.

10. Критерії працездатності і розрахунку деталей машин Працездатність деталей оцінюється рядом критеріїв, які диктуються умовами їх роботи. До них відносять: міцність, жорсткість, зносостійкість, теплостійкість, вібростійкість.

Стійкість. Основними критеріями працездатності всіх деталей є міцність, здатність деталі чинити опір руйнуванню або виникненню пластичних деформацій під дією прикладених до неї навантажень. Методи розрахунку на міцність вивчаються в курсі опір матеріалів. В розрахунках на міцність перше значення має правильне визначення допустимих напружень [s] або [i], які залежать від багатьох факторів. До них відносяться:

1) Вибраний матеріал і спосіб отримання заготовки (лиття і ін.), термообробка;

2) Степінь відповідальності деталі і її режим роботи;

3) Конфігурація деталі і її розміри;

4) Шорсткість поверхонь і ін.

Жорсткість. Жорсткістю називають здатність деталі чинити опір зміні форми і розмірів під навантаженням. Для деяких деталей жорсткість є основним критерієм при визначенні розмірів. Наприклад, жорсткість валів визначає роботу підшипників, а також зубчатих, черв’ячних і других передач.

Норми жорсткості встановлюють на основі опиту експлуатації машин. Ці норми зазначені в справ очній літератури.

Зносостійкість. Здатність деталі зберігати необхідні розміри поверхонь, які підлягають постійному тертю на протязі певного строку служби називають зносостійкістю. Вона залежить від властивостей вибраного матеріалу, термообробки і шорсткості поверхонь, від величини тиску або контактних напружень, від швидкості ковзання і умов змазки, від режиму роботи і ін. Знос зменшує міцність деталі, змінює характер з'єднання (при роботі появляється шум).

В більшості випадків розрахунки деталей на зносостійкість ведуться по допустимим тискам [рm], встановленим практикою (розрахунок підшипників кочення і ін). Використання в конструкціях уплотняючих засобів захищає деталі від попадання пилу, збільшуючи їх зносостійкість.

Теплостійкість. Теплостійкістю називають здатність конструкції працювати в межах заданих температур на протязі заданого строку служби. Перегрів деталей під час роботи — явище небезпечне, так як при цьому знижується їх міцність, погіршуються властивості змазки, а зменшення зазорів в рухомих з'єднаннях приводять до заїдання і поломки. Для забезпечення нормального теплового режиму роботи проводять теплові розрахунки (розрахунки черв’ячних передач, підшипників кочення і ін.).

Вібростійкість. Вібростійкістю називається здатність конструкції працювати в потрібному діапазоні режимів, достатньо далеких від області резонансів. Вібрації знижують якість роботи машин, викликають перемінні напруження в деталях. Особливо небезпечні є резонансні коливання. Розрахунки на вібростійкість розглядаються в курсі «Теорія коливань» і виконуються для машини в цілому.

Врахування вказаних критеріїв працездатності забезпечує надійність конструкції на протязі заданого строку праці.

11. Проекційний і перевірочний розрахунок Проекційним розрахунком називають визначення розмірів деталі по формулах, відповідним головному критерію працездатності (міцність, жорсткість, зносостійкість і ін.). Ці розрахунки приймають в тих випадках, коли розміри конструкції раніше невідомі. Проекційні розрахунки основані на ряді допущень і виконують як попередні.

Перевірочним розрахунком називається визначення фактичних характеристик головних критерій працездатності деталі і порівняння їх з допустимим значенням. При провір очнім розрахунку визначають фактичні напруження і коефіцієнт запасу міцності, дійсні згини і кути нахилу січень, температуру і ін.

Перевірочний розрахунок є уточненим; його виготовляють коли форма і розміри деталі відомі з проекційного розрахунку або прийняті конструктивно.

Розрахунок і конструювання органічно пов’язані. Конструюванням називається творчий процес побудови механізму або машини на кресленнях на основі проектних і перевірочних розрахунків. При розробці конструкції машини розглядають різноманітні варіанти для одержання оптимальної конструкції, забезпечуючи потрібні характеристики машини при найменшій вартості його виготовлення і експлуатації.

Конструювання вимагає всебічного аналізу статичного матеріалу, відображаючи практику експлуатації машин даного типу, врахування специфічних факторів і параметрів проекційної машини, а також всіх вимог сучасного машинобудування.

В процесі виготовлення машини деякі її деталі з'єднуються між собою, при цьому утворюються розривні i нерозривні з'єднання.

Рекомендована література Устюгов І.І. Деталі машин. — К.:"Вища школа", 1984. — 306 с.

Куклін Н.Т., Кукліна І.С. Деталі машин. — К.:"Вища школа", 1987. — 275 с.

Решетов Д. Н. Детали машин. — М.:"Машиностроение", 1989. — 416 с.

Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3 т. М:"Машиностроение", 1979;1982. — 370 с.

Заблонский К. И. Детали машин. — К.:"Вища школа", 1985. — 428 с.

Крагельский И.В., Михин Н. М. Узлы трения машин: Справочник. М., 1984. — 280 с.

Поляков В.С., Барбаш И. Д., Ряховский О. А. Справочник по муфтам. — М.:"Машиностроение". 1979. — 270 с.

Детали машин: Атлас. /Под ред. Д. Н. Решетова. — М.:"Машиностроение", 1988. — 270 с.

Кудрявцев В. Н. Детали машин. — М.-Л.:"Машиностроение", 1980. — 360 с.

Проектирование механических передач. /Под ред. С. А. Чернавского. — М.:"Машиностроение", 1984. — 318 с.