1.1. Классификация и основные требования к деталям и узлам машин

Общие сведения о деталях и узлах

Машины, механизмы, приборы, аппараты, приспособления, инструменты и другие изделия основного и вспомогательного производств машиностроительных предприятий изготовляют из деталей.

Деталью принято называть элемент конструкции, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций (например, болт, гайка, вал и т. д.).

Совокупность деталей, соединенных на предприятии изготовителе сборочными операциями (завинчиванием, сваркой и т. д.) и предназначенных для совместной работы, называют сборочной единицей (узлом).

Простейший узел является составной частью более сложного, который, в свою очередь, оказывается узлом изделия, комплекса и т. п.

Характерными примерами узлов являются, по мере нарастания сложности, подшипник, узел опоры, редуктор и т. п.

Машина — это устройство, которое выполняет определенные действия с целью облегчения физического и умственного труда человека. Например, автомобиль является транспортной машиной, станок для обработки каких-либо заготовок — технологической машиной.

Дета́ль — изготовленное, изготавливаемое, или же подлежащее изготовлению изделие, являющееся частью машины, или же какой либо технической конструкции, изготавливаемое из однородного по структуре и свойствам материала без применения при этом каких-либо сборочных операций.

Узел (сборочная единица) — изделие, составные части которого (детали) подверглись соединению между собой сборочными операциями на предприятии-изготовителе.

Основные требования, предъявляемые к деталям и узлам машин

Требования, которым должны отвечать отдельные элементы конструкции машины, определяются в первую очередь условиями ее работы (температура, давление, действующие нагрузки, агрессивность среды, точность изготовления и др.) в режиме эксплуатации.

К большинству проектируемых машин предъявляются следующие требования:

• Надежность
• Работоспособность
• Надежность
• Технологичность
• Экономичность
• Прочность
• Жесткость
• Устойчивость

Работоспособностью называют состояние машин и механизмов, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией (технические условия, стандарты и т. п.)..

Надежностью называют свойство изделия выполнять без внеплановых ремонтов определенные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Технологичность – основа экономичности конструкции. Технологичными называют изделия, обеспечивающие заданные эксплуатационные показатели при наименьших затратах времени, труда, материалов и средств на их создание в конкретных условиях производства.

Экономичность характеризуется совокупностью затрат на проектирование, изготовление и эксплуатацию изделия. Экономическая целесообразность обычно определяется существенным повышением производительности либо экономией энергоресурсов, либо увеличением универсальности (возможностью использования проектируемого механизма в машинах нового поколения).

Виды отказов деталей и узлов машин.

 

Постепенный отказ. Отказ, характеризующийся постепенным изменением одного или нескольких параметров состояния машины, называется постепенным. Причиной могут быть различные процессы, протекающие в ее деталях (изнашивание, коррозия, накопление усталостных повреждений и т. д.). Вероятность возникнове ния постепенного отказа повышается о увеличением длительности предыдущей работы машины.

Внезапный отказ. Отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одного или нескольких параметров состояния машины, называется внезапным. Он вызывается обычно неожиданным изменением внешних условий или воздействий. Чаще всего это перегрузки вследствие попадания посторонних предметов в рабочие органы машины, наезды, рывки при неправильном управлении и т. д. Внезапный отказ может возникнуть с одинаковой вероятностью независимо от длительности предыдущей работы машины, т. е. ее срока службы.

Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции.

Критерии работоспособности: прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость, коррозионная стойкость, надежность.

Прочность – способность детали выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или возникновения пластических деформаций. Нагрузка бывает – статическая, усталостная, ударная => разный расчет критериев. Т.к. нагрузка различна, при переменной нагрузке учитывается вид нагружения путем введения эмпирических коэффициентов.

Жесткость — способность деталей, сборочных единиц со­противляться изменению формы под действием нагрузок.

Жесткость вызвана собственными упругими деформациями деталей, приближенно вычисляемыми по формулам сопротив­ления материалов и контактными деформациями (перемеще­ниями), определяемыми при начальном контакте деталей по линии или в точке по формулам Герца, а при начальном кон­такте по площади — с помощью экспериментальных зависи­мостей. Методы повышения жесткости: 1) введение дополнительных конструктивных элементов 2) оптимальная форма сечения образца 3) применение материалов с высокими модулями упругости.

Износостойкость — способность материала рабочих по­верхностей деталей сопротивляться изнашиванию.

Она опре­деляется видом трения (скольжения или качения), наличием смазочного материала, режимом трения (жидкостным, полу­жидкостным, граничным и сухим), уровнем защиты от загряз­нений, материалом и твердостью трущихся поверхностей. Из­носостойкость — важный критерий работоспособности, так как около 90% деталей, имеющих подвижные сопряжения, выходят из строя именно из-за износа.

Виброустойчивость — способность машины сопротивлять­ся появлению вредных вынужденных колебаний и автоколе­баний, т. е. колебаний, вызываемых ими самими. Колебания вызывают дополнительные деформации деталей, снижая их циклическую прочность,

Теплостойкость — способность машины работать при по­вышенных температурах — особо актуальна в машинах с боль­шим тепловыделением в рабочем процессе (тепловые и элект­рические машины, машины для горячей обработки металлов). Теплостойкость ограничивает работоспособность машин, по­скольку снижаются несущая способность масляного слоя в трущихся парах и точность деталей из-за температурных де­формаций. Так, температурные деформации лопаток турбин могут вызвать выборку зазоров и аварию машины.

Коррозионная стойкость — сопротивление металлов хи­мическому или электрохимическому разрушению поверхност­ных слоев и коррозионной усталости. Средства борьбы — спе­циальное легирование или покрытия.

Надежность – способность сохранять свои эксплуатационные свойства в течение заданного срока службы. Срок службы определяет продолжительность эксплуатации от начала до разрушения. Ресурс – количество циклов работы в часах или циклах нагружения за время срока службы.

Проектировочный и проверочный расчеты

Проектировочным расчетом называют определе­ние размеров детали по формулам, соответствующим главному критерию работоспособности (прочности, жесткости, износостой­кости и др.). Этот расчет применяют в тех случаях, когда размеры конструкции заранее не известны. Проектировочные расчеты ос­нованы на ряде допущений и выполняются как предварительные.

Проверочным расчетом называется определение фактических характеристик главного критерия работоспособно­сти детали и сравнение их с допускаемыми значениями. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) на­пряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы наклона сечений, температуру и т. д.

Проверочный расчет является уточненным; его производят, когда форма и размеры детали известны из проектировочного расчета или приняты конструктивно.

Определение допускаемых напряжений, запасов прочности при расчетах деталей из стеклопластиков, нормативные требования к материалу нужно назначать с учетом рассеяния их прочностных характеристик вследствие случайных отклонений, зависящих от ряда конструктивно-технологических факторов. Таким образом, для расчета на прочность недостаточно знать средний предел прочности, так как опредение допускаемых напряжений по среднему не обеспечивает неразрушения элемента при некотором рассеянии свойств.

Коэффициент запаса - это отношение некоторого предельного напряжения к максимальному напряжению, возникаемому в конструкции.

Расчеты на жёсткость деталей машин

Жесткость - способность тела сопротивляться изменению своих размеров и формы под воздействием внешних нагрузок. (В отличие от теоретической механики в сопротивлении материалов рассматриваются деформируемые тела, то есть тела, которые изменяют свои размеры и форму под нагрузкой).

Выбор материалов деталей машин

Выбирая материал, учитывают следующие факторы:

· соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, жесткость, износостойкость и др.);

· весовые и габаритные требования;

· требования, связанные с назначением детали и условиями её экс­плуатации (коррозионную стойкость, фрикционные, электроизоляционные свойства и др.);

· соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намеченному способу изготовления детали (свариваемость, литейные свойства, штампуемость, обрабатываемость резанием и др.);

· стоимость и дефицитность материала.

Например, детали, размеры которых определяются условиями прочности, изготавливают из материалов с высокими прочностными характеристиками: улучшаемые или закаливаемые стали, чугуны повышенной прочности. Детали, размеры которых определяются жесткостью, выполняют из материалов с высоким модулем упругости: термически необработанные стали, чугуны. Для деталей, подверженных большим упругим перемещениям, например, пружин, рессор, применяют закаливаемые до высокой твердости стали, резину, пластмассы. Для деталей, подверженных контактным напряжениям и износу в условиях качения или качения со скольжением, применяют закаливаемые до высокой твердости стали. Из двух сопряженных деталей, для которых основным критерием работоспособности является износостойкость в условиях скольжения, одну деталь выполняют из материала с высокой поверхностной твердостью, а другую – из фрикционного или антифрикционного материала.

Выбор материала и заготовок для изготовления деталей машин является одной из важных задач при конструировании. Для того чтобы правильно решить эту задачу, конструктор должен знать, какие существуют и применяются в машиностроении материалы, их свойства, механические характеристики, термообработка, химико-термическая обработка и механическое упрочнение. Все эти сведения изложены в курсе «конструкционные материалы». Поэтому мы не будем останавливаться на получении различных материалов, заготовок и технологии термической обработки,а рассмотрим лишь назначение материалов и дадим некоторые рекомендации их выбора.

Основными машиностроительными материалами являются чугуны и стали