Основные принципы проектирования Расчеты деталей машин на прочность, жесткость и устойчивость Выполнение компоновочных чертежей редуктора Резьбовые соединения Расчет передач на сопротивление усталости

Детали машин Основные принципы проектирования

Как можно было заметить по материалу предыдущей лекции, зубчатый венец червячного колеса изготавливается всегда из менее прочного материала по сравнению с витками червяка (чугун, бронза и латунь, как правило, менее прочны по сравнению со сталью). Поэтому в червячном зацеплении зуб червячного колеса является наиболее слабым элементом. Для него возможны все виды разрушений и повреждений, характерных для зубчатых передач: изнашивание и усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев, заедание и поломка зубьев.

Основные понятия и определения

Детали машин и основы конструирования – это первый из расчетно-конструкторских курсов, в котором рассматриваются основы проектирования и конструирования машин и механизмов.

Механизм – это система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других тел.

Машина – это устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда.

Любая машина (механизм) состоит из деталей.

Деталь – это часть машины (механизма), изготавливаемая без сборочных операций.

Различают простые (гайка, шпонка и т.д.) и сложные (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.д.) детали. Детали частично или полностью объединяются в узлы.

Узел – это законченная сборочная единица, состоящая из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение.

Различают простые и сложные узлы. Сложные узлы могут включать в себя несколько простых узлов или подузлов. Например, редуктор включает в себя такие простые узлы, как подшипники качения, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т.д. Если рассматривать привод машины в целом, то он включает в себя такие узлы, как электродвигатель, редуктор, приводные муфты, вал рабочей машины и т.д.

Среди деталей и узлов различают детали и узлы, которые используются практически во всех машинах и механизмах и называются деталями (узлами) общего назначения. Данные детали и узлы изучаются в курсе “Детали машин и основы конструирования”. К ним относятся механические передачи (зубчатые, цепные, ременные, волновые, винтовые), подшипники качения и скольжения, валы и оси, приводные муфты, крепежные детали (болты, гайки, шпонки) и т.д.

Остальные детали и узлы, которые применяются в одном или нескольких типах машин, относятся к деталям или узлам специального назначения. Данные детали и узлы изучают в специальных курсах. К ним относятся, например, поршни, лопатки турбин, гребные винты и т.д.

Критерии работоспособности и расчета деталей машин

Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. Экономичность определяется стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию. Под надежностью понимается свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. При конструировании деталей машин их работоспособность обеспечивается:

– выбором соответствующего материала;

– рациональной конструктивной формой;

– расчетом размеров по одному или нескольким критериям работоспособности (расчет на прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость).

Прочность является главным критерием работоспособности большинства деталей. Различают разрушение деталей вследствие потери:

– статической прочности;

– сопротивления усталости.

Потеря статической прочности происходит при значениях рабочих напряжений, превышающих предел статической прочности материала, например, . Обычно это связано со случайными перегрузками, неучтенными при расчетах, или со срытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т.п.).

Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала, например, предел выносливости материала при симметричном цикле изменения напряжений .

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы деталей под нагрузкой. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий эксплуатации. Условия жесткости записываются в виде:

; (1.1)

, (1.2)

где   – прогиб;  – допустимый прогиб, определяемый для валов в зависимости от межпролетного расстояния (расстояния между опор), а для вала-червяка в зависимости от модуля зацепления;  – угол поворота опорного сечения;  – допустимый угол поворота опорного сечения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема вала

Условие (1.11) используется, например, при расчете на жесткость вала-червяка, а условие (1.2) при установке валов в подшипниках скольжения или роликовых подшипниках качения, практически не допускающих поворота опорных сечений.

Износостойкость. В соответствии с ГОСТ 27674-88, изнашивание – это процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ – это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Значение износа выражается в единицах длины, объема, массы и т.д.

Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивностям и видам элементарных актов разрушения и изменений механических и физико-химических свойств материала под воздействием внешних факторов: среды, температуры, давления, вида трения, скорости скольжения и т.д. Совокупность явлений в процессе трения (табл. 1.1) определяет вид изнашивания (табл. 1.2) и его интенсивность. Вследствие разнообразия материалов деталей пар трения и условий их эксплуатации виды изнашивания разнообразны. Виды изнашивания подразделяются на следующие группы.

Таблица 1.1. Явления и процессы при трении и изнашивании

Термин

Определение

Скачкообразное движение при

трении

Stick-'>slip'> '>motion

Явление чередования относительного скольжения и относительного покоя или чередования увеличения и уменьшения относительной скорости скольжения, возникающее самопроизвольно при трении движения.

Примечание. Примером скачкообразного движения может служить движение, возникающее вследствие автоколебаний при понижении коэффициента трения с увеличением скорости скольжения.

Схватывание

при трении

Схватывание

Adhesion'>in'> friction

Adhesion

Явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении.

Перенос материала

Transfer of material

Явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другими и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго

Заедание

Seizure

Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала

Примечание. Заедание может завершаться прекращением относительного движения

Задир

Scoring

Повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

Царапание

Scratching

Образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц.

Отслаивание

Spalling

Отделение с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании.

Выкрашивание

Pitting

Образование ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании.

Приработка

Runnig-in

Процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

 

Червячные передачи Передача вращением между перекрещивающимися валами посредством червяка и сопряженного с ним колеса.

Приведенный коэффициент передачи и КПД червячного редуктора

Виды механического изнашивания

Точность и погрешности изготовления деталей машин При проектировании деталей машин их геометрические параметры задаются размерами элементов, а также формой и взаимным расположением их поверхностей. При изготовлении возникают отступления реальных значений геометрических параметров деталей от идеальных (запроектированных) значений. Данные отступления называются погрешностями. Погрешности могут возникать также в процессе хранения и эксплуатации машин под действием внешней среды, внутренних изменений в структуре материала, износа и т.д.

Достоинства червячных передач: 1) компактность и относительно небольшая масса конструкции; 2) возможность получения больших передаточных чисел в одной ступени – стандартные передачи u ? 80, специальные ? u ? 300; 3) высокая плавность и кинематическая точность; 4) низкий уровень шума и вибраций; 5) самоторможение при обратной передаче движения, то есть невозможность передачи движения в обратном направлении - от ведомого червячного колеса к ведущему червяку. Недостатки червячных передач обусловлены большими скоростями скольжения витков червяка по зубьям червячного колеса, а также значительными осевыми силами, действующими на валах передачи.
Критерии работоспособности и расчета