Нагрузки, действующие на детали машин. Типовые циклы изменения напряжений в сечениях деталей машин по времени.

Классификация типовых деталей машин. Требования, предъявляемые к современным машинам.

Классификация типовых д/м:

1) детали соединений (Они бывают двух видов: разъемные - их можно разобрать без разрушения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, клеммовые; неразъемные - разъединение деталей невозможно без их разрушения или связано с опасностью их повреждения. К ним относятся сварочное, клеевое, заклепочное, прессовое соединения);

2) детали передач (предназначены для передачи и преобразования движения, энергии в машинах. Их разделяют на передачи зацеплением, передающие энергию посредством взаимного зацепления зубьев (зубчатые, червячные и цепные), и передачи трением, передающие энергию посредством сил трения, вызываемых начальным натяжением ремня (ременные передачи) или прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи));

3) валы и оси (Валы служат для передачи вращающего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей передач (зубчатые колёса, шкивы звёздочки), устанавливаемых на валах. Оси служат для поддержания вращающихся, деталей без передачи полезных вращающих моментов);

4) опоры валов и осей (подшипники) (Предназначены для закрепления валов и осей в пространстве. Оставляют валам и осям только одну степень свободы - вращение вокруг собственной оси. Подшипники делятся на две группы в зависимости от вида трения в них: а) качения; б) скольжения);

5) муфты (предназначены для передачи крутящего момента с одного вала на другой. Муфты бывают постоянными, не допускающие разъединения валов при работе машин и сцепные, допускающие сцепление и расцепление валов);

6) упругие элементы (Их применяют: а) для защиты от вибраций и ударов; б) для совершения в течение длительного времени полезной работы путем предварительного аккумулирования или накопления энергии (пружины в часах); в) для создания натяга, осуществления обратного хода в кулачковых и других механизмах и т.д.);

7) корпусные детали (организуют внутри себя пространство для размещения всех остальных деталей, обеспечивают их защиту).

Основные группы требований к машинам:

1) технологические требования;

2) экономические требования;

3) эксплуатационные требования.

Требования, предъявляемые к современным деталям:

1) надежность (сложное свойство, характеризуется: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохранностью);

2) высокая производительность (обеспечивается увеличением мощности двигательного м/ма или скорости исполнительного м/ма);

3) экономичность (достигается увеличением КПД, снижением веса, применением дешевых материалов);

4) должны отвечать эргономическим требованиям (быть удобными в обслуживании и эстетичными).

 

Расчет резьбы на прочность.

Основные виды разрушения резьб: крепежных – срез витков; ходовых – износ витков.

Критерии работоспособности и расчета:

1) для крепежных: прочность, связанная с напряжением среза (касательное τ);

2) для ходовых: износостойкость, связанная с напряжением смятия (нормальное σ_см).

Условие прочности резьбы по напряжениям среза:

где Н – высота гайки, или глубина завинчивания винта в деталь;

- коэффициент полноты резьбы (для треугольной резьбы К=0,87, для прямоугольной К=0,5, для трапецеидальной К=0,65);

- коэффициент неравномерности нагрузки по виткам резьбы. . Большие значения , если ( - временная σ).

Если материалы винта и гайки одинаковые, то напряжения среза рассчитывают только на резьбу винта, т.к. .

Условие износостойкости ходовой резьбы по напряжениям смятия:

,

где - число рабочих витков; h – высота рабочая профиля; K_m =2.

С учетом приработки ходовых резьб, при условии, что допускаемые напряжения принимают согласно накопленному опыту эксплуатации.

 

8. Расчет стержня болта на прочность. Болт нагружен осевой растягивающей силой, предварительная и последующая затяжка его возможны.

Такой вид нагружения самый распространенный. Под действием силы F_зат болт растягивается, детали стыка сжимаются.

Под действием внешней силы F:

1) часть χF дополнительно нагружает болт;

2) часть (1-χ)F частично разгружает детали стыка от сжатия.

Коэффициент χ – коэффициент внешней (осевой) нагрузки.

Задача о распределении силы F решается из условия совместности деформации. При действии на соединения внешней силы F до раскрытия стыка сжатие соединяемых болтом деталей уменьшается на столько, на сколько болт растягивается:

, где - к/т податливости соединяемых болтом деталей;

- к/т податливости болта, т.е. удлинение болта при растяжении под действием силы 1Н. Отсюда , где - длина деформируемой части стержня болта, принимается равной толщине сжимаемых болтом деталей; А – площадь поперечного сечения, Е – модуль упругости.

Для определения к/та податливости соединяемых деталей пользуются методом принципа Бобарыкова: деформация распространяется по конусам давления, α=45.

Новейшие исследования показывают, что α<45; рекомендуется принимать Для упрощения конус заменен цилиндром, диаметр которого равен среднему диаметру конуса. Тогда .

При отсутствии упругих прокладок . При их наличии .

Для нашего случая .

Условие невозможности раскрытия стыка: ,

где k – к/т затяжки болта, учитывающий силу предварительной затяжки болта. В соединениях без прокладки при постоянной нагрузке k =1,25. По условиям герметичности k =5 (до и выше).

Растягивающая сила F₀, действующая на болт после предварительной затяжки и приложения внешней силы F: .

При отсутствии последующей затяжки болт рассчитывается с учетом крутящего момента предварительной затяжки по расчетной силе:

.

При возможности последующей затяжки проектный расчет:

Вычислить χ, сравнить с принятым. Если большая разница, принять χ ближе к расчетному и заново рассчитать болт.

Расчет на прочность стыковых соединений при действии растягивающей (сжимающей) силы, изгибающего момента в плоскости приварки, при совместном действии растягивающей (сжимающей) силы и изгибающего момента.

Основное требование – равнопрочность шва и соединенных им деталей.

11.1. При действии растягивающей (сжимающей) силы.

Условие прочности при растяжении: , где

- расчетное напряжение в шве при растяжении; F – растягивающая сила; S – толщин сваренной более тонкой детали; - допускаемое напряжение; l – длина шва.

Условие прочности при сжатии:

В зависимости от толщины соединяемых деталей соединения выполняют с обработкой или без обработки кромок, с приваркой или без приварки с другой стороны. Таким образом сваривают листы, трубы, уголки и т.п.

Соединения могут разрушаться по шву, в зоне термического влияния.

Зона термического влияния – прилегающий к шву участок детали, в котором при сварке (в результате нагревания) изменяются механическое свойства металла.

При качественном выполнении сварки разрушение соединений стальных деталей происходит преимущественно в зоне термического влияния.

11.2. При действии изгибающего момента в плоскости приварки.

, – момент сопротивления расчетного сечения шва при изгибе.

11.3. Совместное действие.

 

 

Дополнительно.

1. Болт нагружен осевой растягивающей силой, предварительная и последующая затяжки его отсутствуют (встречается редко).

Условие прочности: , где

- расчетное напряжение растяжения в поперечном сечении нарезанной части болта;

F – сила, растягивающая болт;

– допускаемое напряжение на растяжение болта.

Проектный расчет: .

2. Болт испытывает напряжение кручения, обусловленное затяжкой.

Крутящий момент, возникающий в опасном поперечном сечении болта, равен моменту Т_р в резьбе лишь для установочных винтов; при определении момента, скручивающего стержень, учитывается момент силы трения на торце.

Напряжение растяжения от силы F_зат: .

Напряжение кручения от момента Т_р: .

При сложнонапряженном состоянии по гипотезе энергоформосохранности рассчитывается эквивалентное напряжение.

Условие прочности: .

Вычисления показывают, что для стандартных метрических резьб .

Следовательно: болт, работающий одновременно на растяжение и на кручение, можно рассчитывать только на растяжение по допускающему напряжению на растяжение, уменьшенному в 1,3 раза, или по расчетной силе, увеличенной по сравнению с силой, растягивающей болт в 1,3 раза.

Тогда проектный расчет: .

Аналогичное решение рекомендуется для болтов, нагруженных осевыми растягивающими силами и испытывающими кручение от подтягивания гаек под нагрузкой.

 

 

Классификация типовых деталей машин. Требования, предъявляемые к современным машинам.

Классификация типовых д/м:

1) детали соединений (Они бывают двух видов: разъемные - их можно разобрать без разрушения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, клеммовые; неразъемные - разъединение деталей невозможно без их разрушения или связано с опасностью их повреждения. К ним относятся сварочное, клеевое, заклепочное, прессовое соединения);

2) детали передач (предназначены для передачи и преобразования движения, энергии в машинах. Их разделяют на передачи зацеплением, передающие энергию посредством взаимного зацепления зубьев (зубчатые, червячные и цепные), и передачи трением, передающие энергию посредством сил трения, вызываемых начальным натяжением ремня (ременные передачи) или прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи));

3) валы и оси (Валы служат для передачи вращающего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей передач (зубчатые колёса, шкивы звёздочки), устанавливаемых на валах. Оси служат для поддержания вращающихся, деталей без передачи полезных вращающих моментов);

4) опоры валов и осей (подшипники) (Предназначены для закрепления валов и осей в пространстве. Оставляют валам и осям только одну степень свободы - вращение вокруг собственной оси. Подшипники делятся на две группы в зависимости от вида трения в них: а) качения; б) скольжения);

5) муфты (предназначены для передачи крутящего момента с одного вала на другой. Муфты бывают постоянными, не допускающие разъединения валов при работе машин и сцепные, допускающие сцепление и расцепление валов);

6) упругие элементы (Их применяют: а) для защиты от вибраций и ударов; б) для совершения в течение длительного времени полезной работы путем предварительного аккумулирования или накопления энергии (пружины в часах); в) для создания натяга, осуществления обратного хода в кулачковых и других механизмах и т.д.);

7) корпусные детали (организуют внутри себя пространство для размещения всех остальных деталей, обеспечивают их защиту).

Основные группы требований к машинам:

1) технологические требования;

2) экономические требования;

3) эксплуатационные требования.

Требования, предъявляемые к современным деталям:

1) надежность (сложное свойство, характеризуется: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохранностью);

2) высокая производительность (обеспечивается увеличением мощности двигательного м/ма или скорости исполнительного м/ма);

3) экономичность (достигается увеличением КПД, снижением веса, применением дешевых материалов);

4) должны отвечать эргономическим требованиям (быть удобными в обслуживании и эстетичными).

 

Нагрузки, действующие на детали машин. Типовые циклы изменения напряжений в сечениях деталей машин по времени.

Нагрузки, действующие на д/м:

1) рабочие усилия (силы полезного сопротивления, на преодоление которых затрачивается полезная работа машины);

2) силы инерции (действуют на все звенья механизма, движущиеся с ускорением − линейным или угловым; при большой массе и скорости);

3) силы трения (обычно считают вредным сопротивлением, они всегда направлены противоположно движению и рассеивают часть энергии на своё преодоление, отнимая её от полезной работы и преобразуя её в тепло);

4) динамические (ударные) нагрузки;

5) усилия, возникающие при изготовлении детали;

6) усилия, возникающие при сборке;

7) силы от температурных деформаций детали;

8) сила собственного веса детали;

9) атмосферные нагрузки.

Различают номинальную и расчетную нагрузки.

Номинальная – это наибольшая длительно действующая нагрузка на сечение детали.

Расчетная – получается умножением номинальной нагрузки на коэффициент нагрузки, учитывающий возможные кратковременные всплески, неравномерность распределенной нагрузки по длине или сечению.

Типовые циклы изменения напряжения в сечениях д/м по времени.

Характеристика цикла r – коэффициент асимметрии цикла – отношение наименьшего напряжения к наибольшему с учетом их знаков: (-1 < r < 1).

Постоянная составляющая цикла – среднее напряжение цикла. - полусумма с учетом их знаков: .

Переменная составляющая цикла – амплитуда напряжения цикла - полуразность с учетом знаков: .

Цикл I – постоянный.

Цикл II – отнулевой.

Цикл III – симметричный.

Примерные соотношения для допускаемых напряжений при различных циклах изменения напряжения: