Раздел 1 Основы проектирования деталей машин

Тема 1 Введение (0,25/0,25/0,25 часа)

План лекции:

1. Задачи курса «ДМ»

2. Основные определения

Объекты изучения в курсе «ДМ»

 

"ДМ" – научная дисциплина по теории, расчету и конструированию деталей и узлов общемашиностроительного применения. В ее задачи входят обобщение инженерного опыта создания машиностроительных конструкций, разработка научных основ расчета и проектирования надежных элементов и узлов конструкций.

В учебном курсе "ДМ" комплексно рассматривают конструирование, расчет и технологию изготовления отдельных деталей и узлов машин. Эта дисциплина наглядно демонстрирует как инженерный замысел претворяется в конструкцию. "ДМ" – наука о рациональном проектировании – является базой для построения специальных дисциплин ("Подъемно–транспортные машины", "Гусеничные и колесные машины", "Двигатели внутреннего сгорания", "Металлорежущие станки", "Металлургические машины и агрегаты" и др.).

Курс "ДМ", являясь одним из ведущих и старейших курсов общеинженерной подготовки, непрерывно развивается вместе с прогрессом науки и техники (появляются новые направления в технике, новые материалы и технологии, требующие новых конструктивных решений, совершенствования методов расчета). Необходимость повышения производительности, быстроходности и надежности машин при уменьшении их массы и создание машин новых поколений требует непрерывного углубления теории и уточнения расчетов деталей и узлов машин.

В курсе "ДМ" вероятностные расчеты используют в следующих видах:

– принимают значения некоторых параметров, обеспечивающие заданную надежность (например, коэффициента безопасности – аналога квантили – в расчетах зубчатых и волновых передач, коэффициента надежности при расчетах подшипников качения);

– определяют рассеяние значений с заданной вероятностью (например, при расчете зазоров в подшипниках скольжения или натягов в соединениях с натягом).

В изделии детали находятся во взаимосвязи и взаимозависимости, определяющих качественные характеристики изделия. Детали, следовательно, являются элементами системы и необходим системный подход при их расчете и разработке.

Тем большее значение приобретают физические основы и общие принципы построения расчетов, их связь с конструированием.

Механизмом называют систему твердых тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел (редуктор, коробка передач и др.).

Машиной называют механизм или устройство, выполняющее механические движения, служащие для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности.

Любая машина состоит из деталей.

Деталь – часть машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми (винт, шпонка) или сложными (коленчатый вал, станина станка). Несколько деталей, собранных в одно целое, образуют сборочную единицу или узел. Среди множества разнообразных деталей и узлов можно выделить такие, которые применяют в разных машинах: крепежные винты, зубчатые колеса, валы, подшипники качения, муфты. Эти детали (узлы) называют деталями (узлами) общемашиностроительного применения и изучают в курсе "ДМ".

Другие детали – поршни, гребные винты, лопатки турбин и др. – применяют только в одном или нескольких типах машин. Их относят к деталям специального назначения и изучают в соответствующих курсах.

Детали и узлы общемашиностроительного применения изготовляют ежегодно в больших количествах (в одном легковом автомобиле более пяти тысяч типодеталей, более тридцати подшипников), поэтому знание основных методов расчета, правил и норм проектирования, подтвержденных статистикой эксплуатации, очень важно для конструкторской подготовки.

Среди общих правил конструирования можно отметить следующие три.

Первое. При проектировании рассчитывают на нормальные условия эксплуатации. Так, если рассчитывать детали велосипеда из условий их неповреждения при наезде на непреодолимое препятствие, то получится перетяжеленная конструкция, которая будет трудна в эксплуатации.

Второе. Конструирование есть поиск оптимального компромиссного решения. Часто при проектировании должны быть удовлетворены противоречивые требования. Так, у боевого самолета должно быть обеспечено и достаточное бронирование кабины пилота (что требует увеличения массы) и необходимая дальность и скорость полета (что требует снижения массы).

Третье. При конструировании должно быть выполнено условие равнопрочности. Очевидно, что нецелесообразно конструировать отдельные элементы машины с излишними запасами несущей способности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с отказом конструкции из–за разрушения или повреждения других элементов.

 

Тема 2 Основы проектирования, конструирования и расчета деталей и узлов машин (0,5/-/- часа)

План лекции:

1. Проектировочный расчет

2. Проверочный расчет

3. Комплексное и системное проектирование

 

Проектировочным расчетом называют определение основных размеров детали при выбранном материале и 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 являются упрощенными, их выполняют как предварительные.

Проверочным расчетом называют определение фактических характеристик главного критерия работоспособности детали или определение наибольшей допустимой нагрузки на деталь по допускаемым значениям главного критерия работоспособности. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы наклона сечений, температуру, ресурс при заданной нагрузке или допустимую нагрузку при заданных размерах и т.д.

Проверочный расчет является уточненным, его проводят, когда форма и размеры детали известны из проектировочного расчета или приняты конструктивно, когда определена технология изготовления (способ получения заготовки, вид термообработки, качество поверхности и др.).

Расчеты и конструирование органически связаны. Конструированием называют творческий процесс создания механизма или машины в чертежах на основе проектировочных и проверочных расчетов. При разработке конструкции машины рассматривают различные варианты с целью получения оптимальной конструкции при наименьшей стоимости ее изготовления и эксплуатации. Конструирование подразумевает проведение всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт проектирования, изготовления и эксплуатации машин данного типа. Задачи оптимизации выполняют с применением ЭВМ.

Современная проектно–конструкторская деятельность подразумевает системный образ мышления и комплексный подход к проектированию машин.

Проектирование – один из этапов так называемого жизненного цикла изделия, в который входят также этапы производства, эксплуатации и утилизации.

Проектирование представляет собой процесс решения многовариантной и в соответствии с многочисленными и разнообразными требованиями, которым каждый из возможных вариантов должен отвечать, еще и многокритериальной задачи.

Изделие машиностроения – не простая совокупность деталей. В собранном изделии детали находятся во взаимосвязи и взаимозависимости, которые и определяют качественные характеристики изделия. Образно говоря, не машина состоит из деталей, а детали образуют машину, являясь элементами системы и требуя системного подхода при расчете и разработке. Таким образом, проектирование должно быть системным.

Системное проектирование – это решение технической задачи для части с позиций целого.

Объединенные в производственном процессе отдельные единицы оборудования оказывают как непосредственное, так и косвенное влияние на работу друг друга и представляют собой технологические системы производств. Например, гибкие производственные системы (комплексы механообработки).

Комплексное проектирование – это процесс разработки оборудования с позиций технологической системы.

Основные этапы комплексного проектирования:

Формулировка задачи на разработку изделия и обоснование его актуальности, исходя из той системы, элементом которой будет разрабатываемое изделие. Определение места изделия в технической системе. Задачу формулируют в общем виде, без излишней детализации. Нужно стараться сделать формулировку настолько общей, насколько позволяет важность задачи.

Анализ задачи: уточнение в деталях поставленной задачи, определение критериев, которыми будут пользоваться при нахождении лучшего варианта, определение ограничений решения, разработка комплексной модели качества и составление на ее основе комплекса критериев. Устанавливают качественные и количественные характеристики начального и конечного состояний, в том числе вариации входа и выхода.

Ограничения обычно отражают существующие условия физической или технологической реализуемости того или иного параметра путем назначения его минимально и максимально допустимых значений. Например, ограничения по габаритам, массе, быстроходности или ограничения по критериям работоспособности и надежности. Часто используют понятие – конструктивные ограничения.

Ограничения решения сводят в систему неравенств и равенств и вводят в математическую модель. Математическая модель – совокупность формул, уравнений, соотношений, алгоритмов или программ, отражающая свойства моделируемого объекта или имитирующая реальный процесс.

Поиск возможных решений. Центральный этап проектирования. Для решения задач курса "ОК и ДМ" наиболее часто используют структурное или параметрическое моделирование.

При структурном моделировании варианты приводов получают как возможные комбинации различных типов редукторов, муфт, открытых передач.

При параметрическом моделировании разные варианты заданной структуры привода получают путем применения разных материалов или видов термообработки, различного распределения передаточных чисел между отдельными передачами, применения различных исполнений той или иной передачи (для ременной, например, с плоским, клиновым, поликлиновым или зубчатым ремнем).

Выбор оптимального варианта по результатам сравнительного анализа возможных решений. Это главный среди этапов, предшествующих конструированию, – этап принятия решения.

Разрабатываемое изделие характеризуют определенными свойствами. Свойства, по которым ведут оценку при выборе лучшего решения, называют критериями. В соответствии с комплексной моделью качества формируют комплекс критериев.

Завершают комплексное проектирование конструктивной разработкой оптимального варианта и последующим уточнением принятого решения на основе экспериментальных исследований или опытной эксплуатации.

 

Рекомендуемая литература

1. Решетов Д.Н. Детали машин. – М.: Машиностроение, 1989.

2. Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин. – М.: Машиностроение, 2004.

3. Норенков И.И. Основы автоматизированного проектирования. Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им.Н.Э..Баумана, 2000.