Общие принципы проектирования и конструирования механизмов и машин.

Проектированием называется процесс разработки комплексной технической документации, содержащей технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для производства машины. По типу изображения объекта различают чертежное и объемное проектирование; последнее включает выполнение макета или модели объекта. Для деталей машин характерен чертежный метод проектирования.

Стандартизацией называется процесс установления и применения стандартов – документов, содержащих обязательные нормы, правила и требования, относящиеся к различным сторонам человеческой деятельности, в том числе к сфере проектирования, производства, эксплуатации и ремонта машин.

Наиболее распространенный и эффективный метод стандартизации унификация – рациональное сокращение числа объектов функционального одинакового назначения, а также сведение к минимуму типоразмеров деталей и их элементов.

Стандартизация и унификация обеспечивают взаимозаменяемость деталей и узлов, т.е. возможность установки и замены их без предварительной подгонки. В свою очередь, взаимозаменяемость деталей - необходимое условие для организации специализированного и массового производства изделий, а также для его широкого кооперирования.

Процесс создания машины подразделяется на две части: поисковую и созидательную. При выполнении первой, разрабатывается техническое задание, которое является первичным основополагающим проектным документом, содержащим технические и технико-экономические характеристики, необходимые стадии разработки состав КД, а также специальные требования к изделию.

Анализ ТЗ и различных вариантов возможных решений переходит к выполнению второй (созидательной) части, которая начинается с разработки технического предложения (ТП), далее: эскизного проекта (ЭП); технического проекта (ТП); рабочей конструкторской документации (РКД).

Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность.

Для проектирования,изготовления, изображения и обозначения соединений на чертежах существуют определенные правила:

1. Номинальный размер - это размер детали, полученный расчетом или назначенный из конструктивных соображений.

2. Действительный размер детали - это размер, установленный измерением с допустимой погрешностью, он всегда отличается от номинального.

3. Предельные размеры (наибольший и наименьший) - это два предельно допустимых размера, между которыми должен находиться или которым может быть равен действительный размер.

4. Предельные отклонения (верхнее, нижнее) - алгебраическая разность соответственно между наибольшим и наименьшим предельными и номинальными размерами.

5.. Допуск - это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами; допуск - величина всегда положительная. Он определяет заданную точность изготовления детали.

 

6. Квалитет – степень точности изготовления размера Стандартом СЭВ-144-75 устанавливается 19 квалитетов: 01; 0; 1; 2;... 17 (в порядке понижения точности), наиболее распространены в общем машиностроении 5, 6, 7, 8, 9 квалитеты.

7. Основной вал - вал, верхнее отклонение которого равно нулю.

Щлецовые соединение.

Шлицевые соединения можно рассматривать как многошпоночные, в которых шпонки как бы изготовлены заодно с валом. В последние годы, в связи с общим повышением напряжений в деталях машин, шлицевые соединения получили самое широкое распространение взамен шпонок. Этому способствует оснащение промышленности специальным оборудованием - шлицефрезерными и протяжными станками. В сравнении со шпоночными шлицевые соединения имеют большую нагрузочную способность, лучше центрируют соединение и меньше ослабляют вал.

По профилю различают следующие шлицевые соединения

прямобочные - число шлиц Z = 6, 8, 10, 12;

звольвентные - число шлиц Z = 12, 16 и более;

треугольные - число шлиц Z = 24, 36 и более.

Эвольвентные шлицы создают меньшую концентрацию напряжений у основания шлица, поэтому в настоящее время получают преимущественное распространение. Треугольные шлицы мелкие, поэтому мало ослабляют вал, однако они способны передавать лишь относительно небольшую нагрузку.

Шлицевые соединения применяются с центрированием ступицы по валу:

а) по наружному диаметру;

б) по внутреннему диаметру;

в) по боковым граням.

Соединение во избежание термических короблений, требует чистовой протяжки ступицы после термообработки, поэ­тому твердость ступицы не может быть выше HRC=30. Соединение требует шлифовки вала по посадочному диаметру на специальных станках, зато ступица может быть твердой, так как посадочный диаметр шлифуется на обычных внутришлифовальных станках. Соединение допускает твердые шлицы на валу и на ступице, однако для обеспечения сборки, считаясь с возможных короблением шлицов при закалке, зазоры в соединении должны быть увеличенными.

Расчет шлицевых соединений

Как и шпонки, шлицы рассчитывается на смятие и срез:

s_см = £ [s]_см

t = £ [t] Р =

где R_c - средний радиус шлицов;

М_k - крутящий момент на оси вала.

Фрикционные передачи

Фрикционной передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью сил трения, возникающих между насаженными на валы и прижатыми друг к другу дисками, цилиндрами или конусами. Фрикционные передачи можно классифицировать по нескольким признакам: по расположению осей валов (с параллельными осями, с пересекающимися осями и соосные); по форме тел качения (с гладкими цилиндрическими катками; катками с клинчатым ободом; с коническими катками; торовые; сферические и др.); по условиям работы (открытые — работающие всухую и закрытые—работающие в масляной ванне); по возможности регулирования передаточного числа (с условно постоянным передаточным числом, с бесступенчатым регулированием передаточного числа — фрикционные вариаторы).Критерием работоспособности фрикционных передач является износостойкость рабочих поверхностей тел качения. В процессе работы на поверхности тел качения возникают циклически изменяющиеся контактные напряжения, которые вызывают усталостное изнашивание рабочих поверхностей катков.
Вариатором или бесступенчатой передачей называется механизм для плавного изменения передаточного отношения. В машиностроении фрикционные вариаторы используют в силовых приводах, мощность которых колеблется от небольших величин до десятков и даже сотен киловатт. Вариаторы бывают одно- и двухступенчатые. Основной кинематической характеристикой любого вариатора является диапазон регулирования Д, равный максималь­ному передаточному отношению, деленному на минимальное. Для одноступенчатых вариаторов преимущественные значения Д=3...6. С увеличением диапазона регулирования снижается к. п. д. вариатора.
Материалы тел качения фрикционных передач должны обладать высокой износостойкостью и прочностью рабочих поверхностей, возможно большим коэффициентом трения скольжения, высоким модулем упругости (для уменьшения упругого скольжения). Максимальную нагрузочную способность имеют катки из закаленной стали типа ШХ15, которые могут работать в масляной ванне и всухую. Применяются в силовых передачах также чугунные катки и сочетания текстолитовых и стальных или чугунных катков. Кроме того, для изготовления катков или их облицовки (для повышения коэффициента трения) применяют кожу, резину, прорезиненную ткань, дерево, фибру и другие материалы. Катки из неметаллических материалов работают всухую.

25. Элементы крепежных соединений

Болт требует для размещения гайки много места что увеличивает габариты и вес конструкции. Зато, при обрыве он легко заменяется.

Винт может иметь головку разной формы, в частности и шестигранную. Винт ввертывается в корпус и поэтому требует мало места для размещения, что сокращает размеры и вес конструкции. Однако, при сборке, резьба в корпусе (в особенности чугунном или алюминиевом) может быть повреждена. При обрыве трудно извлечь оставшуюся в резьбе часть винта.

Шпилька также ввертывается в корпус, для чего имеет с этой стороны тугую нарезку. При разборке свинчивается только гайка и тугая резьба в корпусе не повреждается. Шпильки рекомендуется применять при чугунных или алюминиевых корпусах.

В машинах, где действуют циклические нагрузки, для всех винтов и гаек должны предусматриваться средства против самоотвинчивания. В порядке убывающей надежности применяются для этой цели: корончатые гайки со шплинтом, отгибные шайбы, завязывание проволокой, пружинные шайбы (Гровера), контргайки и другие способы.

Стандартные винты и гайки изготавливаются из Ст.3, иногда Ст.4 и Ст.5, а также сталей: А-12 (автоматная), Ст.20, Ст.35, Ст.45 и других.

Для более ответственных напряженных соединений применяются: СТ.40Х, СТ.40ХН и другие. Шайбы пружинные изготавливаются из Ст.65Г с термообработкой, отгибные пластины и проволока для завязывания из Ст.1.

Применив гайку переменной жесткости (показано пунктиром), можно получить более благоприятную эпюру.

Опасными напряженными состояниями для болта или винта могут быть следующие:

а) стержень болта - на разрыв по внутреннему сечению резьбы;

б) резьба гайки - на смятие, срез или изгиб;

в) головка болта - на срез.

В стандартных болтах пункты равнопрочным с пунктом поэтому рассчитывается только стержень на разрыв. Из этих соображений высота головки h=0,7d, гайки - H=0,8d.

Различают следующие виды резьбовых соединений:

- ненапряженные, воспринимающие только нагрузку;

- напряженные, которые, кроме действующей нагрузки, воспринимают также усилиe дополнительной затяжки.

 

25. Расчет на прочность детали машин.

 

При расчетах на прочность, как правило, определяют действующие в де-

тали напряжения и сравнивают их с допускаемыми [σ]([τ]) в так называемом условии прочности:

σ ≤ [σ] или τ ≤ [τ].

Однако возникает вопрос какое напряжение считать допускаемым с точки

зрения отсутствия разрушения? Определение [σ] (или [τ]) при расчете по различным критериям прочности является одной из важнейших задач.

Завышенные значения [σ] приводят к неоправданному перерасходу метал-

ла и утяжелению машины, заниженные – к разрушению деталей. Правильное определение [σ] с учетом всех действующих силовых факторов и физико-механических особенностей материалов способствует обеспечению принци-па равной прочности создаваемых машин.

Допускаемые напряжения определяются как предельные (опасные) на-

пряжения, разделенные на расчетный коэффициент запаса прочности s

[ ]s=σпред σ или [ ]s= пред τ.

Например: для пластичных материалов допускаемые напряжения

для хрупких материалов –срез

а при переменных (циклических) нагрузках –кручение

 

и при изгибе

 

– предел текучести, τв – временное сопротив-

ление, σm и σа – среднее и амплитудное значение напряжений).

Существует два метода определения расчетного коэффициента запаса

прочности

1. табличный метод;

2. дифференциальный метод.

Табличный метод наиболее удобен для использования в инженерной прак-

тике. Каждая отрасль машиностроения на основе опыта эксплуатации машин

составляет таблицы коэффициентов запаса прочности для различных деталей. Очевидно, что этот метод применим, если проектируемая деталь работает в аналогичных условиях и будет изготовлена из известного материала.

Дифференциальный метод применяют, когда указанные выше условия от-

сутствуют. В этом случае определение общего расчетного коэффициента запаса прочности происходит путем раздельного рассмотрения каждого фактора, влияющего на s, а коэффициент запаса прочности ni

определяют вначале для каждого фактора, а затем s вычисляют по формуле s = s1 · s2 · s3 · s4 · … · sn,

в которой, например, s1 – учитывает точность определения расчетных нагрузок и напряжений, то есть зависит от точности расчетных формул (это так называемый коэффициент «незнания»); s2 – зависит от однородности механических свойств материала детали; s3 – учитывает требования безопасности (например, подъемник для людей имеет бóльшее значение s3, чем для подъема грузов) и т. п.