Общие принципы прочностных расчётов

 

Все этапы проектирования, каждый шаг конструктора сопровождается расчётами. Это естественно, т.к. грамотно выполненный расчёт намного проще и в сотни раз дешевле экспериментальных испытаний.

Чаще всего конструктор имеет дело с расчётами на прочность [5, 12, 35].

Различают проектировочные и проверочные расчёты.

Проектировочный расчёт выполняется, когда по ожидаемым нагрузкам, с учётом свойств материала определяются геометрические параметры деталей.

Проверочный расчёт выполняют, когда известна вся "геометрия" детали и максимальные нагрузки, а с учётом свойств материала определяются максимальные напряжения, которые должны быть меньше допускаемых.

Несмотря на такие "провокационные" названия, следует помнить, что оба этих вида расчётов всегда сопутствуют друг другу и выполняются на стадии проектирования деталей и машин.

Математическая формулировка условия прочности любой детали очень проста:

s £ [ s ], t £ [ t ].

Или, говоря техническим языком:

 

Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых.

В качестве допускаемых нельзя назначать предельные напряжения, при которых наступает разрушение материала.

Разница между допускаемыми и предельными напряжениями похожа на разницу между краем платформы метро и «белой линией», проведённой примерно в полуметре перед краем. Переход через «белую линию» грозит замечанием от дежурного, а стояние на краю – гибелью.

Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, "с запасом": [ σ ] = σ _{предельное} / n,

где n - коэффициент запаса (обычно 1,2 < n < 2,5).

В разных обстоятельствах коэффициент запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин.

Выполнение всех видов прочностных расчётов для каждой детали займёт очень много времени. Поэтому инженер должен сначала изучить опыт эксплуатации подобных изделий. Это особенно удобно для типовых деталей и машин. Следует обратить внимание на то, какой вид поломок встречается чаще всего. Именно по этому виду поломок, точнее по вызывающим их напряжениям, следует выполнять предварительно проектировочный расчёт. По его результатам строится форма детали, а проверочный расчёт выполняется по напряжениям, вызывающим менее опасные дефекты.

В расчётах не следует гнаться за "абсолютной" точностью и использовать сложные "многоэтажные" формулы. Обширный опыт инженеров-расчётчиков показывает, что усложнение методик расчёта не даёт новых результатов.

Крупнейший советский специалист по прочностным расчётам деталей машин И.А. Биргер заметил [5], что в технических расчётах "всё нужное является простым, а всё сложное – ненужным". Впрочем, похожая мысль высказывалась уже в библейских текстах, хотя и не по поводу машин.

В расчётах необходимо стремиться к корректным упрощениям.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

 

Не существует абсолютной, полной и завершённой классификации всех существующих деталей машин, т.к. конструкции их многообразны и, к тому же, постоянно разрабатываются новые.

Для ориентирования в бесконечном многообразии детали машин классифицируют на типовые группы по характеру их использования [1,10,11].

è ПЕРЕДАЧИ передают движение от источника к потребителю.

è ВАЛЫ и ОСИ несут на себе вращающиеся детали передач.

è ОПОРЫ служат для установки валов и осей.

è МУФТЫ соединяют между собой валы и передают вращающий момент.

è СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ (СОЕДИНЕНИЯ) соединяют детали между собой.

è УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ смягчают вибрацию и удары, накапливают энергию, обеспечивают постоянное сжатие деталей.

è КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ организуют внутри себя пространство для размещения всех остальных деталей, обеспечивают их защиту.

Рамки учебного курса не позволяют изучить все разновидности деталей машин и все нюансы проектирования. Однако знание, по крайней мере, типовых деталей и общих принципов конструирования машин даёт инженеру надёжный фундамент и мощный инструмент для выполнения проектных работ практически любой сложности.

В следующих главах мы рассмотрим приёмы расчёта и проектирования типовых деталей машин.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

s Каковы место и роль машин в современном обществе?

s Какие учебные дисциплины непосредственно служат базой для курса "Детали машин и основы конструирования"?

s В чём заключается разница между проектированием и конструированием?

s Какие правила и нормы регламентируются Единой Системой Конструкторской Документации?

s Кем формулируется и составляется Техническое Задание?

s Какие документы являются результатом конструирования?

s Какие группы требований предъявляются к машинам?

s Каковы основные требования к деталям и машинам?

s Каковы основные критерии качества деталей и машин?

s Что такое работоспособность и каковы её критерии?

s Что такое надёжность и каковы её критерии?

s Что является главнейшим критерием работоспособности и надёжности?

s В чём заключается общее условие прочности деталей машин?

s В чём разница между проектировочным и проверочным расчётами?

s Каковы основные группы деталей машин общего назначения?

 

ПЕРЕДАЧИ

 

Современные машины приводятся в движение главным образом топливными и электрическими двигателями. В силу специфики законов термогазодинамики и электромагнетизма, эти двигатели более быстроходны, чем было бы удобно для человека, к тому же их скорость сложно и плохо регулируется. Возникает необходимость согласования режимов работы двигателя и исполнительного органа [6,10], с которым, собственно, и имеет дело оператор. Для этого созданы передачи.

Механическими передачами или просто передачами называются механизмы, которые преобразуют параметры движения от двигателя к исполнительным органам машины [1,10].

Механическая энергия передаётся, как правило, с преобразованием скоростей и вращающих моментов, а иногда с преобразованием вида и закона движения.

Передачи по принципу работы разделяются на:

è Передачи зацеплением:

è с непосредственным контактом (зубчатые и червячные);

è с гибкой связью (цепные, зубчато-ременные).

è Передачи трением (сцеплением трущихся поверхностей):

è с непосредственным контактом поверхностей (фрикционные);

è с гибкой связью (ременные).

 

 

ПЕРЕДАЧИ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ

 

Передают движение с помощью последовательно зацепляющихся зубьев [1].