Масса и материалоемкость конструкций машин

Масса имеет наибольшее значение в транс­портном машиностроении, особенно в авиа­ции. В общем машинострое­нии уменьшение массы машин означает сни­жение расхода металла и стоимости изготов­ления.

Наибольшие возможности экономии метал­ла заложены в снижении массы изделий мас­сового выпуска. Это не освобождает от необ­ходимости добиваться снижения массы машин единичного и малого выпуска, поскольку сум­марный их выпуск составляет значительную долю всей машиностроительной продукции.

Следует оговориться, что уменьшение массы кон­струкции не является безусловной самоцелью. Рас­ходы на материал составляют в общем небольшую часть стоимости машин и очень мало влияют на экономический эффект за все время эксплуатации машины, который зависит главным образом от надежности машины. Если уменьшение массы сопря­жено с опасностью уменьшения надежности ма­шины, то целесообразно, особенно в общем машино­строении, сдержать тенденцию к снижению массы. Лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надежную.

От понятия «масса» следует отличать поня­тие металлоемкости. Они не равноз­начны.

Пусть две машины одинаковых размеров и с оди­наковыми параметрами изготовлены одна преиму­щественно из стали и чугуна, а другая – из легких сплавов (алюминиевых). Очевидно, масса второй ма­шины меньше массы первой приблизительно во столько раз, во сколько раз плотность тяжелых ма­териалов больше плотности легких (в данном случае приблизительно в 2 раза). Металлоемкость, рассмат­риваемая как количество вложенного в машину ме­талла, у них одинаковая.

Уменьшения массы с параллельным сниже­нием металлоемкости добиваются приданием деталям рациональных сечений и форм, целе­сообразным использованием прочности мате­риалов, применением прочных материалов, рациональных конструктивных схем, устране­нием излишних запасов прочности, заменой металлов неметаллическими материалами.

Рациональные сечения

Максимального снижения массы можно до­биться приданием деталям равнопрочности. Идеальный случай, когда напряжения в ка­ждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения одинаковые, возможен только при некоторых видах нагружения, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (растяжение-сжатие, отчасти сдвиг) и когда отсутствуют значимые концен­траторы напряжений.

При изгибе, кручении и сложных напря­женных состояниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. Они макси­мальны в крайних точках сечения, а в других могут снижаться до нуля, например, на нейт­ральной оси сечения, подвергаемого изгибу. В этих случаях можно только приблизиться к условию полной равнопрочности выравни­ванием напряжений по сечению, удалением ме­талла из наименее напряженных участков сече­ния и сосредоточением его в наиболее напря­женных местах – на периферии сечения.

В качестве примера рассмотрим цилиндри­ческую деталь, подвергаемую изгибу или кру­чению.

Напряжения в массивной детали круглого сечения (нормальные напряжения при изгибе и напряжения сдвига при кручении) распреде­ляются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения (на рис. 1, а эпюра напря­жений для случая изгиба условно совмещен с плоскостью чертежа).

Удаление слабонагруженного металла из центра сечения, т. е. придание сечению кольце­вой формы, обеспечивает более равномерное распределение напряжений в остающихся участках (рис. 1,б). Чем тоньше стенки кольца, т. е. чем больше отношение d/D, тем равно­мернее распределение напряжений. При сохра­нении постоянного наружного диаметра уро­вень напряжений в стенках, естественно, повы­шается. Однако небольшим увеличением на­ружного диаметра легко привести напряжения к прежнему уровню и даже значительно их снизить (рис. 1, в и г).

 

Рис. 1. Напряжения в цилиндрических сечениях

Этот принцип, который можно назвать принципом равного напряжения посе­чению, применим к сечениям любой формы.