Лекция № 1. общие сведения о деталях машин

Тема 1. общие сведения о деталях машин

Вопросы, изложенные в лекции:

1. Предмет и дисциплина «Детали машин».

2. Общие сведения о деталях машин. Требования к деталям машин.

3. Работоспособность и надежность изделий.

4. Проектирование и расчет типовых изделий.

Детали машин - прикладная научная дисциплина, изучающая общеинженерные методы проектирования (расчета и конструирования) элементов машин и механизмов. Изучение машин и их проектирование базируется на известных фундаментальных законах природы.

Цель курса - создать теоретическую базу для последующего изучения конструкции машин, их эксплуатации и ремонта с учетом критериев работоспособности, надежно­сти и технологичности.

Задача курса - изучение типовых конструкций элементов механизмов общепромышленного применения, основных принципов их ра­боты и методов проектирования, включая расчет параметров и конструк­тивные особенности. В результате изучения дисциплины студенты должны:

Иметь представление:

о принципах проектирования деталей и узлов машин;

о влиянии материалов и технологичности конструкций на эффектив­ность и эксплуатационные качества машин.

Знать:

характерные виды разрушения и основные критерии работоспособ­ности узлов и агрегатов.

Уметь:

производить оценку работоспособности механизмов, выполнять расчеты при проектировании типовых деталей и узлов;

оценивать достоинства и недостатки конструкции узлов и агрега­тов машин;

конструировать узлы и агрегаты машин.

Внимательный анализ состава самых различных машин (транспорт­ных, военных, сельскохозяйственных, технологических и т.п.) показывает, что все они включают значительное количество однотипных деталей узлов и механизмов. По этой причине курс деталей машин посвящен изучению наиболее общих элементов машин, способов их расчета и конструирования. Это, в свою очередь, обусловливает важность данного курса не только в свете прикладного применения, но также и с точки зрения развития техни­ческой культуры будущего специалиста, поскольку техническая культура - это одна из многочисленных граней общечеловеческой культуры.

Литература для изучения:

0. Детали машин и подъемное оборудование: Учеб. пособие для выс­ших общевойсковых и танковых училищ /Мельников Г.И., Леоненок Ю.В. и др. - М.: Воениздат, 1980. - 376 с.

1. Гузенков П.Г. Детали машин: Учеб. пособие для студентов втузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. школа, 1982.- 351 с.

2. Куклин Н.Г. и др. Детали машин: Учебник для техникумов / Н.Г. Куклин, Г.С. Куклина, В.К. Житков. – 5-е изд., перераб. и допол. – М.: Илекса, 1999.- 392 с.

3. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 383 с.

4. Соловьев В.И. и др. Курсовое проектирование деталей машин. Методич. рекомендации / В.И. Соловьев, В.В. Коробков, Л.П. Соловьева, И.С. Кацман. изд. 2-е. - Новосибирск: НВОКУ, 1995. - 151 с.

5. Соловьева Л.П., Соловьев В.И. Курсовое проектирование деталей машин: Учебно-справ. пособие. - Новосибирск: НВОКУ, 1994. - 56 с.

6. Шейнблит А.Е. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1991. - 432 с.

Основные определения.

Машина (от латинского machina) - механическое устройство, выполняющее движения с целью преобразования энергии, материалов или информации.

Основное назначение машин - частичная или полная замена производ­ственных функций человека с целью повышения производительности, облегчения человеческого труда или замены человека в недопустимых для него условиях работы.

В зависимости от выполняемых функций машины делятся на энерге­тические, рабочие (транспортные, технологические, транспортирующие), информационные (вычислительные, шифровальные, телеграфные и т.п.), машины-автоматы, сочетающие в себе функции нескольких видов машин, включая информационные.

Агрегат (от латинского aggrego - присоединяю)- укрупненный унифи­цированный элемент машины (например, в автомобиле: двигатель, топли­воподающий насос), обладающий полной взаимозаменяемостью и выполня­ющий определенные функции в процессе работы машины.

Механизм - искусственно созданная система материальных тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое (необходимое) движение других тел.

Прибор - устройство, предназначенное для измерений, производ­ственного контроля, управления, регулирования и других функций, связан­ных с получением, преобразованием и передачей информации.

Сборочная единица (узел) - изделие или часть его (часть машины), составные части которого подлежат соединению между собой (собира­ются) на предприятии изготовителе (смежном предприятии). Сборочная единица имеет, как правило, определенное функциональное назначение.

Деталь - наименьшая неделимая (не разбираемая) часть машины, агрегата, механизма, прибора, узла.

Сборочные единицы (узлы) и детали делятся на узлы и детали общего и специального назначения.

Узлы и детали общего назначения применяются в большинстве совре­менных машин и приборов (крепежные детали: болты, винты, гайки, шай­бы; зубчатые колеса, подшипники качения и т.п.). Именно такие детали изу­чаются в курсе деталей машин.

К узлам и деталям специального назначения относятся такие узлы и детали, которые входят в состав одного или нескольких типов машин и при­боров (например, поршни и шатуны ДВС, лопатки турбин газотурбинных двигателей, траки гусениц тракторов, танков и БМП) и изучаются в соответ­ствующих специальных курсах (например, таких как "Теория и конструкция ДВС", "Конструкция и расчет гусеничных машин" и др.).

В зависимости от сложности изготовления детали, в свою очередь, делятся на простые и сложные. Простые детали для своего изготовления требуют небольшого числа уже известных и хорошо освоенных технологи­ческих операций и изготавливаются при массовом производстве на станках-автоматах (например, крепежные изделия - болты, винты, гайки, шайбы, шплинты; зубчатые колеса небольших размеров и т.п.). Сложные детали имеют чаще всего достаточно сложную конфигурацию, а при их изго­товлении применяются достаточно сложные технологические операции и используется значительный объем ручного труда, для выполнения которого в последние годы все чаще применяются роботы (например, при сборке-сварке кузовов легковых автомобилей).

По функциональному назначению узлы и детали делятся на:

1. Корпусные детали, предназначенные для размещения и фиксации подвижных деталей механизма, для их защиты от действия неблагоприят­ных факторов внешней среды, а также для крепления механизмов в составе машин и агрегатов. Часто, кроме того, корпусные детали используются для хранения эксплуатационного запаса смазочных материалов.

2. Соединительные для разъемного и неразъемного соединения (на­пример, муфты – устройства для соединения вращающихся валов; болты винты шпильки гайки – детали для разъемных соединений; заклепки – детали для неразъемного соединения).

3. Передаточные механизмы и детали, предназначенные для пере­дачи энергии и движения от источника (двигателя) к потребителю (испол­нительному механизму), выполняющему необходимую полезную работу.

В курсе деталей машин рассматриваются в основном передачи вращательного движения: фрикционные, зубчатые, ременные, цепные и т.п. Эти передачи содержат большое число деталей вращения: валы, шкивы, зубчатые колеса и т.п.

Иногда возникает необходимость передавать энергию и движение с преобразованием последнего. В этом случае используются кулачковые и рычажные механизмы.

4. Упругие элементы предназначены для ослабления ударов и вибра­ции или для накопления энергии с целью последующего совершения меха­нической работы (рессоры колесных машин, противооткатные устройства пушек, боевая пружина стрелкового оружия).

5. Инерционные детали и элементы предназначены для предотвра­щения или ослабления колебаний (в линейном или вращательном движе­ниях) за счет накопления и последующей отдачи кинетической энергии (ма­ховики, противовесы, маятники, бабы, шаботы).

6. Защитные детали и уплотнения предназначены для защиты внут­ренних полостей узлов и агрегатов от действия неблагоприятных факторов внешней среды и от вытекания смазочных материалов из этих полостей (пы­левики, сальники, крышки, рубашки и т.п.).

7. Детали и узлы регулирования и управления предназначены для воздействия на агрегаты и механизмы с целью изменения их режима работы или его поддержания на оптимальном уровне (тяги, рычаги, тросы и т.п.).

Основными требованиями, предъявляемыми к деталям машин, явля­ются требования работоспособности и надежности. К деталям, непосред­ственно контактирующим с человеком-оператором (ручки и рычаги управления, элементы кабин машины, приборные щитки и т.п.), кроме названных предъявляются требования эргономичности и эстетичности.

Работоспособность - состояние изделия, при котором в данный момент времени его ос­новные параметры находятся в пределах, уста­новленных требованиями нормативно-технической документации и необходимых для выполнения его функциональной задачи.

Работоспособность количественно оценивается следующими показа­телями:

1 .Прочность - способность детали выдерживать заданные нагрузки в течение заданного срока без нарушения работоспособности.

2. Жесткость - способность детали выдерживать заданные нагрузки без изменения формы и размеров.

3. Износостойкость - способность детали сопротивляться изнаши­ванию.

4. Стойкость к специальным воздействиям - способность детали сохранять работоспособное состояние при проявлении специальных воз­действий (теплостойкость, вибростойкость, радиационная стойкость, кор­розионная стойкость и т.п.).

Неработоспособное состояние наступает вследствие отказа.

Отказ - событие, нарушающее работоспособность. Отказы делятся на постепенные и внезапные; полные и частичные; устранимые и неустра­нимые.

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сох­раняя свои показатели в пределах, установленных требованиями норма­тивно-технической документации, при соблюдении заданных условий ис­пользования, обслуживания, ремонта и транспортирования.

Свойство надежности количественно оценивается следующими пока­зателями: наработкой на отказ (среднее время работы изделия между двумя, соседними по времени отказами), коэффициентом готовности или коэффициентом технического использования (отношение времени работы изделия к сумме времен работы, обслуживания и ремонта в течение задан­ного срока эксплуатации), вероятностью безотказной работы и некото­рыми другими.

Проектирование изделия – разработ­ка комплекта документации, необходимой для его изготовления, наладки и эксплуата­ции в заданных условиях и в течение заданного срока.

Такой комплект технической документации включает:

1. Комплект конструкторской документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСКД).

2. Комплект технологической документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСТД).

3. Комплект эксплуатационной документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСКД). Последний включает формуляры, техни­ческие описания, инструкции по эксплуатации, инструкции по техничес­кому обслуживанию, плакаты, макеты и т.п.

4. Комплект ремонтной документации - ремонтные карты, ремонтно-технологические документы и т.п.

При проектировании решаются следующие основные задачи:

1. Обеспечение заданных параметров изделия для работы в заданных условиях.

2. Обеспечение минимальных затрат на производство заданного коли­чества изделий при сохранении заданных эксплуатационных параметров для каждого выпущенного изделия.

3. Сведение к минимуму эксплуатационных затрат при сохранении заданных эксплуатационных параметров изделия.

При решении каждой из основных задач приходится находить реше­ние целого ряда частных задач на разных этапах проектирования. При этом различные требования к изделию зачастую вступают в противоречие между собой. Искусство конструктора как раз и состоит в том, чтобы принять решение, максимизирующее положительный эффект от разрабатываемого изделия.

Процесс проектирования изделия состоит из многих этапов (состав­ление технического задания, расчет, конструирование, изготовление и испытание опытных образцов, разработка технологической документации, разработка эксплуатационной документации и т.п.), одними из главных среди которых являются расчет и конструирование.

В машиностроении основным является расчет деталей на прочность, который обычно выполняется в двух вариантах: 1) проектный расчет, и 2) проверочный расчет.

Целью проектного расчета является установление необходимых раз­меров узлов и деталей, соответствующих заданным нагрузкам и условиям работы. В этом случае расчет выполняется исходя из основного условия прочности:

p<[p], (1.1)

где р - наиболее опасные напряжения (нормальные, изгибающие, касательные или контактные) из действующих в детали, а [р] - напряжения того же вида, допускаемые для материала, из которого планируется изготав­ливать деталь. Допускаемые напряжения для материала детали определяют как результат деления предельных для данного материала напряжений на выбранный (или заданный нормативной документацией) коэффициент запаса прочности:

, (1.2)

где под предельным напряжением p_l в зависимости от условий работы детали понимается чаще всего либо предел прочности р_в (s_в или t_в), либо предел текучести р_т (s_т или t_т), либо предел выносливости р_r (s_r или t_r); в частном случае это может быть предел выносливости при симметричном цикле нагружения р_-1 (s_-1 или t_-1). При этом допускаемый коэффициент запаса назначается либо нормативными документами (международные и государственные стандарты, ведомственные нормали и правила), либо из условия безотказной работы изделия в течение заданного нормативного срока его эксплуатации (указывается в техническом задании на разрабатываемое изделие).

Проверочный расчет в зависимости от поставленной задачи обычно выполняется в одном из двух вариантов: 1) определение предельно допустимых параметров (нагрузки, деформации, температуры нагрева и т.п.) в критической ситуации или 2) определение параметров, явившихся причиной разрушения детали, в процессе экспертизы аварий и катстроф. Проверочный расчет выполняется, исходя из условия

, (1.3)

где p – действующий параметр; p_n – предельный параметр. Или же при проверочном расчете определяется действующий (фактический) коэффициент запаса по проверяемому параметру:

(1.4)

Для нормально работающей детали величина нормативного и фактического коэффициентов запаса обычно больше единицы, а фактический коэффициент запаса по величине больше нормативного.

В первой части лекции кратко очерчен круг вопросов, исследуемых прикладной научной дисциплиной «Детали машин», представлены объем, цели и задачи учебного курса «детали машин и основы конструирования».

Во второй ее части определены основные элементы машин, изложены главные требования к ним и даны основные понятия и определения, касающиеся эксплуатационных качеств изделий (машин, механизмов и приборов).

Третья часть лекции раскрывает смысл и содержание понятия «проектирование». Здесь же представлены базовые положения расчета типовых изделий.

Материал настоящей лекции служит основой при изучении всех последующих разделов курса «детали машин и основы конструирования».

1. Каков круг вопросов, исследуемых научной дисциплиной «Детали машин»?

2. Почему эту дисциплину называют прикладной научной дисциплиной?

3. Что изучается в курсе «Детали машин и основы конструирования»?

4. Что понимается в деталях машин под термином «машина», в чем ее назначение?

5. Какие виды машин Вы можете назвать в зависимости от их функционального назначения?

6. Какие элементы машин вы знаете?

7. В чем разница между механизмом и прибором?

8. Может ли быть агрегат механизмом или механизм агрегатом? В чем заключается разница между ними?

9. Чем отличается сборочная единица от механизма и агрегата?

10. Назовите основные отличительные особенности детали. Приведите примеры.

11. Назовите основные отличительные особенности агрегата. Приведите примеры.

12. Какие функции могут выполнять узлы и детали в машине?

13. Какие основные требования, предъявляемые к элементам машин?

14. Что понимается под термином «работоспособность»? Какими показателями она характеризуется?

15. Какое событие нарушает работоспособность?

16. Что понимается под термином «надежность»? Какими показателями она характеризуется?

17. Что понимается под термином «проектирование изделия»?

18. Наличие каких комплектов документации позволяет утверждать, что проектирование изделия выполнено полностью?

19. Какие основные задачи решаются в процессе проектирования?

20. Назовите главный вид расчета деталей, выполняемый в процессе проектирования?

21. В чем разница между проектным и проверочным расчетом? Какие критерии используются при этих видах расчета?

é