Загальні питання проектування деталей і складальних одиниць

ПРИКЛАДНА МЕХАНІКА

Тема 1. Загальні питання проектування деталей і складальних одиниць.

Загальні вимоги до деталей і складальних одиниць.

Деталь – виріб, виготовлений із матеріалу однієї марки без використання складальних операцій або з використанням місцевих з'єднувальних операцій (зварювання, паяння, склеювання), чи виконанням декоративного або захисного покриття. Приклади деталей такі: вал, виготовлений з одного матеріалу; трубка, виготовлена зварюванням аркушевого матеріалу; гайка, покрита хромом.

Складальна одиниця – виріб, складові частини якого підлягають з'єднанню між собою на підприємстві за допомогою складальних операцій (згвинчування, зварювання, паяння, пресування тощо). До складальних одиниць також відносять: вироби, для яких конструкцією передбачене розбирання на складові частини, наприклад для зручності монтажу, контролю, обслуговування; сукупність складальних одиниць або деталей, які мають загальне функціональне призначення, наприклад двигун чи колесо в автомобілі.

Комплекс – виріб, який складається з кількох окремих виробів, не зв'язаних на підприємстві, яке його виготовляє, складальними операціями, але призначених для виконання взаємопов'язаних експлутаційних функцій. Приклади комплексів такі: цех–автомат для виготовлення певних виробів; роботизована дільниця для термообробки деталнй.

Комплект – кілька виробів загального функціонального призначення допоміжного характеру, не з'єднаних на підприємстві складальними операціями. Приклади такі: комплект запасних частин; комплект інструментів; комплект вимірювальної апаратури.

Поняття роботоздатності, технологічності, економічності.

Якість машин, приладів та інших технічних об'єктів, а також їхніх окремих складальних одиниць і деталей залежить від деяких загальних вимог, які повинен задовольняти створюваний об'єкт. Розглянемо загальні вимоги, які треба брати до уваги на всіх етапах і стадіях проектування та конструювання машин.

Роботоздатність – поняття, що визначає такий стан машини або довільної її складальної одиниці чи деталі, при якому вона здатна виконувати задані функції з параметрами щодо вимог технічної документації із збереженням міцності, незмінності форми і розмірів, стійкості проти спрацьовування, потрібної жорсткості, тепло–і вібростійкості. Ці показники роботоздатності, порушення яких спричинює вихід з ладу машини чи деталі, називають критеріями роботоздатності.

Роботоздатність деталей машин забезпечується наданням їм відповідних розмірів і форм, раціональним добором матеріалів для виготовлення їх з використанням зміцнюючих технологій, застосуванням антикорозійного захисту і відповідного змащування. Роботоздатність машин та їхніх деталей може бути оцінена розрахунком або експериментальне.

Технологічність і економічність конструкції машини чи деталі – це найбільша простота і найменші матеріальні затрати при виготовленні. При розробці проекту треба надавати виробу такі конструктивні форми і розміри, а також використовувати для його виготовлення такі матеріали і методи їхньої обробки, які забезпечували б мінімальну масу і витрати матеріалу, найбільш спрощене і економне виробництво з урахуванням загального обсягу виготовлення виробів.

Високі експлуатаційні показники машини оцінюють існуючими зразками подібних машин. При збереженні або зменшенні маси і габаритних розмірів нова машина повинна забезпечувати більш високі продуктивність і ККД, менше споживання енергії, підвищену точність, менші затрати праці на обслуговування і ремонт тощо. Всього цього можна досягнути вдосконаленням конструктивної схеми машини, раціональним вибором основних параметрів і конструктивних форм, використанням автоматичних систем для регулювання і керування машиною та забезпеченням оптимі–зації робочого режиму.

Висока надійність – властивість машини, складальної одиниці або деталі виконувати задані функції, зберігаючи при цьому свої експлуатаційні показники в допустимих межах, протягом наперед заданого проміжку часу. Показником надійності м0же бути ймовірність безвідказної роботи машини в призначеному інтервалі часу. Чим ближче ймовірність безвідказної роботи до одиниці, тим вище надійність конструкції.

Безпечність в експлуатації характеризує придатність конструкції машини до нормальної експлуатації протягом визначеного технічною документацією строку служби без аварійних руйнувань, небезпечних для обслуговуючого персоналу, виробничого обладнання, а також інших суміжних об'єктів.

Екологічність машини – здатність її виконувати свої функції без шкідливого впливу на навколишнє середовище. Екологічність при проектуванні і конструюванні досягається такими заходами використанням технологічно чистих джерел енергії, запобіганням шкідливого забруднення виробничих приміщень, нейтралізацією продуктів робочого процесу машини, відповідною герметизацією робочих об'ємів машини, використанням матеріалів для деталей із урахуванням можливості їх утилізації після виходу з ладу, забезпеченням виконання функції машини з низьким рівнем шуму та вібрації.

Поняття надійності і основні її показники. Методи оцінки надійності деталей.

Надійність — це складне поняття, об'єднуюче ряд властивостей об'єкту, пов'язаних з якістю виконання їм певних функцій протягом заданого часу. В техніці надійність має цілком конкретне значення. Вона не тільки може бути точно визначена, але і розрахована, об'єктивно оцінена, зміряна і випробувана.

Показник надійності – кількісна характеристика одного або декількох властивостей, що становлять надійність об'єкту.

Справність
Несправність
Працездатність
Непрацездатність
Якість

Надійність є доданком якості і обумовлюється безвідмовністю, ремонтопридатністю, зберіганням і довговічністю. Вона визначається досконалістю конструкції і технологій виготовлення, багато в чому залежить від умов експлуатації і ремонту.

Надійність виробу визначається його безвідмовністю і довговічністю. Перше з них розглядають як самостійну безперервну роботу виробу без яких-небудь втручань для підтримки працездатності. Під довговічністю виробу, навпаки, слід розуміти роботу виробу за весь період його експлуатації, враховуючи, що тривала робота виробу неможлива без ремонтних і профілактичних заходів, поновлюючи працездатність втрачається в процесі експлуатації.

Знання понять, визначень і основних показників надійності дозволяє вибрати об'єктивні критерії для її оцінки.

Основні засоби підвищення надійності деталей і складальних одиниць.

Основою технічної політики машинобудівних підприємств є підвищення якості виробів, що випускаються до рівня конкурентноспроможних світових стандартів. Але в зв'язку з тим, що надійність і довговічність є найголовнішими характеристиками якості виробу, їм необхідно приділяти основну увагу при проектуванні і виготовленні виробів.

Для цієї мети створюються нові технологічні і конструктивні прийоми і методи, засновані на досягненнях сучасних наук, особливо фізики твердого тіла, фізичної хімії, електрофізики і т.д. Безперервно вдосконалюються і загальновідомі методи підвищення надійності і довговічності.

З точки зору забезпечення надійність і довговічність виробу можна підрозділити на загальну і функціональну. Функціональна надійність характеризує службові властивості машини (вироби), які визначаються в основному її конструктивно-теоретичним рішенням.

Загальна надійність характеризує в основному, ті властивості, які забезпечуються в процесі виготовлення машини. Головними з цих властивостей є міцність, зносостійкість, корозійна стійкість, витривалість і т. д.

Наведене розбиття на загальну і функціональну надійність є умовним, оскільки вони взаємозалежні. Недотримання технологічної дисципліни, впливає не тільки на загальну; але і на функціональну надійність. Подібне розбиття зроблено з метою обмежити коло розглянутих питань.

Існують такі методи підвищення загальної надійності і довговічності виробів.

Зміцнення поверхневе слабких елементів машин пластичним деформуванням.
Поверхневе зміцнення деталей машин хіміко-термічною обробкою і загартуванням.
Зміцнення поверхневих шарів спеціальними методами обробки: електрохімічними, ультразвуковими і т.д.
Нанесення на робочі поверхні деталей високоміцних металів та інших матеріалів (іонна імплантація, напилення нітридів і т.д.).
Нанесення на поверхні деталей антикорозійних покриттів та захисних плівок.

Критерії роботоздатності деталей машин і методи їх оцінки.

Слово „критерії” можна замінити словами „вимоги, умови, характеристики”. Для оцінки роботоздатності (складової частини надійності) деталі використовують такі критерії.

1. Міцність – здатність деталі опиратися навантаженню без поломок і поверхневих ушкоджень.

2. Жорсткість – здатність деталі опиратися зміні форми та розмірів під впливом сил.

3. Зносостійкість – здатність матеріалу деталі опиратися стиранню поверхні.

4. Теплостійкість – здатність деталі працювати у визначеному діапазоні температур.

5. Вібростійкість – здатність деталі працювати у заданому діапазоні режимів навантаження без недопустимих коливань.

Без виконання цих критерієв неможлива нормальна робота деталей та вузлів машин, тому під час проектування залежно від умов роботи деталі проводяться розрахунки за одним або кількома критеріями. Головним критерієм працездатності та розрахунку деталей машин є міцність.

Міцність деталей машин.

Міцність — властивість матеріалу пручатися руйнуванню під дією внутрішніх напружень, виникаючих від зовнішніх навантажень.

Міцність підрозділяють на статичну, під дією постійних навантажень, динамічну й втомленісну (витривалість), що має місце при дії циклічних перемінних навантажень.

Усі деталі машини повинні бути рівноміцними, тобто деталі повинні мати однаковий запас міцності відносно навантажень, що діють на них. Аналіз проблеми міцності повинен містити таке.

1. Аналіз навантаження деталі. Навантаженням (зовнішньою дією) може бути сила, момент сили, температура або комбінація цих параметрів. Слід знати класифікацію сил, щоб розрізняти сили статичну та динамічну, сили зовнішню і внутрішню, сили розрахункову, еквівалентну та граничну. Необхідно розрізняти моменти обертальний, крутіння, згину. Відомості про види навантаження наведені в підручниках опору матеріалів.

2. Аналіз деформацій і напружень, що виникають в деталях від навантаження. Існують чотири види простих деформацій: розтяг (стиск), згин, крутіння, зсув (зріз).

Будь-яку комбінацію цих простих деформацій називають складною деформацією.

У будь-якому випадку основні рівняння розрахунку по допустимим

напруженням:

[] []

де і — найбільші розрахункові нормальне й дотичне напруження, відповідно;

[] і [] — допустимі нормальне й дотичне напруження, безпечні для міцності деталі.

Найчастіше інженер має справу саме з розрахунками на міцність.

Розрізняють проектувальні й перевірочні розрахунки.

Проектувальний розрахунок виконується, коли по очікуваних навантаженнях, з урахуванням властивостей матеріалу визначаються геометричні параметри деталей.

Перевірочний розрахунок виконують, коли відома вся "геометрія" деталі й максимальні навантаження, а з урахуванням властивостей матеріалу визначаються максимальні напруження, які повинні бути менше допустимих.

Завжди, скрізь, при будь-яких обставинах інженер зобов'язаний ураховувати й забезпечувати такі умови роботи, щоб напруження в матеріалі деталей не перевищували допустимих.

У якості допустимих не можна призначати граничні напруження, при яких настає руйнування матеріалу.

За допустимі напруження варто приймати напруження менші за граничні,

"із запасом":

[] = lim / n,8

де n - коефіцієнт запасу (за звичай 1,2 2,5) .

Конструктивні і технологічні засоби підвищення міцності деталей.

Існує достатньо велика кількість різних технологічних методів підвищення якості поверхонь деталей. Найбільш поширеними з них є, гальванічні і хімічні методи нанесення покриттів, наплавлення, напилення, іонна імплантація, лазерна обробка.

Забезпечуючи підвищення експлуатаційних властивостей, а так само, покращуючи декоративний вид виробів, ці методи в той же час є екологічно небезпечними, такими, що забруднюють навколишнє середовище і що представляють складність в утилізації відходів.

Великі можливості в технологічному управлінні якістю поверхні деталей машин мають такі прогресивні методи обробки, як різновиди обробно-зміцнюючої обробки, в основі яких закладено поверхневу пластичну деформацію (ППД).

Застосування пластичної деформації матеріалу дозволяє понизити матеріаломісткість і підвищити надійність і довговічність виробів. Залежно від призначення методу і пластичних деформацій всі ці методи можна розділити на три класи:

1) обробно-зміцнююча обробка поверхневою пластичною деформацією (накочення, обкачування, розкочування, випрасовування, віброобробка, динамічне зміцнення, електромеханічна і комбінована обробка різних поверхонь деталей машин);

2) формоутворювальна обробка пластичною деформацією (накочення зубів, шліців, різьб, фасонних поверхонь);

3) обробно-зміцнююча обробка пластичною деформацією (калібрування зовнішніх і внутрішніх поверхонь обертання і дорнованіє). Випрасовування проводять інструментом, робочим елементом якого є алмазний індентор, що ковзає по оброблюваній поверхні. Цим методом можна обробляти всі види поверхонь від плоскої до фасонної.

Комбінована обробка

Особливе місце серед методів підвищення якості деталей машин займає комбінована обробка, що суміщає лезвійную і обробно-зміцнюючу обробки. В даний час для обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь обертання достатньо широкого поширення набуло сумісне точіння і обкачування, здійснюване із застосуванням комбінованих інструментів, що поєднують в собі ріжучі і деформуючі елементи.

Жорсткість та твердість деталей машин. Поняття про теплостійкість і вібростійкість деталей. Стандартизація та взаємозамінність.

Жорсткість — здатність тіла або конструкції пручатися утворенню деформації. Розрізняють власну жорсткість деталі, обумовлену деформаціями всього матеріалу деталі, і контактну жорсткість, яка пов'язана з деформаціями тільки поверхневих шарів матеріалу деталі в зоні контакту з іншою деталлю.

Правильний вибір співвідношення жорсткості з масою виробу обумовлює динамічну характеристику деталі й машини в цілому. Кількісно жорсткість ураховується коефіцієнтом жорсткості, що визначається відношенням силового фактора до деформації, викликаної цим силовим фактором.

Для механізму в цілому жорсткість залежить від способу з'єднання деталей, так

при паралельному з'єднанні С = С1 + С2 ,

при послідовному

Жорсткість оцінюють співставленням розрахункових деформацій деталей (прогинів, кутів повороту перерізів, кутів закручування та ін.) при дії максимальних експлуатаційних навантажень з припустимими деформаціями.

У техніці існують наступні методи підвищення жорсткості:

1. Зменшення плеча згинаючого й крутного моменту.

2. Застосування профілів з підвищеним опором певному виду деформації.

Крім безпосередньо жорсткості до характеристики певних виробів та особливо матеріалів використовується поняття твердість.

Твердість – здатність матеріалу пручатися прониканню стороннього

предмета. На сьогодні існують такі види твердості по способі виміру:

1) НВ - твердість по Бринелю (область застосування обмежена);

2) НRC - по Роквелу (застосовується частіше інших, цим методом вимірюють всі сталі);

3) HV - твердість по Викерсу;

Теплостійкість — здатність виробу працювати (зберігати жорсткість) в заданому температурному режимі протягом заданого терміну служби. Втрата жорсткості викликається плавленням кристалічних структур, або переходом аморфних тіл у високо еластичний стан.

Для забезпечення теплостійкості необхідно щоб при роботі машини виділювана кількість тепла не перевищувало кількість тепла, що відводиться.

Наслідками порушення теплостійкості можуть бути:

1. Зниження міцності матеріалу й поява повзучості. Це спостерігається головним чином в енергетичних машинах з дуже напруженим тепловим режимом (у газових турбінах);

2. Зниження захищаючої здатності масляних плівок, а отже, збільшення зношування деталей;

3. Зміна зазорів у сполучених деталях (заклинювання, задиры та ін.);

4. У деяких випадках зниження точності роботи машини.

Звичайно, розрахунки на теплостійкість зводяться до визначення теплового балансу виробу. Якщо тепловий баланс не виконується, то приймають наступні технічні рішення:

1. Застосовують примусове повітряне охолодження (крильчатка).

2. Застосовують примусове рідинне охолодження, для чого в корпусі машини передбачають порожнини для циркуляції рідини.

3. Збільшують площу тепловіддачі, для чого корпуса виконують ребристим.

Під вібростстійкістю розуміють здатність конструкцій працювати в потрібному діапазоні режимів коливань без появи неприпустимих частот коливань. У зв'язку з підвищенням швидкостей машин явища коливань стають усе більше небезпечними й тому розрахунок на вібростстійкість усе більше актуальним.

Оскільки вібростстійкість це здатність виробу виконувати свої функції й зберігати свої параметри в межах значень, пропонованих до цього виробу, в умовах впливу вібрації, то вона є одним з видів стійкості виробів до впливу механічних зовнішніх факторів. Вимоги стійкості виробів до впливу механічних зовнішніх факторів, установлюються в нормативних документах (стандартах, технічних умовах і ін.).

Стандартизація – система забезпечення випуску однорідної продукції шляхом введення обов’язкових норм – стандартів. Вона дозволяє зменшити трудомісткість конструювання складальних одиниць і деталей, їх вартість, полегшити і спростити ремонт та експлуатацію машин.

Стандарти з машинобудування охоплюють основні параметри машин і механізмів, матеріали, параметри передач, конструктивно-технологічні елементи деталей, типові деталі та частини машин загального машинобудування, норми забезпечення точності й взаємозамінності, умовні позначення та системи оформлення креслень.

Машинобудівельні матеріали. Чорні метали. Сталі та чавуни. Умовні зображення. Кольорові метали та сплави. Бронзи, латуні, бабіти. Призначення. Властивості. Умовні позначення.

Метали і їхні сплави — одні з головних конструкційних матеріалів.

Розглянемо їх докладніше. Чорні метали – метали й сплави на основі заліза, марганцю, хрому.

Залізовуглецеві сплави – основа конструкційних матеріалів, що застосовуються у всіх галузях промисловості.

Сталі — ковкі сплави заліза з вуглецем і іншими елементами, вміст вуглецю в які не перевищує 2,14 %, але не менше 0,02 %. Сталі характеризуються високою міцністю, пластичністю, здатністю добре сприймати термічну або хіміко-термічну обробку. Розрізняють:

1. Вуглецеві сталі, які поділяються в свою чергу на:

Сталі загального призначення.

Сталі якісні конструкційні (ГОСТ 1050-74).

2. Леговані сталі які в свою чергу поділяються на:

Якісні; Високоякісні; Особливо високоякісні.

Леговані сталі додатково позначають буквами, що вказують основні легуючі елементи:

У - вольфрам, Г - марганець, Д - мідь, М - молібден, Н - нікель, Р - бор, С - кремній, Т - титан, X - хром, Ф - ванадій, Ю - алюміній. Цифри після букв означають процентний вміст відповідного компонента; якщо воно менш або біля одного відсотка, то цифру не ставлять. Високоякісні леговані сталі додатково відзначають буквою А в кінці позначення. Наприклад, марка 12ХНЗА означає високоякісну сталь із середнім змістом вуглецю 0,12 %, хрому близько 1 % і нікелю 3 %.

Чавуни – це сплави залізної руди з вуглецем, з підвищеним змістом останнього, а також з поліпшеними ливарними властивостями й зниженою пластичністю.

Розрізняють:

1. Сірий чавун, який є основним ливарним матеріалом. Для нього характерна середня міцність, менша, чим у сталі, через графітові включення, що створюють концентрацію напруг. Має задовільну зносостійкість внаслідок дії графіту.

2 Чавун з кулястим графітом сильно зменшує внутрішню концентрацію напружень, що застосовують при підвищених вимогах до міцності деталі. Його застосовують замість сталей для деталей, що працюють в умовах значних змінних напружень (колінчаті вали двигунів багатьох сучасних тракторів і автомобілів).

3. Білі й вибілені чавуни. Мають весь вуглець у зв'язаному стані, характеризуються високою твердістю (важко обробляється різанням), високою зносостійкістю й жаростійкістю, високим опором корозії. Основні вироби з білого чавуну: деталі, що працюють на зношування - гальмові колодки; деталі, піддані дії полум'я й нагріванню - колосники й т.д.;

4. Ковкий чавун, застосовують для деталей, що вимагають за своєю формою литої заготовки, але що допускають хоча б випадкове ударне навантаження. Назва «ковкий» умовне. Заготовки з ковкого чавуну так само, як і із сірого, одержують тільки виливком; тиском ковкий чавун не обробляють.

Сплави кольорових металів. Розрізняють наступні сплави кольорових

металів:

1. Мідні сплави, які діляться на:

1) Бронзи - всі мідні сплави (олов'яні, свинцеві, алюмінієві, берилієві, кременисті й ін), за винятком латуні; Бронзи мають високі антифрикційні властивості, гарний опор корозії, універсальні технологічні властивості. Добре обробляються різанням.

2) Латуні - мідні сплави, у яких переважним легуючим компонентом є цинк (до 50%). Латуні розділяють на подвійні (сплави Сu - Zn) і складні, утримуючі наступні компоненти: свинець, кремній, марганець, алюміній, залізо, нікель, олово. Характеризуються гарним опором корозії, електропровідністю, достатньою міцністю. Латуні застосовують: для труб, гільз, дроту; для арматур; у приладах; в електричних апаратурах, електромашинобудуванні й т.д.

2. Бабіти — сплави на основі м'яких металів (олова, свинцю, кальцію), що представляють собою високоякісні, антифрикційні підшипникові матеріали низької твердості, що допускають роботу зі значними швидкостями й тисками.

3. Легкі сплави - сплави із щільністю не більше 3,5 на алюмінієвій або магнієвій основі. Застосування легких сплавів в основному визначається їхньою малою щільністю й значною несучою здатністю на одиницю маси.

Пластмаси - високомолекулярні органічні матеріали (полімери), які дістають на основі синтетичних смол. Для надання пластмасам відповідних властивостей до них додають різні наповнювачі, пластифікатори, затверджувачі, барвники.

До інших неметалевих матеріалів, які використовують для виготовлення деталей машин, можна віднести гуму, шкіру, деревину, графіт, азбест та ін. Гума допускає великі пружні деформації, задовільно гасить коливання і має достатню стійкість проти спрацювання. Її використовують для виготовлення амортизаторів, пружних елементів муфт, приводних пасів, ущілень тощо. Шкіру через високу міцність та еластичність використовують для виготовлення приводних пасів, манжет, прокладок.

Графіт використовують для виготовлення електродів, вогнетривких виробів, вкладишів підшипників ковзання, а також як мастило для поверхонь тертя ковзання в з'єднаннях деталей машин.

Міцність деталей машин. Оцінка міцності при простих деформаціях. Напруження і деформації при розтягу, згині, крученні. Діаграма розтягу. Допустимі напруження. Визначення реакцій в опорах. Побудова епюр.

Зміна напружень в часі. Цикли змінних напружень. Коефіцієнт асиметрії циклу. Граничні напруження. Коефіцієнти концентрації напружень. Коефіцієнти запасу міцності.

Загальні питання проектування деталей і складальних одиниць