Введение

Машина – устройство предназначенное для выполнения требуемой полезной работы, связанной с процессом производства или же с преобразованием энергии или информации.

Механизм - система подвижных соединений тел предназначенных для преобразования движения.

По характеру рабочего процесса и назначения машины делятся на четыре класса:

Первый класс - машины-двигатели, преобразующие виды энергии в механическую (ДВС, турбины и т.п.).

Второй класс - машины преобразователи, преобразующие механическую энергию, полученную от машины двигателя в другой вид (электромашина-генератор тока).

Третий класс – машины орудия (рабочие машины) для технологических процессов, связанных с изменением форм, свойств материалы

Четвертый класс - транспортирующие машины (автомобили, тракторы, конвейеры, подъемные краны и т.п.)

Отдельную группу составляют машины-автоматы, которые без участия человека выполняют все рабочие ми вспомогательные операции технологического процесса.

Машина состоит из деталей.

Деталь - такая часть машины, которую изготавливают без сборочных операций.

По назначению детали условно делятся:

Детали соединений (болты, винты, шестерни, звездочки, шкивы. Валы и муфты и т.п.)

Детали установочные сборочных единиц (картеры, корпуса и др.).

Узел представляет законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение.

Сборочная единица - изделие, состоящее из нескольких деталей, соединенных между собой с помощью сборочных или монтажных операций и имеющих общее функциональное назначение (подшипник, редуктор и др.)

Изучение взаимодействия этих деталей, критериев их работоспособности, выбор материалов - основа курса «Детали машин».

Во второй части курса «Основы конструирования» изучаются рациональные принципы и приемы расчета и конструирования, как отдельных деталей, узлов так и машины в целом.

Конструирование это творческий процесс, в результате которого из различных бесполезных деталей получается полезная машина или механизм необходимый людям.

К какой же конструкции машины необходимо стремиться? В связи с этим интересны требования высказанные конструктором самолетов Яковлевым.

Машина должна соответствовать пяти принципам- быть полезной, прочной, простой, понятной, приятной. И в хорошей конструкции всегда можно найти в той или иной мере выражение отмеченных принципов. В самолете, Эйфелевой, телевизионной Останкинской башне можно обнаружить привлекательность пол форме, рациональность геометрических соотношений в сочетании с законами сопромата т.п.

Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин – прочность, жесткость, износостойкость, коррозийная стойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций. Прочность бывает статическая и усталостная.

Жесткость – способность детали сохранять форму и размеры под нагрузкой.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию.

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров детали в результате трения.

Коррозионная стойкость – способность сопротивляться влиянию коррозии.

Коррозия – процесс постоянного разрушения поверхностных слоев материала в результате окисления.

Теплостойкость – способность детали работать в диапазоне заданных температур в течение заданного срока службы.

Виброустойчивость – способность детали не разрушаться при работе в определенном диапазоне вибрации.

Кроме того конструкция деталей должна допускать изготовление их из недорогих материалов, отвечать принципам унификации и взаимозаменяемости.

Все основные требования в конечном счете можно свести к двум требования_ машина должна быть надежной и экономичной.

Под надежностью понимают свойство деталей машины выполнять функции сохраняя свои эксплутационные характеристики во времени. Различают три периода от которых зависит надежность: конструирование, изготовление, эксплуатация машины.

Недостаточно продуманная на этапе проектирования конструкция не может быть надежной при её использовании.

Не обеспечение при изготовлении машины требований конструктора приведет к снижению надежности машины.

Можно хорошо сконструированную и хорошо изготовленную машину сделать малонадежной если не соблюдать заложенные конструктором требования по правилам эксплуатации, обслуживанию и т.п.

Надежность включает понятия:

Безотказность;

Ремонтопригодность;

Долговечность.

Безотказность- свойство машины сохранять работоспособность в течении определенного времени. Основным показателем является –вероятность безотказной работы. Количественная оценка базируется на статистических данных, которые собираются в период экспериментальной отработки и эксплуатации машины. Вероятность всегда меньше единицы. В соответствии с положениями теории о вероятности проявления нескольких независимых событий надежность сложного изделия равна произведению надежности отдельных элементов. Из этого можно сделать вывод:

Надежность сложной машины всегда будет меньше надежности самой надежной детали входящей в конструкцию машины;

Чем больше деталей, тем меньше надежность.

Так, если машина состоит из 100 сборочных единиц, надежность каждой из которых составляет 0,99 , то надежность машины F(t)= 0,99 100

Отказом, в общем виде, это нарушение работоспособности машины. Отказы следует отличать от неисправности, когда не обеспечивается хотя бы один показатель машины, но сохраняется её основная функция (автомобиль гремит, но везет). При этом необходимо иметь ввиду, что редкие отказы машины еще не показатель высокой надежности, так как в конечном виде не страшен сам отказ, а страшны его последствия (Чернобыль, падение самолета и т.п.)

В теории надежности используются в связи с отказами два понятия: функциональная и параметрическая надежность.

Функциональная - это когда машина продолжает выполнять свои основные функции (спущенное колесо, пробит бензобак и т.п.)

Параметрическая – когда в результате отказа машина не выполняет определенных параметров, которые необходимы для её полноценного функционирования.

Ремонтопригодность - характеризуется вероятностью восстановления работоспособности машины в заданное время и средним временем восстановления.

Чаще всего не страшен сам по себе отказ, как важно его быстрое устранение.

Требование повышения ремонтопригодности машины диктуется в любой отрасли промышленности, но в некоторых стоит на первом месте, потому что задержка в устранении отказа ведет к потере качества, а иногда и к аварии.

T p = T 1 + T 2 ,

T 1 -время поиска отказа; T 2 -время устранения отказа.

Для практики важно уменьшение обеих составляющих. Но часто время восстановления занимает в несколько десятков раз меньше, чем поиск, для которого требуется высокая квалификация и приборы. Для сокращения времени поиска необходимы схемы поиска неисправности, диагностики.

Сокращение времени восстановления достигается блочным ремонтом, резервированием, взаимозаменяемостью и т.п.

Долговечность-свойство машины сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т.е. состояния при котором дальнейшая эксплуатация невозможна. Количественно показателем надежности является ресурс или срок службы.

Обработка большой статистики надежности различных объектов выявили для всех систем единую качественную зависимость вероятности отказов от времени эксплуатации.

Выделяются три стадии рис.

Из рассмотренного выше можно сформулировать кратко требование к идеальной машине.

Машина должна в целом быть равнопрочной, равнонадежной, иметь ресурс, совпадающий с моральным ресурсом, когда машину не экономично ремонтировать и восстанавливать, а дешевле отправить в металлолом.

Блок 1. Соединения деталей

Детали, составляющие машину, связаны между собой тем или иным способом. Эти связи можно разделить на подвижные (шарниры, подшипники, зацепления) и неподвижные (резьбовые, сварные, шпоночные). Неподвижные связи в технике называют соединениями.

По признаку разъемности все виды соединений можно разделить на разъемные и неразъемные. Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения. Неразъемные соединения не позволяют разъединить детали без их повреждения. Применение неразъемных соединений обусловлено технологическими и экономическими требованиями. К этой группе соединений относятся заклепочные, сварные и соединения с натягом.

Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность. Необходимо стремиться к тому, чтобы соединение было равнопрочным и с соединяемыми деталями.

Экономический фактор играет первостепенную роль в конструировании.

Многие конструкторы считают, что экономически конструировать – значит уменьшать стоимость изготовления машины, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые материалы и наиболее простые способы обработки. Это только небольшая часть задачи. Главное значение имеет то, что экономический эффект определяется полезной отдачей машины и суммой эксплуатационных расходов за весь период работы машины. Стоимость машины является только одной, не всегда главной, а иногда и очень незначительной составляющей этой суммы.

Экономически направленное конструирование должно учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономичность машины, и правильно оценивать относительное значение этих факторов. Это правило часто игнорируют. Стремясь к удешевлению продукции, конструктор нередко добивается экономии в одном направлении и не замечает других, гораздо более эффективных путей повышения экономичности. Более того, часто экономия, осуществляемая без учета совокупности всех факторов, нередко ведет к снижению суммарной экономичности машин.

Главными факторами, определяющими экономичность машины, являются полезная отдача машины, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов.

Рентабельность машины q выражается отношением полезной отдачи машины От за определенный период к сумме расходов Р за тот же период:

Сумма расходов в общем случае складывается из стоимости расходуемой энергии, материалов и заготовок, инструмента, оплаты труда операторов, технического обслуживания, ремонта, накладных цеховых и заводских расходов, амортизационных расходов.

Величина q должна быть больше 1, иначе машина будет работать убыточно, и смысл ее существования утрачивается.

Экономический эффект. Годовой экономический эффект от работы строительной и дорожной машины (годовой доход)

(2)

Повышение отдачи может выражаться или в увеличении числа единиц продукции, или в увеличении стоимости каждой единицы (повышение качества продукции, увеличение объема операции, выполняемых над заготовкой).

Как общее правило, экономический эффект в наибольшей степени зависит от полез­ной отдачи и долговечности машины. Эти факторы должны стоять в центре внимания при конструировании машин. Столь же большое значение имеет надежность, определяющая объем и стоимость ремонтов, производимых за время эксплуатации машин.

На практике расходы на ремонт могут превышать в некоторых случаях стоимость машины в несколько раз. Иногда расходы на ремонт поглощают большую часть доходов, приносимых машиной, что делает эксплуатацию машины нерентабельной.

В настоящее время назрела задача перехода на безремонтную эксплуатацию; под ним понимают: устранение капитальных ремонтов; устранение восстановительного ремонта и замена его комплектационным ремонтом, осуществляемым сменой износившихся деталей, узлов и агрегатов; устранение вынужденных ремонтов, вызванных по­ломкой и износом деталей, систематическим прове­дением планово-предупредительных ремонтов.

Из сказанного выше отнюдь не следует, что конструктор может ослабить внимание к зада­че уменьшения стоимости машины. Как было показано, роль фактора стоимости зависит от категории машины и может быть значи­тельным у машин с малыми энергопотреблением и расходами на труд, а также у машин с относительно небольшим сроком службы. Необходимо только правильно оценивать значение этого фактора среди других факторов повышения экономичности и уметь поступиться им в случае, когда уменьшение стоимости вступает в противоречие с требованиями уве­личения полезной отдачи, долговечности и надежности.

Решение всех перечисленных выше задач следует положить в основу деятельности конструктора, который должен, во-первых, задавать тон в политике машиностроения, во-вторых, создавать конструкции, обеспечивающие увеличение экономической эффективности машины, сокращение эксплуатационных расходов и уменьшение стоимости машиностроительной продукции в целом.

Увеличение долговечности, как способ повышения численности машинного парка, объема продукции и энергонасыщенности народного хозяйства, несравненно выгоднее, чем простое увеличение выпуска машин, не сопровождае­мое повышением их долговечности.

Увеличение выпуска машин требует введения новых предприятий, расширения площадей и оборудования существующих предприятий или (способ экономически наиболее целесообразный) увеличения съема продукции с существующего оборудования путем интенсификации производственного процесса. В первом и втором случаях возрастают расходы на изготовление машин. Во всех случаях возрастают эксплуатационные расходы вследствие увеличения числа действующих машин.

Увеличение отдачи и долговечности машин, как правило, сопровождается относительно небольшим повышением стоимости машин и вместе с тем в связи с сокращением числа действующих машин уменьшает эксплуатационные расходы.

Однако увеличение годового выпуска машин еще не означает увеличения численности действующих машин и объема выпуска промышленной продукции. Возрастание годового производства машин характеризует рост экономики только в том случае, если оно сопровождается объективными данными о долговечности и качестве выпускаемых машин. Эти данные могут означать: прогресс, если долговечность машин сохраняется на постоянном уровне или повышается: застой, если долговечность снижается в такой же пропорции, в какой возрастает выпуск; регресс, если долговечность машин падает более существен­но, чем возрастает их выпуск.

Долговечность и техническое устаревание.

Повышение долговечности тесно связано с проблемой технического устаревания (морального износа) машин. Устаревание наступает, когда машина, сохраняя физическую работоспособность, по своим показателям перестает удовлетворять промышленность в силу повышения требований или появления более совер­шенных машин.

Признаками устаревания являются пониженные по сравнению со средним уровнем показатели надежности, качества продукции, точности операций, производительности, расхода энергии, стоимости труда, обслуживания и ремонтов и как общий результат – пониженная рентабельность машины. Главным последствием устаревания является снижение роста производительности на единицу рабочей силы, являющегося основным показателем экономического прогресса.

Наиболее действенное средство предупреждения устаревания – повышение степени использования машины в эксплуатации. Чем в более короткий срок машина отрабатывает заложенный в нее ресурс долговечности, т. е. чем ближе срок службы к долговечности, тем меньше вероятность ее устаревания. Сокращение срока службы до 3 – 4 лет практически гарантирует машину от устаревания.

Задача снижения срока службы при неизменной долговечности сводится к всемерной интенсификации использования машин.

Основные конструктивные предпосылки интенсификации: универсализация, т. е. расширение диапазона выполняемых машиной операций, обеспечивающее устойчивую загрузку машины; повышение надежности машин, приводящее к сокращению аварийных и ремонтных простоев.

Степень использования машин непериодического действия, например сезонных машин, можно повысить с помощью сменного, прицепного и навесного оборудования, способствующего увеличению продолжительности их работы в году.

Быстрота и степень устаревания зависят от масштаба и технического уровня производства. На предприятиях, ускоренно наращивающих темпы производства и непрерывно совершенствующих технологический процесс, машины устаревают гораздо скорее, чем на средних и мелких предприятиях, развивающихся медленнее.

Машины, устаревшие в условиях передового производства, можно использовать на менее ответственных участках или на предприятиях меньших масштабов и с меньшей машинной оснащенностью.

Важно, что они будут продолжать производство продукции до полного исчерпания механического ресурса. Пусть даже с рентабельностью, несколько пониженной по сравнению со средней народнохозяйственной.

Эксплуатационная надежность

Надежность машины складывается из следующих признаков: высокая долговечность, безотказность действия, безаварийность, стабильность действия (способность длительно работать без снижения исходных параметров и выдерживать перегрузки), малый объем операций обслуживания и ухода, простота обслуживания, живучесть (способность при частичных повреждениях продолжать некоторое время работу, хотя бы на сниженных режимах), устранимость повреждений (сохранение ремонтопригодности), большие межремонтные сроки, малый объем ремонтных работ.

Пути повышения надежности. Надежность машин в первую очередь определяется прочностью и жесткостью конструкции.

Безаварийность работы и длительность межремонтных сроков во многом зависит от правильности эксплуатации, бережного отношения к машине, тщательного ухода, своевременной профилактики, предотвращения перегрузок. При этом условия правильной эксплуатации машины должны быть заложены в ее конструкции. Необходимо обеспечить надежную работу даже в условиях недостаточно квалифицированного обслуживания. Если машина портится в неумелых руках, это значит, что конструкция недостаточно продумана в отношении ее надежности.

Субъективный фактор в обслуживании и управлении машиной следует по возможности исключать, а операции ухода сводить к минимуму.

Устранению подлежат периодические операции регулирования, подтяжки, смазки и т. п.. которые при недостаточно внимательном обслуживании могут стать причиной повышенного износа и преждевременного выхода машины из строя.

Например, в двигателях внутреннего сгорания регулирование зазоров в клапанном механизме можно устранить введением автоматических компенсаторов износа и тепловых расширений (гидравлического или иного типа). Это не только упрощает уход; обеспечивая практически беззазорную работу клапанного механизма, компенсаторы вместе с тем существенно повышают его долговечность.

Устранима периодическая подтяжка коренных и шатунных подшипников коленчатого вала двигателей. Современное состояние смазочной техники позволяет создать подшипники, работающие практически неограниченное время при минимальном износе. Периодическая подтяжка ослабевающих в эксплуатации гаек и болтов устранима применением современных самоконтрящихся конструкций резьбовых соединений.

Существенно усложняет эксплуатацию машин нерациональная система смазки, требую­щая постоянного внимания со стороны обслуживающего персонала. Периодической смазки следует, безусловно, избегать. Если этого сделать нельзя по конструктивным условиям, то необходимо применять самосмазывающиеся опоры или вводить систему централизованной подачи смазочного материала ко всем трущимся узлам с одного поста.

Наилучшее решение с точки зрения надежности и удобства эксплуатации – это полностью автоматизированная система смазки, не требующая периодической смены масла. Это достижимо, если предусмотреть меры, противодействующие окислению и тепловому перерождению масла иобеспечивающие непрерывную очистку и регенерацию масла.

В системы смазки необходимо вводить аварийные устройства, обеспечивающие подачу масла, хотя бы в минимальных количествах, при выходе из строя главной системы.

Одним из приемов увеличения эксплуатационной надежности является дублирование обслуживающих устройств, в работе которых чаще всего случаются перебои. Примером может служить дублирование системы зажигания бензиновых двигателей, а также систем автоматического управления. В тех случаях, когда требуется полная безотказность действия, от которой зависит жизнь людей (космические корабли), применяют многократное дублирование систем управления.

В комплексе мероприятий, обеспечивающих эксплуатационную надежность машины, большую роль играет автоматическая защита от случайных или преднамеренных перегрузок предохранительными устройствами, работающими на стерегущем режиме и вступающими в действие при перегрузке машины.

Наиболее целесообразна полная автоматизация управления, т.е. превращение машины в самообслуживающийся, саморегулирующийся и самонастраивающийся на оптимальный режим работы агрегат.

Примером являются самопереключающиеся коробки передач и трансмиссии автомобиля с бесступенчатым регулированием передаточного отношения от двигателя к ходовому механизму. Система автоматически устанавливает оптимальное передаточное отношение для данных условий езды, профиля и состояния дороги, что увеличивает экономичность и улучшает технический ресурс.

Высокой надежности машин можно достичь только комплексом конструктивных, технологических и организационно-технических мероприятий. Повышение надежности требует длительной, повседневной, скрупулезной, целенаправленной совместной работы конструкторов, технологов, металлургов, экспериментаторов и производственников, ведущейся по тщательно разработанному и последовательно осуществляемому плану.

Непременным условием выпуска качественной продукции является прогрессивная технология изготовления, высокая культура производства, строгое соблюдение технологического режима и тщательный контроль продукции на всех стадиях изготовления, начиная с операций изготовления деталей и кончая сборкой изделия.

Наибольшие трудности представляет объективная оценка показателей надежности и стоимости эксплуатации. Эти показатели можно достоверно выяснить только через длительный промежуток времени, притом на продукции, вышедшей за стены завода-изготовителя и разбросанной в различных, порой отдаленных местах эксплуатации.

В этих условиях приобретают важное значение методы ускоренного определения долговечности деталей, узлов, агрегатов и машины в целом. Большую помощь могут оказать лаборатории долговечности для систематического ресурсного испытания продукции.

Следует шире применять метод моделирования эксплуатационных условий, заключающийся в стендовых или эксплуатационных испытаниях машины на форсированном режиме в условиях, заведомо более тяжелых, чем нормальная работа машины. В этом случае машина осуществляет в сжатые сроки цикл, который при нормальной ее работ те длится несколько лет. Испытания проводят до наступления предельного износа или даже до полного или частичного разрушения машины, периодически их приостанавливая для замера износов, регистрации состояния деталей и определения признаков приближения аварии.

Подобные жесткие испытания позволяют обнаружить недостатки конструкции и принять меры к их устранению. Ускоренные испытания дают также достаточно надежный исходный материал для оценки реальной долговечности машины.

Доводка машин в эксплуатации. В целях создания надежных машин необходимо тщательно изучать опыт эксплуатации. Работа конструкторских организаций над машиной не должна заканчиваться государственными испытаниями опытного образца и сдачей машины в серийное производство.

Доводка машины по существу начинается только после ввода ее в эксплуатацию. Эксплуатационная проверка лучше всего позволяет обнаружить и устранить слабые места конструкции.

Недостатки машины особенно наглядно выясняются при ремонте. Поэтому обязательна тесная и непрерывная связь конструктора с ремонтными предприятиями. Заводам-изготовителям массовой и крупносерийной продукции полезно иметь собственные ремонтные подразделения как лаборатории изучения машин и школы конструирования.

При изучении дефектов следует различать случайные дефекты и систематические. Случайные дефекты обычно обусловлены неудовлетворительным контролем и недостаточной технологической дисциплиной на заводе-изготовителе. Систематические дефекты свидетель­ствуют о неудовлетворительной конструкции машины и требуют незамедлительного внесения исправлений в выпускаемые машины.

Стоимость машины. Снижение стоимости машиностроительной продукции представляет комплексную задачу: производственную и конструкторскую. Основную роль играет рационализация производства (механизация и автоматизация производственных процессов, концентрация технологических операций, специализация заводов, производственное коопе­рирование и др.).

Большое значение имеет уменьшение числа типоразмеров машины рациональным выбором типажа и ее параметров, что позволяет повысить серийность производства с выигрышем в стоимости изготовления. Это тоже конструкторская задача.

Важно обеспечить технологичность конструкции. Под технологичностью понимают совокупность признаков, обеспечивающих наиболее экономичное, быстрое и производительное изготовление машин с применением прогрессивных методов обработки при одновременном повышении качества, точности и взаимозаменяемости частей.

В понятие технологичности следует ввести также признаки, обеспечивающие наиболее производительную сборку изделия (технологичность сборки) и наиболее удобный и экономичный ремонт (технологичность ремонта).

Технологичность зависит от масштаба и типа производства. Единичное и мелкосерийное производство предъявляют к технологичности одни требования, крупносерийное и массовое – другие. Признаки технологичности специфичны для деталей различных групп изготовления.

Большой экономический эффект дают унификация и стандартизация деталей, узлов и агрегатов.

Унификация. Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокращению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуатации и ремонта машин.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней (в пределах данного изделия) и внешней (заимствование деталей с иных машин данного или смежного завода).

Наибольший экономический эффект дает заимствование деталей и агрегатов серийно изготовляемых машин, когда детали и агрегаты можно получить в готовом виде. Заимствование деталей машин единичного производства, машин, снятых или подлежащих снятию с производства, а также находящихся в производстве на предприятиях других ведомств, когда получение деталей невозможно или затруднительно, имеет только одну положительную сторону: проверенность деталей опытом эксплуатации. Во многих случаях и это оправдывает унификацию.

Унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных деталей, подшипников качения и других стандартных деталей облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприятий материалами, стандартными покупными изделиями.

Стандартизация. Стандартизация есть регламентирование конструкции и типоразмеров широко применяемых машиностроительных деталей, узлов и агрегатов.

Почти в каждой специализированной проектной организации стандартизируют типовые для данной отрасли машиностроения детали и узлы. Стандартизация ускоряет проектирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин и при целесообразной конструкции стандартных деталей способствует увеличению надежности машин.

Стандартизация дает наибольший эффект при сокращении числа применяемых типораз­меров стандартов, т. е. при их унификации. В практике проектных организаций эта задача решается выпуском ограничителей, содержащих минимум стандартов, удовлетворяющих потребностям проектируемого класса машин.

Преимущества стандартизации реализуются в полной мере при централизованном изготовлении стандартных изделий на специализированных заводах. Это разгружает машиностроительные заводы от трудоемкой работы изготовления стандартных изделий и упрощает снабжение ремонтных предприятий запасными частями.

Применение стандартов не должно стеснять творческую инициативу конструктора и препятствовать поискам новых, более рациональных конструктивных решений. При конструировании машин не следует останавливаться перед применением новых решений в областях, охватываемых стандартами, если эти решения имеют явное преимущество.

Образование производных машин на базе унификации

Унификация представляет собой эффективный и экономичный способ создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности и т. д. или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции, а также рассчитанных на выпуск другой продукции.

В настоящее время существует несколько направлений решения этой задачи. Не все они являются универсальными. В большинстве случаев каждый метод применим только к определенным категориям машин, причем их экономический эффект различен.

Секционирование

Метод секционирования заключается в разделении машины на одинаковые секции и образовании производных машин набором унифицированных секций.

Секционированию хорошо поддаются многие виды подъемно-транспортных устройств (ленточные, скребковые, цепные конвейеры). Секционирование в данном случае сводится к построению каркаса машин из секций и составлению машин различной длины с новым несущим полотном. Особенно просто секционируются машины со звеньевым несущим полотном (ковшовые элеваторы, пластинчатые конвейеры с полотном на основе втулочных роликовых цепей), у которых длину полотна можно изменять изъятием или добавлением звеньев.

Экономичность образования машин этим способом мало страдает от введения отдельных нестандартных секций, которые могут понадобиться для приспособления длины машины к местным условиям.

Секционированию поддаются также дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гидравлические насосы. В последнем случае набором секций можно получить ряд многоступенчатых насосов различного напора, унифицированных по основным рабочим органам.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет

путей сообщения (МИИТ)

МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Курсовой проект по дисциплине

«Детали машин и основы конструирования»

Пояснительная записка

СТ. КПДМ. 008 П3

Руководитель Гвоздев В. Д. / /

Исполнитель

студент гр. ТДМ-311 Кузьмина В.Ф. / /

Введение

1. Техническая характеристика привода

2. Кинематический и силовой расчеты привода

3. Описание конструкции редуктора

4. Расчет клиноременной передачи

5. Расчет зубчатых колес

6. Проектный расчет цилиндрической шевронной передачи

7. Проверочный расчет шевронной зубчатой передачи

8. Конструкция и проектный расчет валов

9. Конструкция и расчет размеров зубчатых колес

10. Выбор смазочных материалов

11. Конструирование и расчет размеров корпуса редуктора

12. Проверочный расчет валов

13. Проверочный расчет подшипников качения

14. Конструирование подшипниковых узлов

15. Выбор муфт

16. Расчет на усталостную прочность

17. Расчет шпоночных соединений

Список литературы

Введение

привод редуктор конструирование зубчатый

Механический привод разрабатывается в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема привода: 1 - электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 -цилиндрический редуктор; 4 - муфта; 5 - барабан

Механический привод работает по следующей схеме: вращающий момент с электродвигателя (1) через ременную передачу (2) передаётся на быстроходный вал редуктора (3). Редуктор понижает число оборотов и увеличивает вращающий момент, который через муфту (4) передается на исполнительный механизм (5). Редуктор состоит из одной ступени. Ступень выполнена в виде шевронной цилиндрической передачи.

Достоинством данной схемы привода являются малые обороты и большой момент на выходном валу редуктора.

Исходные данные для расчёта:

1. Синхронная частота вращения электродвигателя n сх = 1500 мин -1 ;

2. Частота вращения на выходе n б = 180 мин -1 ;

3. Вращающий момент на выходе T б = 312 Нм;

4. Срок службы привода L г = 4000 ч;

Переменный характер нагружения привода задан гистограммой, изображённой на рисунке 2.

Рисунок 2 -Гистограмма нагружения привода: Относительная нагрузка: k 1 =1 ; k 2 =0,8 ; k 3 =0,5 . Относительное время работы: l 1 =0,2 ; l 2 =0,6 ; l 3 =0,2 . Характер нагрузки: спокойная.

1. Техническая характеристика привода

1.1 Электродвигатель 4А132 S 4 ГОСТ 19523-81

Мощность Р ДВ = 7,5 кВт;

Частота вращения вала n ДВ = 1455 мин -1 ;

Величина скольжения S = 3% ;

Отношение пускового момента к номинальному;

Диаметр вала двигателя d = 38мм.

1.2 Муфта упругая втулочно-пальцевая 500-40- I 1 ГОСТ 21424-75

Номинальный вращающий момент: Т = 500 Н м;

Допускаемая частота вращения: n = 3800 мин -1 ;

Диаметр на вал электродвигателя: d 1 = 38 мм;

Диаметр на вал редуктора: d 2 = 40 мм;

Внешний диаметр муфты: D = 170 мм;

Рабочая длина на валу редуктора: l = 80 мм.

1.3 Одноступенчатый цилиндрический шевронный редуктор

КПД редуктора: з ред = 0,96;

Передаточное число редуктора: u р = 2,69

Частота вращения валов редуктора: n Б = 485 мин -1 , n Т = 180 мин -1

Вращающие моменты на валах: Т Б = 119,5 Н м, Т Т = 315,15 Н м;

Габариты редуктора:

Длина: 355 мм,

Ширина: 408 мм,

Высота: 260 мм.

1.4. Привод.

КПД привода: з пр = 0,89;

2. Кинематический и силовой расчёты привода

2.1 Определяем КПД привода

з пр = з р.п · з ред · з м з п (1)

з р.п = 0,95;

где з пр - КПД привода;

з р.п - КПД ременной передачи;

з ред - КПД редуктора;

з м - КПД соединительной муфты;

з п - КПД пары подшипников.

з пр = 0,95 · 0,97 · 0,98 0,99= 0,89.

Определяем КПД редуктора:

где з шп - КПД шевронной передачи

з n - КПД пары подшипников; з n = 0,99

2.2 Находим треб уемую мощность электродвигателя

2.3 Выбираем электродвигатель 4А132 S 4 ГОСТ 19523-81 , мощность которого

Р дв = 7,5 кВт

Величина скольжения

Частота вращения вала двигателя:

2.4 Вычисляем требуемое передаточное отношение привода

2.5 Производим разбивку передаточного отношения по ступеням привода

U ред == 2 ,69

2.6 В ычисляем частоты вращения валов

Вал двигателя: n дв =1455

Быстроходный вал редуктора:

Тихоходный вал:

2.7 Вычис ляем вращающие моменты на валах

Тихоходный вал редуктора:

Т тих =Т исп / з м = 312/0,99=315,15 Н м (9)

Быстроходный вал:

Т бх =(Т тих /U р)/ з р =(315/2,69)/(0,99 2)=119,5 Н м (10)

Вал двигателя:

Т дв =Т бх /(U р.п / з р.п)=119,5/(3/0,95)=37,93 Н м (11)

3 . Описание конструкции редуктора

Рисунок 3.- Конструкция редуктора.

Конструкцию редуктора составляет шевронная цилиндрическая передача.

В качестве опор быстроходного вала (13) используем подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами легкой серии (34), так как они предназначены для восприятия радиальных и небольших осевых нагрузок; фиксируют положение вала относительно корпуса в двух осевых направлениях. Благодаря способности самоустанавливаться они допускают несоосность посадочных мест (перекосы) до 2 - 3є.

В качестве опоры тихоходного вала (8) принимаем подшипники радиальные легкой серии (33), так как они воспринимают радиальные и ограниченные осевые нагрузки, действующие в обоих направлениях вдоль оси вала. Подшипники допускают перекосы валов до 10"; по сравнению с подшипниками других типов имеют минимальные потери на трение; фиксируют положение вала относительно корпуса в двух направлениях, наиболее дешевые и распространенные на рынке.

Валы выполняем ступенчатыми, для удобства посадки на них деталей.

На тихоходном валу установлено шевронное колесо (7) . Шестерню выполняем за одно целое с валом, так как качество вала - шестерни (13) выше, а стоимость изготовления ниже, чем вала и насадной шестерни.

Подшипники закрепляются в корпусе (18) и крышками подшипниковых гнезд.

Наружные кольца подшипников быстроходного вала упираются в крышки подшипниковых гнезд быстроходного вала (11) и (13). В крышке (11) имеется отверстие для выхода хвостовика быстроходного вала и установлена резиновая армированная манжета (32) для предотвращения протекание масла через это отверстие.

Подшипниковые гнезда тихоходного вала закрываются крышками (10) и (5). В крышке (5) имеется отверстие для выхода хвостовика тихоходного вала и установлена резиновая армированная манжета (31) для предотвращения протекание масла через это отверстие.

Все крышки подшипниковых гнезд затягиваются винтами (20). Между крышками и корпусом установлены прокладки (4) и (9) для предотвращения протекания масла.

Корпус редуктора выполняем разъемным, состоящим из крышки и основания. Изготавливаем корпус литьем из серого чугуна СЧ 15.

Для установки редуктора на фундаментной плите или раме в основании корпуса (18) имеется четыре отверстия под фундаментные болты.

Для фиксации крышки и основания корпуса друг относительно друга, используется два конических штифта (30), устанавливаемых без зазора.

Для смазки зубчатых передач и подшипников редуктора используем масло И-30 А. Объем масла - 1,75 л.

Для заливки масла и осмотра редуктора, в крышке корпуса предусмотрено отверстие, закрываемое крышкой.

Для контроля уровня масла, в основании корпуса установлен жезловый маслоуказатель.

Для удаления масла и промывки редуктора в нижней части корпуса сделано отверстие, закрываемое пробкой с цилиндрической резьбой.

4 . Расчет клиноременной передачи

Определяем максимальный крутящий момент

Выбираем диаметр ведущего шкива из стандартного ряда: D 1 =135 мм

Определяем диаметр ведомого шкива.

D 1 =0,985 3,00 135=398,9 мм. (14)

Полученный результат округляем до стандартного значения.

Уточняем передаточные числа:

Следовательно, окончательно принимаем размеры шкивов полученных после округления.

Определяем межосевое расстояние

где h - высота ремня, мм

Длина ремня определится как

где - среднее значение.

Принимаем ближайшее стандартное значение l из ряда длин ремней. l = 1800 мм.

Корректируем межосевое расстояние

Определяем угол охвата малого шкива

Находим линейную скорость ремня

Определяем расчетную мощность передаваемую одним ремнем

где - мощность, передаваемая одним ремнем

0,91 - коэффициент угла обхвата

0,95 - коэффициент длины ремня

1,14 - коэффициент передаточного отношения ременной передачи

1,2 - коэффициент режима работы

Определяем требуемое число ремней в передаче

где =0,95 - коэффициент числа ремней

Принимаем z=4.

Рассчитываем силу предварительного натяжения одного ремня

Радиальная сила, действующая на выходной конец вала

Частота пробегов ремня

Конструкция шкивов и их размеры

Шкивы изготавливаем литыми из чугуна марки СЧ 15. Шкивы состоят из обода, на который надевают ремень, ступицы для установки шкива на вал. Шкив изготавливаем с диском, в котором предусматриваем отверстия круглой формы для уменьшения массы и удобства крепления шкива на станке при его механической обработке.

Ширина шкива

где z - число ремней.

Толщина обода (28)

Принимаем

Толщина диска (29)

Принимаем С=18 мм.

Диаметр ступиц (30)

Длина ступиц (31)

Принимаем

Диаметр выступов шкива (32)

5 . Расчёт зубчатых передач

5 .1 Выбор материалов

Принимаем для изготовления среднеуглеродистую конструкционную сталь с термообработкой нормализация или улучшение, что позволяет производить чистовое нарезание зубьев с высокой точностью после термообработки.

Такие колеса хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Такой тип колес наиболее приемлем в условиях индивидуального и мелкосерийного производства.

Шестерня - сталь 45, термообработка - улучшение;

(192…240) НВ,НВ=230

Колесо - сталь 45, термообработка - нормализация;

(170…217)НВ,НВ=200

5 .2 Вычисление базового значения предела выносливости

а) для контактных напряжений

Для термообработки улучшение и нормализация

у н limb=2·HB+70 (33)

Для шестерни:

у н limb 1 = 2·230 + 70 = 530 МПа.

Для колеса:

у н limb 2 = 2·200 + 70 = 470 МПа

б) для напряжений изгиба

у 0 F limb= 1,8 НВ; (34)

у 0 F limb1= 1,8 · 230 = 414 МПа;

у 0 F limb2= 1,8 · 200 = 360 МПа.

5 .3 О пределение базового числа циклов переменных напряжений

N H 0 =30HBср 2,4 (35)

N HO 1 =30 216 2,4 =1,201 10 7 МПа

N HO 2 =30 194 2,4 =0,92 10 7 МПа

5 .4 Определение фактического числа циклов перемены напряжений

По контактным напряжениям:

по напряжениям изгиба:

где m - показатель степени кривой усталости. При твёрдости меньше 350НВ m = 6.

N FE 2 =N FE 1 =4,19 10 7

5 .5 Вычисление коэффициент а долговечности

по контактным напряжениям.

Для шестерни:

Так как N НЕ1 > N Н01 , то принимаем K HL 1 =1;

Для колеса:

Так как N НЕ2 > N Н02 , то принимаем K HL 2 =1.

по напряжениям изгиба.

Так как N FE 1 > 4 10 6 и N FE 2 > 4 10 6 , то принимаем K FL 1 =1 и K FL 2 =1.

5 .6 . Определение допускаемых контактных напряжений

Коэффициент запаса.

При термообработке нормализация и улучшение принимаем

Для шевронных передач

Так как, то принимаем МПа.

5 .7 Определение допускаемых напряжений изгиба

где - коэффициент, зависящий от вероятности безотказной работы. Принимаем = 1,75

Коэффициент, зависящий от способа изготовления заготовки, Для штамповки = 1,0

6 . Проектный расчет цилиндрической шевронной передачи

6 .1 Определение межосевого расстояния из условия обеспе чения контактной прочности зуба

Предварительно принимаем К Н = 1,2

Ш ba -ширина зубчатого венца;

Принимаем для прямозубой передачи Ш ba = 0,5

Принимаем ближайшее стандартное значение а W ГОСТ =125 мм

6 .2 Определение модуля зацепления

m n =(0,01…0,02)·а W =(0,01…0,02)·125=1,25…2,5 мм

принимаем m n =2,5 мм .

6 . 3 Определение основных параметров зубчатых колес

Назначаем угол наклона зубьев в = 30є

Определяем число зубьев шестерни и колеса б w

6 .4 Рассчитываем геометри ческие параметры зубчатых колес

Уточняем угол наклона зубьев:

Диаметры делительных окружностей:

Диаметры окружностей вершин:

d а1 =d 1 +2 m n = +2 2,5=73,965 мм (48)

d а2 =d 2 +2 m n = +2 2,5=186,034 мм (49)

Диаметры окружностей впадин:

d f 1 = d 1 - 2,5·m n = - 2,5·2,5 = 62,715 мм; (50)

d f 2 = d 2 - 2,5·m n = - 2,5·2,5 = 174,784 мм; (51)

Ширина зубчатого венца:

b 2 = Ш ba б w =0,5 125=63 мм (52)

b 1 =b 2 +5=63+5=68 мм (53)

6 .5 Вычисление окружной скорости в зацеплении

Назначаем 9 степень точности зубчатых колес по ГОСТ 1643-81

6 .6 Оп ределение коэффициента нагрузки

K H =K Hв ·K Hб ·K HV =1,04 1,1 1=1,144 ; (55)

где K Hб - коэффициент неравномерности нагрузки между зубьями;

K Hб =1,1

K HV - коэффициент динамической нагрузки,

K HV =1

К Hв =1,04

7 . Проверочный расчет шевронной зубчатой передачи

7 .1 Вычисляем фактические контактные напряжения

Принимаем b 2 = 70 мм, b 1 =75 мм; тогда у Н = 431 Мпа,

и уточняем Ш bd = b 2 /d 1 = 70/ = 1,01 .

7 .2 Определение коэффициент а нагрузки

Для отношения Ш bd = b 2 /d 1 = 70/ = 1,01 , при симметричном расположении колес относительно опор, К Н в = 1,04

7 . 3 Проверка зубьев на выносливость по напряжени ям изгиба

Для отношения Ш bd = b 2 /d 1 = 70/ = 1,01 , при симметричном расположении колес относительно опор, К Fв =1,10;

Принимаем К Fх = 1,1

Уточняем коэффициент нагрузки:

К F = К Fв · К Fх = 1,1· 1,1 = 1,21 ; (58)

Вычисляем коэффициент торцового перекрытия е б:

Определение коэффициента, учитывающего многопарность зацепления:

Определение коэффициента, учитывающего наклон контактной линии:

Определение эквивалентного числа зубьев:

Y F - коэффициент, учитывающий форму зуба;

Y F 1 = 3,70

Y F 2 = 3,6

Вычисление напряжения изгиба:

МПа < [у] F 1 ;

МПа < [у] F 2 ;

7 .4 Выполнение проверочного расчет а на статическую п рочность от действия перегрузок

Определение коэффициента перегрузки:

Определение контактного напряжения:

у Hmax = у H · = 431· = 649 МПа; (66)

Определение изгибных напряжений:

у Fmax 1 = у F 1 · К max = 49 · 2,27 = 111,3 МПа; (67)

у Fmax 2 = у F 2 · К max = 51 · 2,27 = 115,8 МПа. (68)

Для термообработки улучшение и нормализация:

[у] Hmax = 2,8 · у Т (69)

[у] Fmax = 0,8 · у Т (70)

где у Т - предел текучести материала.

Для колеса у Т = 340 МПа;

[у] H 2 max = 2,8 · 340 = 952 МПа > у Hmax ;

[у] F 2 max = 0,8 · 340 = 272 МПа > у F 2 max ;

Условие статической прочности выполняется.

8 . Конструкция и проектный расчет валов

Валы изготавливаем из стали 45. Назначаем термообработку улучшение.

8 .1 Расчет быстроходного вала

Для выполнения быстроходного вала принимаем ступенчатую конструкцию. Такой выбор облегчает установку подшипников и уплотнения на валу. Для уменьшения концентрации напряжений и облегчения изготовления вала, на переходных участках выполняем галтели, радиусом r = 1 мм. На концах вала выполняем фаску С =2,5 мм.

Конструкция быстроходного вала показана на рисунке 4.

Рисунок 4. - Быстроходный вал.

Определяем значение диаметра хвостовика быстроходного вала.

Полученный результат округляем до ближайшего большего значения из стандартного ряда. Принимаем d хв1 = 32 мм.

Принимаем длину хвостовика l хв = 80 мм.

Для соединения вала со шкивом ременной передачи используем шпоночное соединение.

Выбираем шпонку 10x8x70 ГОСТ 23360-78.

где h ш - высота шпонки

Принимаем t 1 =5 мм и h ш =8 мм.

d y 1 ?32 + (8 - 5) =35 мм. (73)

Принимаем d y 1 =35 мм под стандартное уплотнение.

Принимаем значение диаметра вала под подшипник d n 1 =35 мм. Примем роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами легкой серии №2207 ГОСТ 8328-75.

Определяем диаметр вала под шестерню.

Из условия того, что подшипник упирается в заплечик вала, принимаем диаметр вала под шестерню больше d n 1 .

d ш1 = d n + 2·f + 2 = 35 + 2·2 + 2 = 41 мм, (74)

где f = 2 - размер фаски на внутреннем кольце роликоподшипника серии № 2207 ГОСТ 8328-75.

Для уменьшения количества точно обрабатываемых поверхностей, повышения жесткости шестерню выполняем вместе с валом

Выполняем фаску на шестерне n = 0,6 мм.

§ Диаметр хвостовика: n6.

§ Диаметр под подшипник: k6.

§ Хвостовика: Rа = 0,8 мкм.

§ Торцов заплечика вала, в которые упираются подшипники:

Rа = 2,5 мкм.

§ Шпоночного паза: Rа = 3,2 мкм.

§ Канавки, фаски,радиусы галтелей на валах: Rа = 6,3 мкм.

· Допуск перпендикулярности торца вала, чтобы уменьшить перекос колец подшипников и искажение геометрической формы дорожки качения внутреннего кольца подшипника: 0, 012

· Допуск цилиндричности посадочных поверхностей под подшипник, чтобы ограничить концентрацию давлений: 0,008

· Допуск соосности посадочной поверхности для шкива, чтобы снизить дисбаланс вала и деталей, установленных на этой поверхности:0,030

8 .2 Расчет тихоходного вала

Для выполнения тихоходного вала принимаем также ступенчатую конструкцию. Установку колеса на вал производим механической сборкой. Для уменьшения концентрации напряжений и облегчения изготовления вала, на переходных участках выполняем галтели, радиусом r = 1 мм. На концах вала выполняем фаску С =2,5 мм.

Конструкция тихоходного вала показана на рисунке 5.

Рисунок 5.- Тихоходный вал.

Определяем значение диаметра хвостовика тихоходного вала.

Принимаем d хв2 = 40 мм, согласно выбранной муфте.

Принимаем длину хвостовика l хв = 82 мм, равной длине посадочной поверхности муфты.

Для передачи вращения от хвостовика вала к муфте используем шпоночное соединение.

Длину шпонки принимаем на 10 мм меньше длины хвостовика вала.

Выбираем шпонку 12x8x70 ГОСТ 23360-78.

Находим значение диаметра вала под уплотнение.

где h ш - высота шпонки

t 1 - глубина шпоночного паза на хвостовике.

Принимаем t 1 =5 мм и h ш =12 мм.

d y 2 ?40 + (12 - 5) = 47 мм. (77)

Принимаем d y 2 =48 мм под стандартное уплотнение.

Принимаем значение диаметра вала под подшипник d n 2 =50 мм.Принимаем шарикоподшипники легкой серии № 210 ГОСТ 8338-75

Принимаем диаметр вала под колесо. Из условия того, что подшипник упирается в заплечик вала, принимаем диаметр вала под шестерню больше d n 2 .

d к2 = d n 2 + 2·f + 2 = 50 + 2·2 + 2 = 56 мм, (78)

где f = 2,5 - размер фаски на внутреннем кольце радиального шарикоподшипника № 210 ГОСТ 8338-75.

Полученный результат округляем до ближайшего большего значения из стандартного ряда. d к2 = 56 мм.

Для передачи вращения от зубчатого колеса к валу, используем шпоночное соединение.

Выбираем шпонку 16x10x90 ГОСТ 23360-78.

Определяем параметры шпоночного паза на диаметре вала под колесо.

t 1 = 6,0 мм - глубина шпоночного паза,

b = 16 мм - ширина шпоночного паза.

Определяем значение диаметра заплечика вала.

Из условия, что зубчатое колесо упирается в заплечик вала, выполняем диаметр заплечика вала больше диаметра вала под колесо.

d З2 = d к32 + 2 · f +2 = 56 + 2 · 2 + 2 = 63 мм, (79)

где f = 2 мм - фаска на зубчатом колесе.

Для выхода шлифовального круга изготавливаем канавку

d k = d n 2 -1=50-1=49 мм (80)

§ Диаметр хвостовика: n6.

§ Диаметр под уплотнение: d11.

§ Диаметр под подшипник: k6.

§ Диаметр под зубчатое колесо: p6.

§ Под зубчатое колесо: Rа = 0,8 мкм.

§ Хвостовика: Rа = 0,8 мкм.

§ Под подшипники: Rа = 1,25 мкм.

§ Под уплотнение: Rа = 0,32 мкм.

§ Торца заплечика вала, в который упирается зубчатое колесо:

Rа = 3,2 мкм.

§ Торца заплечика вала, в который упирается левый подшипник:

Rа = 1,6 мкм.

§ Шпоночных пазов: Rа = 3,2 мкм.

§ Канавки, фаски, радиусы галтелей: Rа = 6,3 мкм.

· Допуск перпендикулярности торца вала в месте установки подшипника, чтобы уменьшить перекос колец подшипников и искажение геометрической формы дорожки качения внутреннего кольца подшипника: 0, 025 мм.

· Допуск цилиндричности посадочной поверхности вала в месте установки на него зубчатого колеса, чтобы ограничить концентрацию давлений:0,010 мм.

· Допуск цилиндричности посадочных поверхностей под подшипник, чтобы ограничить концентрацию давлений: 0,005 мм.

· Допуск соосности посадочной поверхности для полумуфты, чтобы снизить дисбаланс вала и деталей, установленных на этой поверхности:0,041 мм.

· Допуск соосности посадочной поверхности под подшипник, чтобы ограничить перекос колец подшипников качения:

· Допуск симметричности шпоночного паза для обеспечения возможности сборки вала с устанавливаемой на нем деталью и равномерного контакте поверхностей шпонки и вала: 0,008мм.

· Допуск параллельности шпоночного паза: 0,002 мм.

9 . Конструирование и расчет размеров зубчатых колес

9.1 Конструирование шеврон ного колеса

Шестерню выполняем за одно целое с валом, так как качество вала шестерни оказывается выше, а стоимость изготовления ниже, чем вала и насадной шестерни.

d а1 = 73,965 мм,

d f 1 =62,715 мм,

l ст = b 2 +a= 75+38 = 113 мм, (81)

h=2,5m=2,5 2,5=6,25 мм. (82)

9 .2 Конструирование шевронного колеса тихоходного вала

Косозубое колесо изготавливаем свободной ковкой, с последующей токарной обработкой. Для упрощения этих технологических операций выполняем колесо в виде цельного диска.

Устанавливаем колесо на валу посадкой с натягом (H7/p6).

Поверхность под сопряжение с валом подвергаем шлифованию.

Для удобства монтажа шевронного колеса на вал выполняем фаску f = 2,5 мм. На вершинах зубьев принимаем фаску n = 1,25 мм. Ширину канавки определяем в зависимости от модуля m. Принимаем а=38 мм.

Конструкция шевронного колеса показана на рисунке 6.

Выполняем шевронное колесо с симметричной ступицей. Такое технологическое решение придает большую устойчивость колеса на валу и увеличивает жесткость самого вала.

Определяем диаметр ступицы d ст = 1,6·d в =1,6· 56 = 89,6 мм; (83)

Определяем длину ступицы l ст = b 2 +a= 70+38 = 108 мм;

Принимаем l ст = 108 мм;

Определяем толщину диска C=(0,3…0,35)(b 2 +a)=32,4…37,8. (84)

Принимаем С=33мм.

Определяем ширину торцов зубчатого венца: S=2,2m+0,05(b 2 +a)=5,5+5,4=9,9 мм. (85)

Рисунок 6. - Зубчатое колесо: d= мм, d а =186,034 мм, d f =174,784 мм;

§ Диаметр на вал: H7.

§ Диаметр окружности вершин: h9.

§ Ширина шпоночного паза: JS9.

§ Торцов шпоночного паза: Rа = 1,6 мкм.

§ Нерабочей поверхности шпоночного паза: : Rа = 3,2 мкм.

§ Посадочного отверстия: Rа = 1,6 мкм.

§ Торцовой поверхности колеса: Rа = 3,2 мкм.

§ Рабочих поверхностей зубьев: Rа= 1,25 мкм.

§ Свободные торцовые поверхности зубчатого колеса: Rа = 6,3 мкм.

· Допуск цилиндричности посадочного отверстия, чтобы ограничить концентрацию контактных напряжений: 0,015 мм.

· Допуск перпендикулярности торцовой поверхности колеса относительно оси вращения: 0,030 мм.

· Допуск симметричности шпоночного паза для обеспечения возможности сборки вала с устанавливаемой на нем деталью и равномерного контакте поверхностей шпонки и вала: 0,040мм.

· Допуск параллельности шпоночного паза: 0,010 мм.

10. Выбор смазочных материалов

Для смазывания деталей редуктора, применяем картерную смазку, которая осуществляется путём окунания зубчатых колёс в масло. Уровень масла устанавливаем так, чтобы косозубое колесо окуналось в него на высоту зуба.

При окружной скорости колеса тихоходной ступени v = 1,75 м/с, контактных напряжениях у Н = 431 МПа и рабочей температуре

Согласно , при заданной вязкости масла, выбираем его марку:

Определяем уровень масла:

h = (2 ? m … 0,25 ? d 2 T) = (2 ? 2,5 … 0,25 ? 181,034) = 5…45,25 мм; (86)

Принимаем h = 50 мм, для обеспечения окунания зуба косозубого колеса в масло.

Рассчитываем объем масляной ванны редуктора:

V = 0,6 P дв = 0,6 7,5 = 4,5 л. (87)

Для обеспечения окунания зуба косозубого колеса в масло при габаритных размерах картера:

Длина: 280мм,

Ширина: 125 мм,

и уровне масла h = 50 мм, принимаем объем масла V =1,75 л.

Во избежание утечки масла из редуктора на быстроходном и тихоходном валах со стороны хвостовиков устанавливаем резиновые армированные манжеты по ГОСТ 8752-79.

Для заливки масла в редуктор, контроля правильности зацепления и для внешнего осмотра деталей выполняем в крышке корпуса смотровое окно, закрываемое крышкой из стального листа. Определим толщину крышки: д к =(0,5…0,6) д=(0,5…0,6) 8=4…4,8 мм. Принимаем д к =4 мм. Для того, чтобы внутрь корпуса извне не засасывалась пыль под крышку ставим уплотняющую прокладку из прокладочного картона марки А толщиной 1 мм. В крышке отверстия располагаем пробковую отдушину.

Габаритные размеры крышки смотрового окна:

Длина A 1 = 110 мм,

Ширина В 1 = 100мм.

Габаритные размеры смотрового окна:

Длина А = 80 мм,

Ширина В = 70 мм.

Для закрепления крышки используем 4 болта М6х22. .

В боковой части корпуса выполняем отверстие под пробку для слива масла и промывки редуктора. Параметры пробки принимаем согласно :

d = М16х1,5; D = 26 мм; L = 25 мм; l = 19,6 мм; а = 3 мм.

Контроль за уровнем масла в картере осуществляется жезловым маслоуказателем, который вкручивается в крышку корпуса редуктора. Маслоуказатель имеет резьбу М16.

Для предотвращения протекания масла, плоскость разъёма основания и крышки корпуса смазываем спиртовым лаком.

11. Конструирование и расчет размеров корпуса редуктора

Корпус редуктора выполняем разъёмным, состоящим из основания и крышки. Плоскость разъёма проходит через оси валов.

Изготавливаем корпус литьем, из чугуна СЧ 15.

Основание и крышка закрепляются между собой болтами по фланцу для обеспечения герметичности. Для предотвращения протекания масла плоскость разъёма смазываем спиртовым лаком.

Для заливки масла и осмотра редуктора в крышке корпуса выполняем смотровое отверстие, закрываемое крышкой. Для удаления загрязнённого масла и промывки редуктора в нижней части корпуса выполняем сливное отверстие, закрываемое пробкой.

Для подъема и транспортирования крышки корпуса и редуктора в сборе применим проушины. Для крепления корпуса редуктора к раме в нижней части основания выполняем фланец с цилиндрическими отверстиями под крепёжные болты. Для фиксации при сборке крышки относительно основания выполняем два конических штифта, размеры которых определяем согласно :

Длина 26 мм,

Диаметр 8 мм,

Конусность 1:50.

Расчет размеров корпуса редуктора.

Толщина стенки крышки и корпуса:

д =0,025 а W +1=0,025 125+1=4,125 мм, (88)

д 1 =0,02 а W +1=0,02 125+1=3,50 (89)

Принимаем толщину стенки корпуса и крышки д = 8 мм.

Определяем толщину фланца крышки и верхнего фланца основания:

b = 1,5 д =1,5 8 = 12 мм; (90)

Определяем толщину нижнего фланца основания:

p = (2,25 ч 2,75) д = (2,25 ч 2,75) 8 = 18 ч 22 мм; (91)

Принимаем p = 20 мм.

Для увеличения жесткости корпуса, под бобышками отливаем ребра жесткости. Толщина ребер основания корпуса: m=(0,85ч1) д=6,8ч8 мм. (92)

Принимаем 8 мм.

Толщина ребер крышки: m 1 =(0,85ч1) д 1 =6,8ч8 мм. (93)

Принимаем 8 мм.

Диаметр фундаментных болтов.

d 1 = (0,03ч 0,036) · a w + 12 = (0,03ч 0,036) · 125 + 12 = 15,75 ч 16,5 мм. (94)

Принимаем d 1 = 16 мм.

Диаметр болтов у подшипников.

d 2 = (0,7 ч 0,75)·d 1 = (0,7 ч 0,75)·16 = 11,2 ч 12 мм, (95)

Принимаем d 2 = 12 мм.

Диаметр болтов на фланцах.

d 3 = (0,5 ч 0,6)·d 1 = (0,5 ч 0,6)·20 = 10 ч 12 мм, (96)

Принимаем d 3 = 10 мм.

Принимаем минимальный зазор между наружной поверхностью колеса и внутренней стенкой корпуса А = 8 мм.

12 . Проверочный расчет валов

Быстроходный вал

Силы, действующие в зацеплении = Н, = Н, ==982,5 Н. Нагрузка на вал от клиноременной передачи F в =1144 Н. В цилиндрической шевронной передаче силы, действующие на каждую половину шеврона, уравновешиваются.

Реакции опор:

в плоскости xz

в плоскости yz

=0; - F в + + - R y2

R y 2 = - F в + + =1115-1144+1450=1421 Н.

xoz :

2 участок. 0z 37

При z=37, =1733 37=64,1 10 3 Н мм;

3 участок. 37z 111

При z=37, =64,1 10 3 Н мм;

При z=111, =173364,1 10 3 Н мм;

4 участок. 037

При z " =0, =0;

При z " =37, =1733 37=64,1 10 3 Н мм;

Строим эпюры изгибающих моментов в плоскости yoz :

1 участок. 0z 90

F в z ,

При z=90, = - 1144 90= - 103 10 3 Н мм;

2 участок. 90z 127

При z=90, = - 1144 90= - 103 10 3 Н мм,

При z=127, = - 1144 127+1115 37= - 104 10 3 Н мм;

3 участок. 127z 201

При z=127, = - 1144 127+1115 37 - 982,5 = - 137,9 10 3 Н мм;

При z=201, = - 1144 201+1115 111+725 74 - 982,5 = - 86,4 10 3 Н мм;

4 участок. 0z ? 37

При z " =0, =0,

При z " =37, = - 1421 37= -52,5 10 3 Н мм.

Рисунок 7. - Расчетная схема ведущего вала

Тихоходный вал

Силы, действующие в зацеплении F r =1450 Н, F t =3466 Н, нагрузка на вал от муфты F м =125=125=2219 Н.

Реакции опор:

в плоскости xz :

в плоскости yz :

Строим эпюры изгибающих моментов в плоскости xoz :

1 участок. 0z 75.

При z=75, 10 3 Н мм;

2 участок. 75z 150

При z=75, 10 3 Н мм;

При z=150, 10 3 Н мм;

3 участок. 0z ? 130.

При z " =130, = 10 3 Н мм;

Строим эпюры изгибающих моментов в плоскости yoz :

1участок. 0z 75.

При z=75, 10 3 Н мм;

2 участок. 0z ? 75

Рисунок 8. - Расчетная схема ведомого вала

13 . Проверо чный расчет подшипников качения

Назначаем предварительно для быстроходного вала редуктора -подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами легкой серии 2207 ГОСТ 8328-75, для тихоходного вала - шариковые радиальные однорядные легкой серии №210 ГОСТ 8338-75.

Расчёт подшипников качения быстроходного вала.

Подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами 2207 ГОСТ 8328-75.

С 0 = 17600 Н;

Суммарные реакции:

= =2061 Н, (97)

= 2241 Н. (98)

Подбираем подшипник по более нагруженной опоре «2» т.к. , то X=1, Y=0.

K н (99)

где V=1 - коэффициент вращения, зависящий от того, какое кольцо подшипника вращается (при вращении внутреннего кольца V=1)

Коэффициент, учитывающий вид работы

K т =1 - температурный коэффициент

К н - коэффициент нагрузки.

Тогда =K н =1 1 2241 1,5 1 0,81=2723 Н

Где р - показатель степени, для роликоподшипников p=10/3

Расчет подшипников качения тихоходного вала

Подшипники шариковые радиальные однорядные легкой серии №210 ГОСТ 8338-75

С 0 = 19800 Н;

Суммарные реакции:

= Н.

Подбираем подшипник по более нагруженной опоре «3» т.к. , то X=1, Y=0.

K н

где V=1, K т =1, К н - коэффициент нагрузки.

=K н =1 1 3727 1,5 1 0,81=4528,3 Н

Условия подбора выполняются. L h =4000 ч.

14 . Конструирование подшипниковых узлов

В качестве опоры быстроходного вала принимаем подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами легкой серии №2207 ГОСТ 8328-75. . Они предназначены для восприятия радиальных и небольших осевых нагрузок; фиксируют положение вала относительно корпуса в двух осевых направлениях. Благодаря способности самоустанавливаться они допускают несоосность посадочных мест (перекосы) до 2 - 3є.

В качестве опоры тихоходного вала принимаем подшипники радиальные легкой серии №210 ГОСТ 8338-75. .Они воспринимают радиальные и ограниченные осевые нагрузки, действующие в обоих направлениях вдоль оси вала. Подшипники допускают перекосы валов до 10"; по сравнению с подшипниками других типов имеют минимальные потери на трение; фиксируют положение вала относительно корпуса в двух направлениях.

На быстроходном валу устанавливаем подшипники 2207 ГОСТ 8328-75:

· диаметр установки на вал d п = 35 мм;

· диаметр установки в корпус D = 72 мм;

· ширина В = 17 мм;

· размер фасок r = 2 мм;

· грузоподъемность динамическая С = 31,9 кН;

· грузоподъемность статическая С 0 = 17,6 кН.

На тихоходном валу устанавливаем подшипники 210 ГОСТ 8338-75:

· диаметр установки на вал d п = 50 мм;

· диаметр установки в корпус D = 90 мм;

· ширина В = 20 мм;

· размер фасок r = 2 мм;

· грузоподъемность динамическая С = 35,1 кН;

· грузоподъемность статическая С 0 = 19,8 кН.

Подшипники устанавливаем на валы посадкой с натягом. Принимаем поле допуска для валов - k6. Установку подшипников в корпус осуществляем посадкой с зазором, с полем допуска отверстия корпуса - Н7.

Во избежание попадания в подшипник продуктов износа передач, а также излишнего полива маслом подшипники защитим маслозащитными кольцами.

Подшипники закрываем крышками глухими и сквозными, через которые проходят концы валов из чугуна СЧ 15. Крышки выполняем привертными. Со стороны хвостовиков быстроходного и тихоходного валов устанавливаем сквозные крышки с резиновыми армированными манжетами для уплотнения. Остальные крышки выполняем глухими. Фланец крышки выполняем круглой формы.

Принимаем:

· толщину крышек д = 6 мм;

· размер фаски с = 2 мм;

· крепежные болты М8х25;

· число болтов z = 4;

· диаметр крышки:

Быстроходного вала D = 110 мм;

Тихоходного вала D = 130 мм.

Болтовые соединения уплотняем прокладками из маслостойкой резины.

1 5 . Выбор муфт

Для соединения тихоходного вала редуктора с валом рабочего органа используется муфта. Размер муфты выбираем по диаметру вала и расчётному вращающему моменту.

Согласно :

Т Р = к · Т НОМ = 1,5 · 315,15 = 472 Н·м. (101)

Принимаем для соединения валов муфту упругую втулочно-пальцевую 500-40-I2 ГОСТ 21424 - 75.

Номинальный вращающий момент: Т = 500 Н·м,

Диаметр на вал редуктора: d 2 = 40 мм,

Внешний диаметр муфты: D = 170 мм,

Рабочая длина на валу редуктора: l = 82 мм,

Допускаемая частота вращения n=3600 мин -1 ,

Радиальное смещение - 0,3 мм,

Угловое смещение - 1?.

16 . Расчет валов на усталостную прочность

Определяем расчетные коэффициенты запаса прочности при расчёте на выносливость согласно :

Где S у - запас прочности по нормальным напряжениям;

S ф - запас прочности по касательным напряжениям;

[S] - необходимый запас прочности вала при совместном действии нормальных и касательных напряжений.

Принимаем [S] = 2,5.

где у -1 - предел выносливости вала из углеродистой стали при симметричном цикле перемены нормальных напряжений;

К у - эффективный коэффициент концентрации нормальных напряжений;

е у - масштабный коэффициент для нормальных напряжений;

в - коэффициент учёта влияния шероховатости поверхности.

Принимаем в=0 ,95 .

Ш у - коэффициент, учитывающий влияние асимметрии цикла.

Принимаем Ш у = 0,15. .

у m - среднее значение напряжения цикла перемены нормальных напряжений; у m =0, так как F a =0.

у v - амплитуда цикла перемены нормальных напряжений, равная наибольшему напряжению изгиба в рассматриваемом сечении.

где ф -1 - предел выносливости вала из углеродистой стали при симметричном цикле перемены касательных напряжений;

К ф - коэффициент концентрации напряжений при кручении

Ш ф - коэффициент, учитывающий влияние асимметрии цикла.

Принимаем Ш ф = 0,1.

ф m и ф v - среднее и амплитудное значения напряжения цикла перемены касательных напряжений;

W к - момент сопротивления сечения кручению;

М к - крутящий момент.

Нормальные напряжения изменяются по симметричному циклу, а касательные - по отнулевому.

Уточнённый расчёт состоит в определении коэффициентов запаса прочности S для опасных сечений вала и сравнения с требуемым значением запаса прочности.

Тихоходный вал. Вал изготавливаем из стали 45, назначаем термообработку - улучшение. .

у -1 = 0,43 · 750 = 323 МПа.

ф -1 = 0,58 · 323 = 188 МПа.

Рисунок 9.

Опасными являются сечения:

2-2 , 6-6, 8 - 8 - скругление шпоночного паза;

3-3, 4-4, - галтельный переход;

4-4, - место установки подшипников с гарантируемым натягом;

5-5 - колесо;

7 - 7 - место установки зубчатого колеса, шпоночный паз;

9 - 9 - канавка.

Сечение 7 - 7.

Концентрация напряжений обусловлена наличием шпоночной канавки и напрессованного на вал зубчатого колеса. d=56 мм, b=16 мм, t 1 =6 мм,

Ш в =0,15 , Ш ф =0,1 .

а) Шпоночная канавка: =1,77; .

б)Посадка ступицы колеса с гарантированным натягом:

Сравнивая значения для случая (а) и (б), отмечаем, что наиболее нагружен вал в случае (б). По нему и ведем расчет

Суммарный изгибающий момент:

Момент сопротивления изгибу:

Момент сопротивления кручению:

Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям:

Сечение 4 - 4 .

Концентрация напряжений обусловлена посадкой подшипника с гарантированным натягом.

; Ш у =0,15 , Ш ф =0,1 .

Изгибающий момент:

Полярный момент сопротивления:

Амплитуда нормальных напряжений:

Амплитуда и среднее напряжение цикла касательных напряжений:

Коэффициенты запаса прочности

Расчёт быстроходного вала (рисунок 13).

Вал изготовлен из стали 45, термообработка улучшение.

Рисунок 10.

Предел прочности стали 45равен .

Предел выносливости при симметричном цикле перемены нормальных напряжений:

у -1 = 0,43 · 750 = 324 МПа.

Предел выносливости при симметричном цикле перемены касательных напряжений:

ф -1 = 0,58 · 324= 188 МПа.

Опасными являются сечения:

1-1- место установки муфты, шпоночный паз;

2-2 - скругление шпоночного паза;

3-3, 6-6, 10-10 - галтельный переход;

4-4, 12-12 - канавки под упорные кольца;

5-5, 11-11 - место установки подшипников с гарантируемым натягом;

7-7, 9-9 - полушевроны;

8-8 - проточка между шевронами.

Определяем напряжения, действующие в этом сечении:

Где W и - момент сопротивления сечения изгибу;

М и - изгибающий момент;

Определяем отношение, согласно :

Определяем запас прочности при изгибе:

Определяем касательные напряжения:

Определяем отношение:

Определяем запас прочности при кручении:

Определяем запас прочности при совместном действии напряжений изгиба и кручения:

Условия прочности выполняются.

17 . Расчет шпоночных соединений

Материал шпонок - сталь 45 нормализованная. Используем призматические шпонки со скруглёнными торцами по ГОСТ 23360-78.

Напряжения смятия:

Согласно , допускаемое напряжение смятия при стальной ступице = 120 - 140 МПа, и при чугунной = 60 - 80 МПа.

Быстроходный вал:

d ХВ = 32 мм; b = 10 мм; h = 8 мм; t 1 = 5 мм; l ШП = 70 мм; Т Б = 119500 Н мм; чг = 60 - 80 МПа.

Тихоходный вал.

Шпонка зубчатого колеса:

d В = 56 мм; b = 16 мм; h = 10 мм; t 1 = 6 мм; l ШП =90 мм; Т Т =315150 Н мм; = 100 МПа (материал колеса - сталь 45).

Шпонка муфты:

d ХВ = 40 мм; b = 12 мм; h = 8 мм; t 1 = 5 мм; l ШП =80 мм; Т Т =315150 Н мм; чг = 60…80 МПа.

Условия прочности соблюдаются.

Список литературы

1. П.Ф.Дунаев, О.П.Леликов. Конструирование узлов и деталей машин. М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 496 с. ISBN 5-7695-1041-2 2. Курсовое проектирование деталей машин: учебное пособие/ Под ред. С.А.Чернавского. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 416 с.

3. Иванов. М.Н. Учеб. для студентов втузов/Под ред. В. А. Финогенова. - 6-е изд., перераб. - М.: Высш. школа., 2000. - 383 с.: ил. ISBN 5-06-003537-9

4. Логин В.В. Расчет механического привода. Методические указания. - М.МИИТ, 1997 - 108 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Расчет одноступенчатого горизонтального цилиндрического редуктора с шевронной передачей. Выбор привода, определение кинематических и энергосиловых параметров двигателя. Расчет зубчатой передачи, валов, ременной передачи. Конструирование корпуса редуктора.

курсовая работа , добавлен 19.02.2015


Конструкция зубчатого колеса и червячного колеса. Кинематический расчет привода, выбор электродвигателя, определение передаточных чисел, разбивка по ступеням. Расчет прямозубой цилиндрической передачи. Проверочный расчет подшипников тихоходного вала.

курсовая работа , добавлен 22.07.2015


Расчет цилиндрического редуктора с косозубыми зубчатыми колесами. Привод редуктора осуществляется электродвигателем через ременную передачу. Кинематический расчет привода. Расчет ременной передачи. Расчет тихоходной цилиндрической зубчатой передачи.

курсовая работа , добавлен 09.01.2009


Кинематический и силовой расчет привода. Расчет зубчатых колес редуктора. Предварительный расчет валов редуктора. Конструктивные размеры корпуса редуктора, шестерни, колеса. Первый этап компоновки редуктора. Проверка прочности шпоночных соединений.

курсовая работа , добавлен 17.05.2012


Энергетический и кинематический расчёт привода. Клиноременная и зубчатая передачи, выбор электродвигателя. Конструирование основных деталей зубчатого редуктора. Расчет валов на статическую и усталостную прочность. Проверка долговечности подшипников.

курсовая работа , добавлен 08.03.2009


Силовой и кинематический расчет привода. Расчет закрытой зубчатой с цилиндрическими косозубыми колёсами и открытой ременной передач. Выбор смазочных материалов для передач и подшипников. Обоснование посадок и квалитетов точности для сопряжения привода.

курсовая работа , добавлен 14.04.2012


Разработка конструкции одноступенчатого цилиндрического редуктора привода галтовочного барабана для снятия заусенцев после штамповки. Энергетический, кинематический и силовой расчеты привода, валов. Эскизная компоновка редуктора, проверочный расчет.

курсовая работа , добавлен 27.06.2011


курсовая работа , добавлен 09.05.2011


Кинематический расчет привода электродвигателя. Расчет цепной и зубчатой передач, их достоинства. Выбор и расчет муфты: определение смятия упругого элемента и пальцев муфты на изгиб. Конструирование рамы привода, крепления редуктора к ней. Расчет шпонок.

курсовая работа , добавлен 15.01.2014


Выбор типа ковшей, способов их загрузки и разгрузки, определение конструктивно-кинематических параметров элеватора. Выбор натяжного устройства и типоразмера тягового органа. Кинематический расчет привода. Конструирование корпуса элеватора и рамы привода.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТА

Кафедра прикладной механики

ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Методические указания по выполнению курсового проекта (работ) и

расчетно-графической работы по дисциплинам «Детали машин и основы

конструирования», «Основы проектирования», «Прикладная механика» для студентов всех специальностей и направлений всех форм обучения

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

СОСТАВИТЕЛИ: к.т.н., профессор В.Н. Кривохижа,

ассистент С.Ю. Михайлов.

© ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2012 г.

Введение

7. Задания на курсовой проект (РГР)

Приложения

Введение

Курсовой проект (работа) по дисциплине является одним из основных видов учебных занятий и формой контроля учебной работы студента.

Курсовое проектирование имеет большое значение в развитии самостоятельных навыков творческой работы студентов и определяет степень практического овладения теоретических курсов «Детали машин и ОК), «Основы проектирования», « Прикладная механика».

Курсовой проект является важной самостоятельной инженерной работой студента, охватывающей вопросы расчёта на прочность, жёсткость, износостойкость, долговечность и другие виды работоспособности деталей машин. Выполнение проекта неизбежно связано с использованием необходимой технической литературы, справочников и прикладных компьютерных программ по проектированию машин.

Целью курсового проектирования является приобретение практических навыков расчета, конструирования и выполнения рабочих чертежей.

При выполнении курсового проекта перед студентом ставятся задачи расчета и конструирования привода общего или специального назначения в соответствии с техническим заданием

Методические указания по выполнению курсовых проектов и РГР по дисциплинам « Детали машин и ОК», «Основы проектирования», «Прикладная механика» предназначены оказать помощь студентам в выполнении курсовых проектов (РГР) в соответствии с требованиями ЕСКД.

1. Выбор задания курсового проекта (РГР)

В данные методические указания включены 10 заданий на курсовое проектирование, которые содержат: кинематическую схему привода, график нагрузки, величины заданных параметров. Каждое из 10 заданий всех типов проектов содержит 10 вариантов

Каждый студент получает и выполняет индивидуальное задание в соответствии со своим шифром. Номер задания соответствует последней цифре шифра студента, а номер варианта – предпоследней.

2. Типовая структура и требования к содержанию разделов

Проект по курсу должен состоять из пояснительной записки объемом не менее 35-40 страниц рукописного или печатного текста на стандартных листах писчей бумаги формата А4 (210 х 297 мм 2) и чертежей.

В проекте по курсам « Детали машин и ОК», «Основы проектирования», для студентов механических и маши­ностроительных специальностей надлежит выполнить 2,5 листа чер­тежей формата А1 (594X841 мм 2), из которых один лист - установоч­ный (общий вид привода), один лист - сборочный чертёж редуктора и 0,5 листа - рабочие чер­тежи двух деталей редуктора (зубчатое или червячное колесо, червяк, вал » т. п.).

Графическая часть курсового проекта с соблюдением требований ЕСКД выполняется карандашом на ватмане.

Возможно выполнение чертежей на компьютере с использованием программ компьютерной графики и с последующей распчаткой чертежа на плоттере.

При выполнении чертежей следует применять масштабы, установленные стадартом: 1:1, для уменьшения – 1:2; 1:2,5; 1:4 и т.д., для увнеличения- 2:1; 2,5:1; 4:1 и т.д.

В Расчетно- графической работе по курсу «Прикладная механика»

студенты выполняют графическую часть в объеме 1 листа чертежей формата А1 (сборочный чертеж редуктора)

Пояснительная записка начинается с титульного листа.

Введение.

1. Кинематический расчет привода.

2. Расчет ременной (цепной) передачи.

3. Расчет зубчатой передачи.

4. Эскизное проектирование.

5. Конструирование зубчатых колес.

6. Расчет соединений.

7. Подбор подшипников качения на заданный ресурс.

8. Конструирование корпусных деталей редуктора.

9. Расчет валов на сопротивление усталости и статической прочности.

10. Выбор смазочных материалов и системы смазки.

11. Расчет муфт.

12. Порядок сборки редуктора.

Список использованной литературы.

1) Определяется требуемая мощность и требуемая частота вращения вала электродвигателя и осуществляется выбор его по каталогу. При этом определяются: мощность на выходном валу привода рабочей машины; частные значения к.п.д. отдельных видов передач или других устройств, общий к.п.д., частота вращения приводного вала, передаточные числа передач.

Электродвигатель следует подбирать по каталогу чаще всего с номинальной мощностью, превышающей расчетную, но при этом допускается перегрузка до 8% при постоянной и до 12% при переменной нагрузке.

Кроме того, при выборе электродвигателя необходимо иметь в виду, что тихоходный электродвигатель при равной мощности тяжелее и больше по габаритам, чем быстроходный.

2) Определяется общее передаточное число привода и осуществляется его разбивка по ступеням передач с уточнением частных значений передаточных чисел.

3 Определяются частоты вращения и вращающие моменты на валах

Расчеты ременной (цепной) и зубчатой передач рекомендуется проводить с учетом примеров, приведенных в учебнике М.Н Иванов, В.А. Финогенов « Детали машин». Можно использовать Методические указания по расчету передач, разработанных преподавателями кафедры.

Раздел » Эскизное проектирование» должен состоять из следующих подразделов:

1.Проектные расчеты валов;

2. Выбор типа и схемы установки подшипников;

3. Составление компоновочной схемы

Эскизная компоновка редуктора выполняется с вычерчиванием в зацеплении рассчитанных передач, валов, подшипниковых узлов, размещенных в стенках корпуса, деталей, необходимых для предотвращения или ограничения осевого перемещения зубчатых (червячных) и устанавливаемых с учетом технологических зазоров.

Эскизная компоновка позволяет определить расстояния между опорами вала и между опорой и срединой ступицы муфты, шкива колеса, необходимые при составлении расчетных схем при проверке подшипников на ресурс и валов на усталостную прочность.

Пример эскизной компоновки конически-цилиндрического редуктора приведен на рис. 1

Рис.1 Пример эскизной компоновки конически-цилиндрического редуктора

В разделе «Подбор подшипников качения на заданный ресурс» необходимо составить расчетную схему и определить суммарные реакции в опорах и затем проверить выбранные подшипники на динамическую грузоподъемность.

Пример расчетной схемы при проверке подшипников на динамическую грузоподъемность ведущего вала двухступенчатого цилиндрического редуктора приведен на рис.2.

Рис.2 Пример расчетной схемы при проверке подшипников на динамическую грузоподъемность ведущего вала двухступенчатого цилиндрического редуктора

В разделе « Расчет шпонок» следует учесть, что стандартные призматические шпонки выбираются по окончательно принятым диметрам валов. Длина шпонок принимается с учетом ширины ступиц зубчатых (червячных) колес, шкивов, звездочек. Подобранные шпонки проверяются по напряжениям смятия.

Проверочный расчет вала на усталостную прочность заключается в определении запасов сопротивления усталости в опасном сечении и сравнении их с допускаемыми запасами..

На рис. 3 представлена в качестве примера расчетная схема ведомого вала цилиндрического редуктора с прямозубыми колесами, нагруженного вращающим моментом Т , окружной силой F t , радиальной F r и консольной силой, действующей на вал со стороны муфты, F M

Рис.3 Расчетная схема ведомого вала цилиндрического редуктора с прямозубыми колесами

4. Примерные нормы времени на выполнение работы

На один лист формата А1 отводится 20 часов работы студента из фонда »Самостоятельная работа студентов». Время, планируемое на пояснительную записку, входит в упомянутые выше 20 часов на лист, ибо записка готовится параллельно с выполнением листов.

5. Требования к оформлению работы

Пояснительную записку оформляют в соответствии с ГОСТ 2.106-96 на основе черновой записки, составленной в процессе проектирования.

Лицевую часть обложки пояснительной записки оформляют как титульный лист (прил.1). На всех листах пояснительной записки выполняется основная надпись для текстовых конструкторских документов (прил,2); на первых листах всех разделов- форма 2, на последующих листах – форма 2а.

Текстовая часть пояснительной записки выполняется на листах формата А4 с соблюдением полей: слева 25 мм, справа 10мм, сверху и снизу 20 мм.

В начале пояснительной записки приводят содержание, которое делится на разделы и подразделы. Каждый раздел должен иметь порядковый номер, обозначаемый арабскими цифрами (кроме содержания и списка литературы). Разделы могут содержать подразделы, разделенных точкой. Наименование разделов и подразделов записывают в виде заголовка строчными буквами (с прописной заглавной буквой. В конце названия разделов (подразделов) точка не ставится, например:

1. Кинематичекий расчет привода

Основной текст пояснительной записки должен содержать все расчеты, необходимые для выполнения проекта. Стиль изложения должен быть предельно точным, язык – строгим и простым. Изложение должно вестись от первого лица множественного числа. Например, нужно писать: принимаем, вычисляем и т.д.

Достаточная точность машиностроительных расчетов: для сил - в десятке чисел Н, для моментов - в десятых долях чисел Н∙м и для напряжений - в десятых долях чисел МПа; при этом 0,5 и больше считается за единицу, а меньшая дробь отбрасывается. Для линейных размеров в миллиметрах берут только целые числа, . Лишь в особых случаях нужна большая точность - до десятых и даже до сотых долей миллиметра, например, при конусах, винтовой нарезке и в профилировании зубьев.

При технических расчетах следует брать π = 3,14; π 2 = 10; g = 10 (если ускорение силы тяжести g в м/с 2); π/32 = 0,1; π/64 = 0,05; π/16= 0,2 и т. д.

Расчет рекомендуется писать как в целях облегчения проверки его самим автором или другим лицом, так и во избежание ошибок в такой форме: сначала должна быть написана формула в буквах; затем ту же формулу без всяких алгебраических преобразований пишут в цифрах; после этого пишется результат вычисления. Например, при определении делительного диаметра зубчатого колеса расчет следует писать так: d = z∙m = 5∙20 = 100 мм, где z - число зубьев а, a m - модуль зацепления. Расчет следует оформить с достаточно ясными заголовками, в опреде­ленном порядке, с необходимым пояснительным текстом, сопровождать эскизами рассчитываемых деталей, а также схемами сил и эпюрами моментов, действующих на эти детали.

Все расчетные формулы и уравнения записывают с перечнем и расшифровкой буквенных обозначений величин, размерностью. После записи и расшифровки формулы приводят материал по выбору или определению всех величин, входящих в данную формулу.

В случае повторения формулы в последующих расчетах записывать ее в общем виде и давать повторно расшифровку не следует, достаточно сослаться на страницу пояснительной записки, где раннее была приведена эта формула.

Приступать к вычерчиванию необходимо сейчас же, как только предварительный расчет даст достаточно данных для чертежа. Чертеж и расчет должны производиться параллельно, таким образом, чтобы расчет лишь немного опережал чертеж, иначе неизбежны ошибки, которые могут быть выявлены лишь впоследствии, что повлечет за со­бой большую потерю труда и времени. Поэтому следует придержи­ваться правила: все полученные расчетом размеры немедленно прове­рять путем нанесения их на чертеж.

При проектировании машин и их деталей и при выполнении чер­тежей необходимо руководствоваться ГОСТами на чертежи в машино­строении.

Однако рекомендованные ЕСКД упрощенные и условные изображения, как, например, для резьбовых деталей и подшипников качения, при учебном проектировании с учебно-методической точки зре­ния недопустимы, так как студенты должны изучить не только конструк­цию и назначение деталей и узлов, но и взаимодействие их в машине.

Число проекций должно быть минимальным, но с тем условием, чтобы ясность в чертежах устройства машины, а также ее узлов и деталей была полная. В простейших случаях, например для тел вращения, достаточно двух проекций, а иногда даже одной. На машиностроительных чертежах особенно важны разрезы, выяс­няющие внутреннее устройство машины, ее узлов и деталей.

Масштаб чертежей по возможности должен быть выбран 1:1, при невозможности использования этого масштаба допускается меньший масштаб, выбираемый по ГОСТ 2.302-01..

На чертежах общих видов должны быть указаны размеры: габаритные; присоединительные (например, диаметры и длины выступающих концов валов и др.); характеризующие сборочную единицу (например, межосевые расстояния и др.).

На сборочном чертеже редуктора также должна быть приведена его техническая характеристика и технические требования по сборке, регулировке, испытаниям, консервации и т. д.

Чертежи сопровождаются спецификацией, которая относится к текстовым документам и оформляется на листах формата А4 в соответствии с ГОСТ 2. 108-68 (прил.3) Листы спецификации прикладывают к пояснительной записке.

Чертежи деталей должны быть вычерчены по возможности в натуральную величину в необходимом количестве проекций и с необходимыми разрезами. Чертежи деталей, имеющих малые размеры, рекомендуется выполнять в увеличенных масштабах. На чертеже каждой детали указывают: все необходимые для ее изготовления размеры; предельные отклонения размеров, формы и расположения поверхностей; шероховатость поверхностей: материал, предельные значения твердости.

На чертежах зубчатых, червячных колес и червяков (правом верхнем углу) должны быть приведены таблицы основных параметров, необходимых для изготовления и контроля.

Основная надпись на всех чертежах проекта выполняется в соответствии с формой 1 ГОСТ 2.104-90, которая представлена в прил.2.

Рекомендуется выполнение проекта в электронном виде с последующей распечаткой на принтере или плоттере. Минимальный формат распечатки чертежей в данном случае должен быть не менее А3 (297*420 мм 2). Студент на защите проекта должен иметь при себе дискеты с записью пояснительной записки в системе «Word”, графической части в системе «AutoCad» или «Компас» и выполнять в присутствии преподавателя необходимую корректировку чертежей в электронном виде

Более подробные указания по выполнению чертежей и пояснительной записки приведены в соответствующей литературе.

Примеры чертежей представлены на рис 4,5,6

Рис.4 Общий вид привода

Рис.5. Двухступенчатый цилиндрический редуктор

Рис. 6 Чертеж цилиндрического зубчатого колеса

6. Порядок защиты работы, критерии оценок

Выполненный курсовой проект рецензируется преподавателем кафедры, после чего допускается к защите на комиссии, назначенной заведующим кафедрой. На защите студент должен показать знания теории, должен уметь объяснить методику расчетов, выполненных в процессе проектирования, знать назначение и работу всех деталей узлов, определение действующих сил, напряжений в деталях, а также объяснить конструкцию разработанных им механизмов и узлов. Кроме того необходимо рассмотреть сборку и регулировку узлов и обосновать выбор условий смазки трущихся поверхностей. При защите курсового проекта по деталям машин нужно давать четкие ответы на такие вопросы, как определение действительных и допускаемых напряжений в различных сечениях вала; характер повреждения зубьев зубчатых и червячных колес; распределение напряжений в шпоночных и шлицевых соединениях; особенности расчета подшипников качения на динамическую грузоподъемность; обоснование выбора материала деталей, допусков и посадок, знаков шероховатости; обоснование выбора принятых коэффициентов запаса прочности и многие другие вопросы, относящиеся к курсу деталей машин и основам конструирования. Курсовой проект оценивается дифференцированной оценкой. При оценке проекта учитывается качество выполнения графической части, грамотность оформления пояснительной записки и правильность ответов на вопросы.

Для механических и машиностроительных специальностей

Составил

к.т.н., доц. Еремеев В.К.

Иркутск 2008г.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий конспект лекций по курсу "Детали машин" следует рассматривать как краткое изложение программных вопросов курса, облегчающее усвоение учебного материала и подготовку к экзаменам. Конспект изложен на базе основных учебников Д.Н.Решетова,

М.И. Иванова, П.Г. Гузенкова "Детали машин" и методического пособия В.К. Еремеева и Ю.Н. Горнова « Детали машин. Курсовое проектирование». Пользование конспектом ни в коем случае не исключает подготовки по учебникам, а лишь выделяет основные положения, соответствующие курсу "Детали машин" по машиностроительным и механическим специальностям. В ряде мест конспекта приводятся указания на те вопросы, которые необходимо подготовить только по учебникам, так как, за краткостью изложения, в конспект они не вошли. Это касается главным образом описательной стороны курса и конструктивных особенностей отдельных узлов и деталей машин.

Конспект рассчитан на сокращенную программу - 70 лекционных часов, поэтому в него не вошли такие разделы курса, как: заклепочные соединения, клиновые соединения и специальные виды зубчатых передач. Предполагается, что с этими вопросами студенты могут ознакомиться самостоятельно. Изложение учебного материала в конспекте соответствует программе курса "Детали машин" и содержанию экзаменационных билетов. Порядок изложения отдельных разделов несколько изменен в сравнении с основными учебниками по опыту преподавания предмета автором данного конспекта и с целью возможности досрочной подготовки студентов на практических занятиях к началу курсового проектирования.

«Детали машин» являются первым из расчетно-конструкторских курсов, в котором изучают основы проектирования машин и механиз мов.

Любая машина (механизм) состоит из деталей.

Деталь - такая часть машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка, и т. п.), или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т. п.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы.

Узел- представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т. п.). Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, редуктор включает подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т. п.

Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т. п.). Эти детали (узлы) называют дета­ лями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин». Все другие детали, применяющиеся только в одном или нескольких типах машин (поршни, лопатки турбин, гребные винты и т. п.), относят к деталям специального назначения и изучают в специальных курсах.

Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень больших количествах (например, в СССР до 1992г. ежегодно изготавливали около миллиарда зубчатых колес). Поэтому любое усовершенствование методов расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность, приносит большой экономический эффект.

Основные требования к конструкции деталей машин .

Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности . Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. Экономичность определяют стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию.

Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин : прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброус тойчивость. Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее функционального назначения и условий работы. Например, для крепежных винтов главным критерием является прочность, а для ходовых винтов - износостойкость. При конструировании деталей их работоспособность обеспечивают в основном выбором соот­ветствующего материала, рациональной конструктивной формой и расчетом размеров по одному или нескольким критериям.

Прочность является главным критерием работоспособности боль шинства деталей. Непрочные детали не могут работать. Следует помнить, что разрушения частей машины приводят не только к простоям, но и к несчастным случаям.

Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или сопротивления усталости. Потеря статической проч­ности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превы­шает предел статической прочности материала (например, σ в ). Это связано обычно со случайными перегрузками, не учтенными при расчетах, или со скрытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т. п.). Потеря сопротивления усталости происходит в результате дли­тельного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала (например, σ -1 ). Сопротивление усталости значительно понижается при наличии концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой детали (галтели, канавки и т. п.) или с дефектами производства (царапины, трещины и пр.).

Основы расчетов на прочность изучают в курсе сопротивления материалов. В курсе деталей машин общие методы расчетов на проч­ность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов.

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой.

Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Такими условиями могут быть: условия работы сопряжённых деталей (например, качество зацепления зубчатых колес и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов); технологические условия (например, точность и производительность обработки на металлорежущих станках в значительной степени определяются жесткостью станка и обрабатываемой детали).

Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Значение расчетов на жесткость возрастает в связи с широким внедрением высокопрочных сталей, у которых увеличиваются характеристики прочности (σ в и σ -1), а модуль упругости

Е (характеристика жесткости) остается почти неизменным. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в подшипниках, в направляющих, в зубчатых зацеплениях, в цилиндрах поршневых машин и т. п. Увеличение зазоров снижает качественные характеристики механизмов: мощность, к. п. д., надежность, точность и пр. Детали, изношенные больше нормы, бракуют и заменяют при ремонте. Несвоевременный ремонт приводит к поломке машины, а в некоторых случаях и к аварии.

Интенсивность изнашивания и срок службы детали зависят от давления, скорости скольжения, коэффициента трения и износостойкости материала. Для уменьшения изнашивания широко используют смазку трущихся поверхностей и защиту от загрязнения, применяют антифрикционные материалы, специальные виды химико-термической обработки поверхностей и т. д.

Следует отметить, что изнашивание выводит из строя большое число деталей машины. Оно значительно увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения периодических ремонтных работ. Высокая стоимость ремонта обусловлена значительными затратами ручного, высококвалифицированного труда, который трудно механизировать и автоматизировать. Для многих типов машин за весь период их эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Износостойкость деталей машин существенно уменьшается при наличии коррозии. Коррозия является причиной преждевременного разрушения многих машин. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла. Для защиты от коррозии применяют антикоррозийные покрытия или изготовляют детали из специальных коррозийно-устойчивых материалов. При этом особое внимание уделяется деталям, работающим в присутствии воды, пара, кислот, щелочей и других агрессивных сред.

Теплостойкость . Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: понижение прочности материала и появление ползучести; понижение защищающей способности масляных пленок и следовательно увеличение изнашивания деталей; изменение зазоров в сопряженных деталях, которое может привести к заклиниванию или заеданию; понижение точности работы машины (например, прецизионные станки).

Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, выполняют тепловые расчеты и, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).

Виброустойчивость . Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. В некоторых случаях вибрации снижают качество работы машин. Например, вибрации в металлорежущих станках снижают точность обработки и ухудшают качество поверхности обрабатываемых деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Вредное влияние вибраций проявляется также и вследствие увеличения шумовых характеристик механизмов, В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает, поэтому расчеты на колебания приобретают все большее значение.

Особенности расчета деталей машин. Для того чтобы составить математическое описание объекта расчета и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции заме­няют идеализированными моделями или расчетными схемами. Например, при расчетах на прочность по существу несплошной и неоднородный материал деталей рассматривают как сплошной и однородный, идеализируют опоры, нагрузки и форму деталей. При этом расчет становится приближенным, В приближенных расчетах большое значение имеет правильный выбор расчетной схемы, умение оценить главные и отбросить второстепенные факторы.

Погрешности приближенных расчетов существенно снижаются при использовании опыта проектирования и эксплуатации аналогичных конструкций. В результате обобщения предшествующего опыта выра­батывают нормы и рекомендации, например нормы допускаемых напряжений или коэффициентов запасов прочности, рекомендации по выбору материалов, расчетной нагрузки и пр. Эти нормы и рекомендации в приложении к расчету конкретных деталей приведены в соответствую­щих разделах данного конспекта лекций. Здесь отметим, что неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма от ветственным этапом расчета. Заниженное значение запаса прочности приводит к разрушению детали, а завышенное - к неоправданному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает весьма существенное значение.

Факторы, влияющие на запас прочности, многочисленны и разнообразны: степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул и определения расчетных нагрузок, влияние качества технологии, условий эксплуата­ции и пр. Если учесть все разнообразие условий работы современных машин и деталей, а также методов их производства, то станут очевидными большие трудности в раздельной количественной оценке влия­ния перечисленных факторов на значение запасов прочности. Поэтому в каждой отрасли машиностроения, основываясь на своем опыте, вырабатывают свои нормы запасов прочности для конкретных деталей. Нормы запасов прочности не являются стабильными. Их периодически корректируют по мере накопления опыта и роста уровня техники.

В инженерной практике встречаются два вида расчета - проектный и проверочный.

Проектный расчет - предварительный, упрощенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения ее размеров и материала.

Проверочный расчет - уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.

При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому некоторыми неизвестными параметрами задаются, принимая во внимание опыт и рекомендации, а некоторые второстепенные параметры просто не учитывают. Такой упрощенный расчет необходим для определения тех размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции. В процессе проектирования расчет и чертежную проработку конструкции выполняют параллельно. При этом ряд размеров, необходимых для расчета, конструктор определяет по эскизному чертежу, а проектный расчет приобретает форму проверочного для намеченной конструкции. В поисках лучшего варианта конструкции часто приходится выполнять несколько вариантов расчета. В сложных случаях поисковые расчеты удобно выполнять на ЭВМ. То обстоятельство, что конструктор сам выбирает расчетные схемы, запасы прочности и лишние неизвестные параметры, приводит к неоднозначности инженерных расчетов, а следовательно, и работоспособности конструкций. В каждой конструкции отражаются творческие способности, знание и опыт конструктора. Внедряются наиболее совершенные решения.

Расчетные нагрузки. При расчетах деталей машин различают расчетную и номинальную нагрузку. Расчетную нагрузку, например вращающий момент Т, определяют как произведение номинального момента Т н на динамический коэффициент режима нагрузки К* Т =Т н *К.

Номинальный момент соответствует паспортной (проектной) мощности машины. Коэффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением. Значение этого коэффициента зависит от типа двигателя, привода и рабочей машины. Если режим работы машины, ее упругие характеристики и масса известны, го значение К можно определить расчетом. В других случаях значение К выбирают, ориентируясь на рекомендации. Такие рекомендации составляют на основе экспериментальных исследований и опыта эксплуатации различных машин.

При расчете некоторых механизмов вводят дополнительные коэффициенты нагрузки, учитывающие специфические особенности этих механизмов, см., например, зубчатые передачи, гл. 4.

Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом. При изложении этого вопроса предполагают, что изучающим известны основные сведения о свойствах машиностроительных материалов и способах их производства из курсов материаловедения, технологии материалов, сопротивления материалов.

Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы: соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, износостойкость и др.); требования к массе и габари­там детали и машины в целом; другие требования, связанные с назна­чением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т. д.); соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.); стоимость и дефицитность материала.

Черные металлы , подразделяемые на чугуны и стали, имеют наибольшее распространение. Это объясняется прежде всего их высокой прочностью и жесткостью, а также сравнительно невысокой стоимостью. Основные недостатки черных металлов - большая плотность и слабая коррозионная стойкость.

Цветные металлы - медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие - применяют главным образом в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминия и т. д.). Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполне­ния особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозинности и др.

Неметаллические материалы - дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы также находят широкое применение.

Пластмассы и композитные материалы - сравнительно новые, но уже хорошо освоенные выпуском, применение кото­рых в машиностроении все более расширяется. Современное развитие химии высокомолекулярных соединений позволяет получить материалы, которые обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью и т. д.

Пластмассы технологичны. Они обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются пластическим деформированием при сравнительно невысоких температурах и давлениях. Это позволяет получать из пластмасс изделия почти любой сложной формы высоко­производительными методами: литьем под давлением, штамповкой, вытяжкой или выдуванием. Другим преимуществом пластмасс и композитных материалов является сочетание легкости и высокой прочности. По этому показателю некоторые их виды могут конкурировать с лучшими сортами стали и дюралюминия. Высокая удельная прочность позволяет, использовать данные материалы в конструкциях, уменьшение массы которых имеет особо важное значение.

Основные потребители пластмасс в настоящее время - электрорадиотехническая и химическая промышленность. Здесь из пластмасс изготовляют корпуса, панели, колодки, изоляторы, баки, трубы и другие детали, подвергающиеся действию кислот, щелочей и т. п. В дру­гих отраслях машиностроения пластмассы применяют, главным образом, для производства корпусных деталей, шкивов, вкладышей под­шипников, фрикционных накладок, втулок, маховичков, рукояток…

Технико-экономическая эффективность применения пластмасс и композитных материалов в машиностроении определяется в основном значительным снижением массы машин и повышением их эксплуатационных качеств, а также экономией цветных металлов и сталей. Замена металла пластмассами значительно снижает трудоемкость и себестоимость машиностроительной продукции. При замене черных металлов пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5. . .6 раз, а себестоимость - в 2. . .6 раз. При замене пластмассами цветных металлов себестоимость снижается в 4. . .10 раз.

Порошковые материалы получают методом порошковой метал лургии, сущность которой состоит в изготовлении деталей из порошков металлов путем прессования и последующего спекания в пресс-формах. Применяют порошки однородные или из смеси различных металлов, а также из смеси металлов с неметаллическими материалами, например с графитом. При этом получают материалы с различными механическими и физическими свойствами (например, высокопрочные, износостойкие, антифрикционные и др.).

В машиностроении наибольшее распространение получили детали на основе железного порошка. Детали, изготовленные методом порошковой металлургии, не нуждаются в последующей обработке резанием, что весьма эффективно при массовом производстве. В условиях современного массового производства развитию порошковой металлургии уделяется большое влияние.

Использование вероятностных методов расчета.

Основы теории вероятности изучают в специальных разделах математики. В курсе деталей машин вероятностные расчеты используют в двух видах: принимают табличные значения физических величин, подсчитанные с заданной вероятностью (к таким величинам относятся, например, ме­ханические характеристики материалов σ в, σ_ 1 , твердость Н и др., ресурс наработки подшипников качения и пр.); учитывают заданную вероятность отклонения линейных размеров при определении расчетных значений зазоров и натягов, например в расчетах соединений с натягом и зазоров в подшипниках скольжения при режиме жидкостного трения.

Установлено, что отклонения диаметров отверстий D и валов d подчиняются нормальному закону распределения (закону Гаусса). При этом для определения вероятностных зазоров S p и натягов N p получены зависимости:

Sp min - max = ,
,

где верхние и нижние знаки относятся соответственно к мини­мальному и максимальному зазору или натягу, S = 0,5 (S min +S max), N =0.5(Nmin +N max); допуски T D = ES - EJ и T d =es-ei; ES , es -верхние, a EJ , ei -нижние предельные отклонения размеров.

Коэффициент С зависит от принятой вероятности Р обеспечения того, что фактическое значение зазора или натяга располагается в пределах S P min …S P max или N P min … N P max:

P ……….. 0.99 0.99 0.98 0.97 0.95 0.99

C ……… 0.5 0.39 0.34 0.31 0.27 0.21

На рис. представлено графическое изображение параметров формулы для соединения с натягом. Здесь f (D ) и f (d ) плотности
распределения вероятностей случайных величин D и d . Заштрихованы участки кривых, которые не учитывают как маловероятные при расчетах с принятой вероятностью Р.

Применение вероятностных расчетов позволяет существенно повысить допускаемые нагрузки при малой вероятности отказов. В условиях массового производства это дает большой экономический эффект.

Надежность машин .

Приняты следующие показатели надёжности:

Показатели безотказности

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки, отказ не возникнет.

Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Интенсивность отказов – показатель надёжности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными.

Параметр потока отказов - показатель надёжности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольную малую его наработку к значению этой наработки (соответствует интенсивности отказов для неремонтируемых изделий, но включает повторные отказы).

Показатели долговечности

Технический ресурс (ресурс) – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до предельного состояния работоспособности. Ресурс выражается е единицах времени работы (обычно в часах), или длины пути пробега (в километрах), или в количестве единиц выпускаемой продукции.

Срок службы – календарная наработка до предельного состояния работоспособности (в годах).

Показатели ремонтопригодности и сохраняемости

Среднее время восстановления до работоспособного состояния.

Вероятность восстановления до работоспособного состояния в заданное время.

Сроки сохраняемости: средний и γ - процентный.

Комплексные показатели (для сложных машин и поточных линий.)

Различают три периода, от которых зависит надежность: проектирования, производства, эксплуатации.

При проектировании закладываются основы надежности. Плохо продуманные, неотработанные конструкции не бывают надежными. Конструктор должен отразить в расчетах, чертежах, технических ус­ловиях и другой технической документации все факторы, обеспечивающие надежность.

При производстве обеспечиваются все средства превышения надёж ности, заложенные конструктором. Отклонения от конструкторской документации нарушают надежность. В целях исключения влияния дефектов производства все изделия необходимо тщательно контролировать.

При эксплуатации реализуется надежность изделия. Такие понятия надежности, как безотказность и долговечность, проявляются только в процессе работы машины и зависят от методов и условий ее эксплуатации, принятой системы ремонта, методов технического обслуживания, режимов работы и пр.

Основные причины, определяющие надежность, содержат элементы случайности. Случайны отклонения от номинальных значений характеристик прочности материала, номинальных размеров деталей и прочих показателей, зависящих от качества производства; случайны отклонения от расчетных режимов эксплуатации и т. д. Поэтому для описания надежности используют теорию вероятности.

Надежность оценивают вероятностью сохранения работоспособно сти в течение заданного срока службы . Утрату работоспособности называют отказом . Если, например, вероятность безотказной работы изделия в течение 1000 ч. равна 0,99, то это значит, что из некоторого большого числа таких изделий, например из 100, один процент или одно изделие потеряет свою работоспособность раньше чем через 1000 ч. Вероятность безотказной работы (или коэффициент надежности) для нашего примера равна отношению числа надежных изделий к числу изделий, подвергавшихся наблюдениям:

P(t) =99/100=0,99.

Значение коэффициента надежности зависит от периода наблюдения t , который включен в обозначение коэффициента. У изношенной машины Р(t ) меньше, чем у новой (за исключением периода обкатки, который рассматривают особо).

Коэффициент надежности сложного изделия выражается произве­дением коэффициентов надежности составляющих элементов:

P (t )= P 1 (t ) P 2 (t )... P n (t ).

Анализируя эту формулу, можно отметить следующее;

- надежность сложной системы всегда меньше надежности самого ненадежного элемента, поэтому важно не допускать в систему ни од ного слабого элемента.

- чем больше элементов имеет система, тем меньше ее надежность. Если, например, система включает 100 элементов с одинаковой надежностью Р п (t) = 0,99, то надежность P(t) = 0,99 100 0,37. Такая система, конечно, не может быть признана работоспособной, так как онабольше простаивает, чем работает. Это позволяет понять, почему проблема надежности стала особенно актуальной в современный период развития техники по пути создания сложных автоматических систем. Известно, что многие такие системы (автоматические линии, ракеты, самолеты, математические машины и др.) включают десятки и сотни тысяч элементов. Если в этих системах не обеспечивается достаточная надежность каждого элемента, то они становятся непригодными или неэффективными.

Изучением надежности занимается самостоятельная отрасль науки и техники.

Ниже излагаются основные пути повышения надежности на стадии проектирования, имеющие общее значение при изучении настоящего курса.

1. Из предыдущего ясно, что разумный подход к получению высокой надежности состоит в проектировании по возможности простых изделий с меньшим числом деталей. Каждой детали должна быть обеспечена достаточно высокая надежность, равная или близкая к надежности остальных деталей.

2. Одним из простейших и эффективных мероприятий по повышению надежности является уменьшение напряженности деталей (повышение запасов прочности). Однако это требование надежности вступает в противоречие с требованиями уменьшения габаритов, массы и стоимости изделий. Для примирения этих противоречивых требований рационально использовать высокопрочные материалы и упрочняющую технологию: легированные стали, термическую и химико-термическую обработку, наплавку твердых и антифрикционных сплавов на поверхность деталей, поверхностное упрочнение путем дробеструйной обработки или накатки роликами и

т. п. Так, например, путем термической обработки можно увеличить нагрузочную способность зубчатых передач в 2 - 4 раза. Хромирование шеек коленчатого вала автомобильных двигателей увеличивает срок службы по износу в 3 - 5 и более раз. Дробеструйный наклеп зубчатых колес, рессор, пружин и прочее повышает срок службы по усталости материала в 2-3 раза.

Эффективной мерой повышения надежности является хорошая система смазки: правильный выбор сорта масла, рациональная система подвода смазки к трущимся поверхностям, защита трущихся поверхностей от абразивных частиц (пыли и грязи) путем размещения изделий в закрытых корпусах, установки эффективных уплотнений и т. п.

Статически определимые системы более надежны. В этих системах меньше проявляется вредное влияние дефектов производства на распределение нагрузки.

Если условия эксплуатации таковы, что возможны случайные перегрузки, то в конструкции следует предусматривать предохрани тельные устройства (предохранительные муфты или реле максимального тока).

Широкое использование стандартных узлов и деталей, а также стандартных элементов конструкций (резьб, галтелей и пр.) повышает надежность. Это связано с тем, что стандарты разрабатывают на основе большого опыта, а стандартные узлы и детали изготовляют на специализированных заводах с автоматизированным производством. При этом повышаются качество и однородность изделий.

7. В некоторых изделиях, преимущественно в электронной аппаратуре, для повышения надежности применяют не последовательное, а параллельное соединение элементов и так называемое резервирование. При параллельном соединении элементов надёжность системы значительно повышается, так как функцию отказавшего элемента принимает на себя параллельный ему или резервный элемент. В машиностроении параллельное соединение элементов и резервирование применяют редко, так как в большинстве случаев они приводят к значительному повышению массы, габаритов и стоимости изделий, Оправданным применением параллельного соединения могут служить самолеты с двумя и четырьмя двигателями. Самолет с четырьмя двигателями не терпит аварии при отказе одного и даже двух двигателей.

8. Для многих машин большое значение имеет ремонтопригодность. Отношение времени простоя в ремонте к рабочему времени является одним из показателей надежности. Конструкция должна обеспечивать легкую доступность к узлам и деталям для осмотра или замены. Сменные детали должны быть взаимозаменяемыми с запасными частями. В конструкции желательно выделять так называемые ремонтные узлы. Замена поврежденного узла заранее подготовленным значительно сокращает ремонтный простой машины.

Перечисленные факторы позволяют сделать вывод, что надежность является одним из основных показателей качества изделия. По надеж ности изделия можно судить о качестве проектно-конструкторских работ, производства и эксплуатации.