«Детали машин» – раздел механики, в котором изучают основы проектирования машин и механизмов.
Любая машина или механизм состоят из сборочных единиц (узлов) и отдельных деталей. Детали, представляющие единое целое, изготовляют без применения сборочных операций (валы, винты, шкивы, зубчатые колеса и др.).
Сборочные единицы (узлы) состоят из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т.п.). Менее сложные сборочные единицы могут входить в более сложные (в редукторе имеются подшипники, валы с зубчатыми колесами).
Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяются такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т.п.). Эти детали (узлы) называют деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин». Все другие детали (поршни, лопатки турбин и т.п.) относят к деталям специального назначения и изучают в специальных курсах.
Детали общего назначения могут быть условно подразделены на четыре основные категории:
1. Детали неразъемных (заклепки) и разъемных (болты, винты, шпонки, штифты и др.) соединений.
2. Детали для поддержания и соединения вращающихся частей машин (оси, валы, подшипники и муфты).
3. Детали передач (зубчатых, фрикционных, винтовых, цепных, ременных и др.).
4. Детали смазочных устройств, трубопроводов и аппаратуры.
Детали и сборочные единицы общего назначения являются изделиями массового производства. Поэтому даже незначительное усовершенствование их конструкции, повышение качества изготовления дают большой экономический эффект.
Несмотря на большое многообразие современных машин, отличающихся друг от друга назначением, производительностью, скоростью движения рабочих органов и т.д., установлены общие требования, предъявляемые к конструкции самих машин, а также их узлов и деталей.
Машина должна отличаться целесообразностью, легкостью и компактностью конструкции, экономичностью ее изготовления и эксплуатации, прочностью и долговечностью в работе, надежностью и безопасностью действия, привлекательным внешним видом и удобством пользования.
К конструкциям узлов предъявляются требования легкой их сборки и разборки, легкой замены быстроизнашивающихся частей и т.д.
Критериями работоспособности деталей является их прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость. Под надежностью деталей и сборочных единиц понимают их свойство сохранять работоспособность в течение заданного срока эксплуатации.
В зависимости от назначения детали ее расчет ведут по одному или нескольким критериям. Например, валы рассчитывают на прочность, жесткость, виброустойчивость, а для резьбовых и сварных соединений главным критерием является их прочность.
Прочность – важнейший критерий работоспособности детали, характеризует ее способность сопротивляться действию нагрузок без разрушения или пластических деформаций. Непрочные детали не могут работать.
Различают поломки деталей при статическом нагружении и при повторно-переменном нагружении, когда рабочие напряжения достигают соответственно предела прочности σв (предела текучести σт) и пределов выносливости σ-1, τ-1.
Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. [3] Упругие перемещения деталей не должны превышать допустимых перемещений, устанавливаемых на основании опытов и расчетов. Например, при больших прогибах валов в редукторе резко ухудшается работа зубчатых колес и подшипников.
Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. [3] При этом чаще встречаются случаи, когда размеры, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.
Для увеличения жесткости деталей при конструировании механизма рекомендуется:
- заменять, где это возможно, деформацию изгиба растяжением и сжатием;
- уменьшать плечи изгибающих и скручивающих сил и линейные размеры деталей, испытывающих напряжения изгиба и кручения;
- для деталей, работающих на изгиб, применять такие формы сечений, которые имеют наибольшие моменты инерции Jх и сопротивления Wх;
- для деталей, работающих на кручение, применять замкнутые (кольцевые) сечения, имеющие наибольшие моменты инерции Jρ и сопротивления Wρ при кручении;
- уменьшать длину деталей, работающих на сжатие (продольный изгиб);
- выбирать для деталей материалы с высоким значением модуля упругости (Е или G).
Износостойкость. В результате изнашивания выходят из строя большинство подвижно соединенных деталей. При этом происходит увеличение зазоров в соединении, что приводит к потере точности работы механизма, возрастанию динамических нагрузок и даже поломке деталей.
Изнашивание увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения дорогих ремонтных работ. Для многих типов машин за период их эксплуатации затраты на ремонты и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Этим объясняется большое внимание, которое уделяют в настоящее время трибонике – науке о трении, смазке и изнашивании механизмов. [3]
Повышение износостойкости деталей может быть достигнуто:
- соответствующим выбором материала;
- повышением твердости и чистоты трущихся поверхностей;
- обеспечением условий для жидкостного трения, при котором поверхности деталей разделены тонким масляным слоем. Они непосредственно не соприкасаются, а, следовательно, и не изнашиваются, коэффициент трения становится очень малым (0,005);
- соблюдением рационального режима смазки и предохранения поверхностей от загрязнения.
Виброустойчивость. При высоких скоростях звеньев механизмов могут возникнуть вибрации, которые вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. При вибрациях особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае, когда частота собственных колебаний детали совпадает счастотой изменения периодических сил, вызывающих вибрации, так как при этом резко возрастает амплитуда колебаний и может произойти разрушение детали.
Причинами появления вибрации являются: неуравновешенность движущихся деталей механизма, большие зазоры между сопряженными деталями, неточность изготовления зубьев колес, недостаточная жесткость деталей и корпусов механизмов, периодическое изменение сил и другие причины.
Для предотвращения вибраций необходимо устранить причины, способствующие их возникновению. Часто вибрации можно устранить путем изменения динамических свойств системы, изменения моментов инерции подвижных частей механизма и увеличения жесткости вибрирующих деталей, уравновешивания вращающихся деталей. Для защиты механизма от внешних механических воздействий – толчков, ударов и вибрации – применяются амортизаторы.
Теплостойкость. Тепловые расчеты при проектировании механизмов обычно производятся для решения двух задач:
1) определения температуры нагрева деталей и изыскания способов ограничения ее величины допустимыми пределами;
2) определения величины тепловых деформаций деталей для учета их влияния на точность и надежность механизма.
Пренебрежение к учету влияния тепловых факторов может привести к чрезмерному и неравномерному нагреву деталей механизма и нарушению нормального их взаимодействия.
Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).