Детали машин

Детали машин и механизмов — основные положения

Задачи раздела «Детали машин»

Курс учебной дисциплины «Детали машин» рассматривает основы расчета и конструирования деталей, узлов и агрегатов, встречающихся в различных машинах и механизмах.
Учебными программами среднего профессионального образования предмет «Детали машин» рассматриваются и изучаются, как раздел учебной дисциплины «Техническая механика», куда входят, также, «Теоретическая механика» и «Сопротивление материалов». В технических и строительных ВУЗах эти предметы изучаются более углубленно и преподаются как самостоятельные учебные дисциплины.

Детали машин должны удовлетворять двум основным условиям: надежности и экономичности. Под экономичностью понимают минимально необходимую стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации.

Понятия и определения раздела «Детали машин»

Предмет «Детали машин» оперирует следующими основными понятиями и определениями:

Машина (от латинского machina) — механическое устройство, выполняющее движения с целью преобразования энергии, материалов или информации. Основное назначение машин — частичная или полная замена производственных функций человека с целью повышения производительности, облегчения человеческого труда или замены человека в недопустимых для него условиях работы.

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

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

Механизм — искусственно созданная система материальных тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое (необходимое) движение других тел. Примерами механизмов могут служить различные редукторы, коробки передач автомобилей, тракторов и т. п.

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

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

Деталь — наименьшая неделимая (не разбираемая) часть машины, агрегата, механизма, прибора, узла, т. е. деталь — это часть машины, которую изготовляют без сборочных операций.

В зависимости от сложности изготовления детали, в свою очередь, делятся на простые и сложные.
Простые детали для своего изготовления требуют небольшого числа уже известных и хорошо освоенных технологических операций и изготавливаются при массовом производстве на станках-автоматах (например, крепежные изделия — болты, винты, гайки, шайбы, шплинты; зубчатые колеса небольших размеров и т.п.).

Узлы и детали общего назначения применяются в большинстве современных машин и приборов (крепежные детали: болты, винты, гайки, шайбы; зубчатые колеса, подшипники качения и т.п.). Их изготовляют ежегодно в больших количествах (в одном легковом автомобиле более пяти тысяч различных типов деталей, более тридцати подшипников), поэтому знание основных методов расчета, правил и норм проектирования, подтвержденных статистикой эксплуатации, очень важно для конструкторской подготовки.
Именно такие детали изучаются в курсе деталей машин.

Сложные детали имеют чаще всего достаточно сложную конфигурацию, а при их изготовлении применяются достаточно сложные технологические операции и используется значительный объем ручного труда, для выполнения которого в последние годы все чаще применяются роботы (например, при сборке-сварке кузовов легковых автомобилей).

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

Классификация узлов и деталей по назначению

По функциональному назначению узлы и детали делятся на:

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

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

Передаточные механизмы и детали , предназначенные для передачи энергии и движения от источника (двигателя) к потребителю (исполнительному механизму), выполняющему необходимую полезную работу.
В курсе «Детали машин» рассматриваются в основном передачи вращательного движения: фрикционные, зубчатые, ременные, цепные и т.п. Эти передачи содержат большое число деталей вращения: валы, шкивы, зубчатые колеса и т.п.
Иногда возникает необходимость передавать энергию и движение с преобразованием последнего, например, вращательного в поступательное и наоборот. В таких случаях используются кулачковые, реечные и рычажные механизмы.

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

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

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

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

Основными требованиями, предъявляемыми к деталям машин, являются требования работоспособности и надежности.
К деталям, непосредственно контактирующим с человеком-оператором (ручки и рычаги управления, элементы кабин машины, приборные щитки и т.п.), кроме названных предъявляются требования эргономичности и эстетичности.
Еще одно важное требование, предъявляемое к машинам и их деталям – технологичность конструкции, которая характеризуется наименьшими затратами при производстве, эксплуатации и ремонте.

Объекты изучения раздела «Детали машин»

Предмет Детали машин изучает следующие объекты и составляющие звенья конструкций:

Соединения и детали соединений .
Соединения разделяют на разъемные и неразъемные.
Разъемные соединения допускают многократную переборку. Их основные типы: резьбовые, шпоночные, шлицевые, клеммовые, на закрепительных конических втулках.
Неразъемные соединения не допускают многократной переборки. Для разборки такого соединения его нужно разрушить. Основные типы: сварные, клеевые, паяные, заклепочные, соединения с натягом. Последние относят к неразъемным условно, так как они позволяют проводить сборку и разборку, но не многократно.

Детали передач. В курсе рассматривают механические передачи: зубчатые, планетарные, волновые, червячные, фрикционные, ременные, цепные, винт-гайка и некоторые другие.

Детали, обслуживающие вращательное движение – валы и оси, подшипники качения и скольжения, муфты приводов.

При изучении каждого из объектов рассматривается:

• Назначение объекта (передачи, муфты, соединения).
• Описание конструкции и принципа действия (работы).
• Области применения.
• Сравнительные достоинства и недостатки.
• Условия работы и действующие нагрузки.
• Характер и причины отказа – критерии работоспособности.
• Применяемые материалы и сведения о технологии изготовления.
• Методы расчета и конструирования (составление расчетной схемы; проектировочный и (или) проверочный расчет по основным критериям работоспособности; рекомендации по конструированию).
• Направления совершенствования конструкции и методов расчета.

При выполнении курсового проекта дополнительно изучают проектирование корпусных деталей (корпусов, рам, плит), деталей смазывающих устройств, упругих элементов и др.

Лекция № 1. Общие сведения о деталях машин

Вопросы, изложенные в лекции:

1. Предмет и дисциплина «Детали машин».

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

3. Работоспособность и надежность изделий.

4. Проектирование и расчет типовых изделий.

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

Курс «Детали машин и основы конструирования» является заверша­ющим в общеинженерной подготовке курсантов высших общевойсковых и танковых командных институтов.

Цель курса — создать теоретическую базу для последующего изучения конструкции многоцелевых гусеничных и колесных машин (МГКМ), их эксплуатации и ремонта с учетом критериев работоспособности, надежно­сти и технологичности.

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

Иметь представление:

о принципах проектирования деталей и узлов боевых машин и авто­мобилей;

о влиянии материалов и технологичности конструкций на эффектив­ность и эксплуатационные качества БМП и БТР.

Знать:

характерные виды разрушения и основные критерии работоспособ­ности узлов и агрегатов БМП и БТР.

Уметь:

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

оценивать достоинства и недостатки конструкции узлов и агрега­тов боевых машин;

конструировать узлы и агрегаты боевых машин.

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

Объем курсасоставляет 180 часов; из них учебных занятий с преподавателем (аудиторных) 116 часов — лекций 32 часа, практических, лабораторных и самостоятельных занятий под руководством преподавателя 84 часа, включая 36 часов курсового проектирования.

Литература для изучения:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

По функциональному назначениюузлы и детали делятся на:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работоспособность количественно оценивается следующими показа­телями:

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

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

3. Износостойкость — способность детали сопротивляться изнаши­ванию.

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

Неработоспособное состояние наступает вследствие отказа.

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

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

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

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

Такой комплект технической документации включает:

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

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

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

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

При проектировании решаются следующие основные задачи:

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

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

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

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

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

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

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