Материал: Детали машин и основы конструирования. Учебное пособие. Нилов В.А., Рукин Ю.Б

Рис. 4.2 Кривая усталости

Под влиянием циклических напряжений разрушение носит усталостный характер, характеризуемый постепенным накоплением повреждений. Сопротивление усталости значительно снижается при наличии различных концентратов напряжений (галтелей, проточек, шпоночных канавок и т.д.).

Для оценки прочности детали используют ряд способов. Один из них заключается в удовлетворении неравенства:

; ,

где допускаемые напряжения могут задаваться в табличном виде (по результатам испытаний) или их можно получить расчетным путем как часть разрушающего напряжения.

Эти расчеты просты и удобны, и ими пользуются при проектных расчетах для определения необходимых размеров деталей, поскольку на этой стадии проектирования невозможно учесть все факторы, влияющие на прочность детали.

После проектного расчета необходимо выполнить проверочный расчет сконструированной детали на основе ее рабочего чертежа.

Проверочный расчет рекомендуется выполнять путем сопоставления коэффициентов запасов прочности:

n ≥ [n].

Величину допустимого коэффициента запаса прочности определяют как произведение частных коэффициентов запаса:

[n] = [n1] [n2] [n3]=1,2…3,75,

30

где [n1] [n2] [n3] – коэффициенты достоверности расчетных нагрузок, однородности механических характеристик материала, точности расчетной методики:

[n1]=1,0…1,5; [n2]=1,2…1,5; [n3]=1,0…1,5.

Таблица 4.1 Величины коэффициентов запасов прочности

Коэффициент запаса прочности зависит от механических свойств материала: так для хрупких материалов коэффициент запаса прочности [n] по отношению к пределу прочности (ζВ ) выбирают довольно большим [n] ≥ 3. Это вызвано тем, что даже однократное превышение ζВ вызывает у хрупких материалов разрушение.

Для пластичных материалов коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести (ζТ) выбирается минимальным. Для точных расчетов с экспериментальной проверкой объекта [n] = 1,2…1,5.

При расчете на выносливость коэффициент запаса прочности по отношению к пределу выносливости (ζВ), несмотря на опасный характер разрушения, выбирают относительно небольшими [n] = 1,3…2,5. Это вызвано тем, что единичные перегрузки не приводят к разрушениям.

31

В некоторых случаях (при расчете ответственных деталей ЛА) расчеты по номинальным напряжениям могут дополняться или заменяться расчетами по предельным нагрузкам.

Fp Fразр или р разр ,

где Fp и ζР – расчетные нагрузка и напряжение, определяемые

где FЭ и ζЭ – эксплутационные нагрузка и напряжение;

f – коэффициент безопасности согласно нормам прочности (для летательных аппаратов f = 1,3…2).

Величины разрушающей нагрузки обычно получают экспериментальным путем, либо рассчитывают при минимальном запасе прочности:

Fразр В S раб К ,

где S – площадь рабочего сечения;

К – коэффициент ослабления сечения, для летательных аппаратов К = 0,85..0,95.

Жесткость – способность тела сопротивляться образованию деформаций.

В ряде случаев размеры деталей определяют не расчеты на прочность, а расчеты на жесткость.

Например, станина шлифовального станка испытывает небольшие нагрузки, но она должна быть жесткой, чтобы не деформироваться под действием внешних сил, чтобы исключить вибрацию при работе. Поэтому ее размеры определяются из условия жесткости, а не прочности. Многие детали (оси, валы, рычаги, рессоры, пружины и т.д.) рассчитывают не только на прочность, но и на жесткость.

Различают собственную жесткость детали (деформация основного объема материала) и контактную жесткость (деформация поверхностных слоев материала детали).

32

При оценке собственной жесткости пользуются коэф-

фициентом жесткости (отношение силового фактора (сила или момент) к вызываемой им деформации.

Так, коэффициентом жесткости стержня постоянного сечения «F» и длиной «l», растягиваемого силой «р»:

При кручении

CG J p . l

При изгибе

Величину, обратную коэффициенту жесткости называют

коэффициентом податливости:

С1 .

Из приведенных зависимостей видно, что увеличить жесткость детали можно выбором соответствующего материала (E, G) и следующими конструктивными средствами:

-уменьшением плеч изгибающих и скручивающих моментов;

-введением дополнительных опор;

-уменьшением длины растягиваемых деталей и увеличением площади поперечных сечений.

На контактную жесткость рассчитываются детали, имеющие точечный или линейный контакт (шарикоподшипники

–точечный контакт, роликоподшипники и зубчатые колеса – линейный). Повышение контактной жесткости можно добиться:

-улучшением качества обработки контактирующих поверхностей;

33

-введением сборки соединений и узлов с предварительным натягом и с предварительной затяжкой;

-уменьшением числа стыков;

-введением масляного слоя между контактирующими поверхностями.

Виброустойчивость – способность конструкции работать в наружном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Вибрации – периодические деформации, амплитуды которых весьма малы по сравнению с деталью. Причинами вибрации могут быть динамическая неуравновешенность вращающихся частей, периодические изменения внешних нагрузок и т.п. При определенных условиях они могут вызывать усталостное разрушение материала детали. Особенно опасно для прочности деталей явление резонанса, наблюдающееся при совпадении частот собственных и вынужденных колебаний,

т.к. в этом случае амплитуда колебаний резко возрастает.

Расчеты на колебания отдельных видов ДМ излагают в специальных курсах.

Теплостойкость – способность материала детали сохранять несущую способность при повышенной температуре

втечение определенного времени.

Работа машин сопровождается тепловыделением, вызываемым рабочим процессом машины и трением в механизмах. Особенно большое тепловыделение наблюдается у тепловых двигателей (ДВС, ДЛА, ракеты), электрических машин, машин для горячей обработки материалов (молоты, штампы кузнечные, прокатные станы). В результате нагрева возникают вредные явления:

а – снижение несущей способности деталей и появление явления ползучести при температуре 300…400ºС и выше (легированная сталь), 150…200ºС (алюминиевые сплавы и пластмассы). Применение жаропрочных сплавов титана повышает эти температуры до 250..300ºС и более, а у жаропрочных сталей – до 1000ºС и более;

34