ГОУВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Воронеж 2007

Основы проектирования и конструирования деталей машин

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

УДК 621.81(075.8)

Нилов В.А. Основы проектирования и конструирования деталей машин: учеб. пособие / В.А. Нилов, Р.А. Жилин, Ю.Б. Рукин. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. 293 с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы расчета и конструирования типовых деталей машин. Особое внимание уделено освещению вопросов, связанных с изучением общих принципов расчета и приобретении навыков конструирования, обеспечивающих рациональный выбор материалов, форм, размеров и способа изготовления типовых деталей машин.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования понаправлению200500 «Метрология, стандартизация и сертификация», специальности 200503 «Стандартизация и сертификация», дисциплине «Детали машин (приборов) и основы конструирования».

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD 2000 и содержится в файле Конспект ДМ СТ.doc.

Табл. 19. Ил. 149. Библиогр.: 6 назв.

Научный редактор канд. техн. наук, доц. Б.Б. Еськов

Рецензенты: кафедра дорожных и строительных машин ВГАСУ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. П.И. Никулин); канд. техн. наук, доц. М.Г. Поташников

1.  Нилов в.А., Жилин р.А, Рукин ю.Б., 2007  Оформление. Гоувпо «Воронежский государственный технический университет», 2007 о сновные положения

1.1.Термины и определения. Классификация

Дисциплина «Детали машин (приборов) и основы конструирования» являются первым из расчетно-конструкторских курсов, в котором изучают основы проектирования машин и меха­низмов.

Как самостоятельная научная дисциплина курс «Детали машин» оформился к 80-м годам XIX века. В это время он был выделен из общего курса построения машин. До этого расчеты машин элементарный характер. Студенты изучали все вопросы машиност­роения в общем курсе построения машин. Развитие машиностроения и теории расчета машин сделало этот курс чрезвычайно обширным, а общее обучение – не­целесообразным. Поэтому курс построения машин был расчленен на ряд общетех­нических и специальных дисциплин.

В России первый курс под названием «Детали машин» написан в 1881 г. проф. В. Л. Кирпичевым (1845–1913). В дальнейшем этот курс получил свое развитие в трудах проф. П. К. Худякова (1857–1936), А. И. Сидорова (1866–1931), М. А. Саверина (1891–1952) и др. Из курсов, написанных зарубежными учеными, переведены на русский язык и широко использовались труды К. Баха и Ф. Ретшера.

В зависимости от сложности и габаритов, всякий продукт машиностроения состоит из конечного числа объектов. В соответствии со стандартом для обозначения этих объектов используются ниже следующие термины.

Изделие – это согласно ГОСТ 2.101-68 любой предмет (или набор предметов), подлежа­щий изготовлению на предприятии.

Механизм – система тел, предназначенная для преобразования движения одних твердых тел в необходимые движения других тел.

Машина – механическое устройство, совершающее движения с целью преобразования энергии, материалов и информации, напри­мер двигатель внутреннего сгорания, прокатный стан, арифмометр. ЭВМ, с точки зрения машиностроения, не может называться машиной, так как не име­ет деталей, совершающих механические движения.

Деталь – это изделие, изготовленное из однородного материала без применения сборочных операций, например винт, гайка, вал, шкив, литой корпус.

Сборочная единица – изделие, составные части которого соединены между собой в процессе сборочных операций (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой и т. д.), например ручка, подшипник, стол, автотракторный двигатель, ко­робка передач, сварной корпус.

Сбо­рочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия, называется узлом. Укрупненный, обладающий полной взаимозаменяемостью узел, выполняющий определенную функцию, на­зывается машинным агрегатом (например, электродвигатель), а метод компоновки промышленных изделий из отдель­ных агрегатов называется агрегатированием. Агрегатирование значи­тельно упрощает проектирование, сборку, эксплуатацию, ремонт и мо­дернизацию изделий.

Многие детали и узлы различных машин похожи, имеют одинаковое функциональное назначе­ние, поэтому их называют деталями общего назначения и именно они являются объектом изучения в настоящем курсе. Детали, характерные только для некоторых типов машин (например, пропеллеры самолетов, гребные вин­ты судов, лопатки турбин, шатуны, коленвалы и поршни двигателей и т. п.), называются деталями специального назначения и рассматриваются в специальных дисциплинах.

Комплекс – два и более изделия, не соеди­ненные сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатаци­онных функций, например поточная линия станков, телефонная станция.

Комплект – два и более изделия, не соединенные сборочными операциями и предназначенные для выполнения вспомогательных функций, например комплект запасных частей, измерительного инструмента, записывающей аппаратуры.

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

Работоспособность (ГОСТ 27.002–89) узлов и деталей машин – состояние, при котором сохраняется способность выполнения за­данных функций в пределах параметров, установленных норматив­но-технической документацией.

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

Прочность – главный критерий работоспособности большин­ства деталей машин без поломок при постоянной (статической) и переменной нагрузке. Непрочные детали не могут работать. Следу­ет помнить, что разрушения частей машины приводят не только к простоям, но и к несчастным случаям. Прочность при статической нагрузке – это способность детали сохранить работоспособность без поломок при максимальной нагрузке, на которую она рассчитана. Прочность при переменной нагрузке – это способность сохранить работоспо­собность без поломок в течение заданного времени и при всех видах действующих на деталь нагрузок.

Жесткость – способность тела или конструкции сопротивлять­ся деформированию.

Износостойкость – критерий работоспособности трущихся де­талей в течение времени. От износа деталей существенно зависит стоимость эксплуатации в связи с необходимостью периодической проверки их состояния и проведения ремонта с целью восстановле­ния работоспособности.

Теплостойкость – сохранение работоспособности и прочности деталей в условиях рабочих температур.

Виброустойчивость – сохранение работоспособности деталей и машин в нужном диапазоне режимов с допустимыми колебаниями и без резонанса.

Надежность (ГОСТ 27.002–89) – свойство объекта (машин, ме­ханизмов и деталей) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных показателей в нужных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирова­ния.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять рабо­тоспособность в течение некоторого времени или некоторой нара­ботки.

Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспо­собности объекта.

Долговечность – свойство машины (механизма, детали) сохра­нять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технических обслуживании и ремон­тов. Под предельным понимается такое состояние объекта, когда дальнейшая эксплуатация становится экономически нецелесооб­разной или технически невозможной (например, ремонт обходится дороже новой машины, детали или может вызвать аварийную по­ломку).

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в при­способленности к предупреждению и обнаружению причин воз­никновения отказов и повреждений и устранению их последствий в процессе ремонта и технического обслуживания.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять работоспособ­ность в течение и после хранения или транспортирования.

Чертежи деталей и сборочных единиц обязательно имеют технические требования на изготовление. Чертежи сборочных единиц дополнительно снабжаются технической характеристикой и подетальной спецификацией (отдельный текстовый документ).

Задача курса «Детали машин и основы конструирования» заключается в том, чтобы исходя из заданных условий работы детали или сборочной единицы, изложить научно-обоснованные методы и правила их проектирования и конструирования. При этом принятый метод должен обеспечить выбор наиболее рациональных форм, размеров, материала, степени точности и качества изделия.

1.2.Основные сведения о проектировании и конструировании

Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования и конструирования. Если производство изделий есть их изготовление по имеющемуся описанию, то проектирование – это процесс получения такого описания. Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно-обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Проектирование это выбор некоторого способа действий, в частном случае – это создание системы, способной решить поставленную задачу.

Конструированием создается конкретная, однозначная конструкция изделия. Конструкция – это устройство, взаимное расположение частей и элементов машины, прибора, определяющееся его назначением. В процессе конструирования создаются изображения и виды изделия, выбирается материал, устанавливаются требования к шероховатости поверхностей, создается техническая документация. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании.

Проектирование и конструирование, дополняя друг друга, служат одной цели: разработке нового изделия, которое не существует или существует в другой форме. Это виды творческой, умственной деятельности, когда в уме разработчика создается конкретный мыслительный образ, реализуемый затем в конкретной материальной форме на производстве в изделии.

Конструировать [construere] – значит создавать конструкцию механизма, машин, сооружения с выполнением их проектов и расчетов.

Конструктор – лицо, занимающееся созданием конструкций различных устройств и их частей. Он специалист, знающий не только порядок, способы и методы этого создания, но и способы и методы изготовления его составных частей. По ГОСТ 2.101-68 изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

1.3.Стадии разработки конструкторской документации

Совокупность конструкторских документов, полученных в результа­те проектирования, называется проектом.

Правила проектирования и оформления проектов стандартизованы в Единой системе конструкторской документации (ЕСКД), которая уста­навливает пять стадий разработки конструкторской документации на из­делия всех отраслей промышленности, а именно:

техническое задание устанавливает основное назначение и техниче­ские характеристики, показатели качества и технико-экономические тре­бования, предъявляемые к разрабатываемому изделию;

техническое предложение – совокупность конструкторских доку­ментов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основании анали­за технического задания, сравнительной оценки возможных решений с учетом особенностей разрабатываемого и существующих подобных изде­лий, а также патентных материалов;

эскизный проект – совокупность конструкторских документов, со­держащих принципиальные конструктивные решения, дающие общие представления об устройстве и принципе работы изделия, а также дан­ные, определяющие его основные параметры и габаритные размеры;

технический проект – совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное пред­ставление об устройстве изделия и исходные данные для разработки ра­бочей конструкторской документации;

разработка технической документации включает чертежи узлов и деталей, спецификации, технические условия на изготовление, сборку, испытание изделия и др.

1.4.Стандартизация и взаимозаменяемость деталей машин

Стандартизацией называется процесс установления и применения стандартов – документов, содержащих обязательные нормы, правила и требования, относящиеся к различным сторонам человеческой деятельности, в том числе к сфере проектирования, производства, эксплуатации и ремонта машин.

Наиболее распространенный и эффективный метод стандартизации – унификация – рациональное сокращение числа объектов одинакового функционального назначения, а также сведение к минимуму типоразмеров деталей и их элементов.

Стандартизация и унификация обеспечивают взаимозаменяемость деталей и узлов, т. е. возможность установки и замены их без предварительной подгонки. В свою очередь, взаимозаменяемость деталей – необходимое условие для организации специализированного и массового производства изделий, а также для его широкого кооперирования.

Кроме ГОСТов существуют следующие категории стандартов: республиканские стандарты (РСТ), отраслевые стандарты (ОСТ), стандарты предприятий (СТП).

На нестандартизованную продукцию предприятия и другие организации разрабатывают технические условия (ТУ).

В нашей стране созданы системы стандартов на отдельные стороны производственной деятельности, которые упорядочивают конструкторскую и технологическую документацию, а также подготовку производства, снижают их трудоемкость и повышают производительность инженерно-технического труда. Такими системами стандартов в области машиностроения являются следующие.

Единая система конструкторской документации (ЕСКД), содержащая более ста государственных стандартов; эти стандарты устанавливают правила оформления и ведения проектно-конструкторской, эксплуатационной и ремонтной документации.

Единая система технологической документации (ЕСТД), содержащая около двадцати государственных стандартов, устанавливающих правила оформления и ведения технологической документации.

Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП), содержащая около двадцати государственных стандартов, устанавливающих систему организации и управления процессом технологической подготовки производства и предусматривающая широкое применение прогрессивных типовых технологических процессов, стандартной технологической оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации производственных процессов, инженерно-технических и управленческих работ.

Для оценки уровня стандартизации той или иной конструкции пользуются показателем, называемым коэффициентом стандартизации деталей, равным отношению количества стандартных деталей изделия к общему их количеству без учета крепежных деталей.

2.Требования к деталям машин

2.1.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 имеют правильный выбор расчетной модели, 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 и 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 учебника. Здесь отметим, что неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма ответственным этапом расчета. За­ниженное значение запаса прочности приводит к разрушению дета­ли, а завышенное — к неопределенному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает ве­сьма важное значение.