Материал: Основы проектирования и конструирования деталей машин. Нилов В.А., Жилин Р.А

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 величину 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 конструкции. В каждой конструкции отражаются творческие спо­собности, знание и опыт конструктора. Внедряются наиболее совер­шенные решения.

2.2.Виды нагрузок, действующих на детали машин

В процессе эксплуатации каждая машина испытывает различные виды нагрузок. Познакомимся с некоторыми из них.

Рабочей нагрузкой называют силу или момент воспринимаемые деталью или узлом в процессе эксплуатации изделия.

Рабочая нагрузка может быть постоянной или переменной в зависимости от характера ее изменения во времени. К постоянной можно отнести, например, нагрузку от собственного веса.

При эксплуатации детали машин, как правило, испытывают переменные нагрузки, характер которых зависит от систематических или случайных факторов, вызывающих эти нагрузки.

В зависимости от способа воздействия на деталь нагрузки могут быть статическими и динамическими.

Статические нагрузки обычно бывают постоянными без возникновения колебаний системы. Динамические нагрузки вызывают удар или колебания системы. В связи с переменным характером рабочих нагрузок вводят понятия о номинальной, эквивалентной и расчетной нагрузках.

Максимальная или длительно действующая нагрузка в установившемся режиме называется номинальной. Номинальные мощность, момент, частота вращения, скорость и т.д.

Эквивалентной называется такая постоянная нагрузка, которой можно заменить фактические действующую переменную рабочую нагрузку, считая ее равноценной в отношении соответствующих критериев надежности.

Для зубчатой передачи

,

где К_долг – коэффициент долговечности, зависящий от графика изменения рабочей нагрузки и от того, какая из них принята в качестве номинальной.

Расчетной называется условная постоянная нагрузка, определяемая (рабочей нагрузкой) с учетом ее характера воздействия на объект. Она служит для определения размеров деталей машин. Учитывает местные условия.

где К_к – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по контактным поверхностям;

К_д – коэффициент динамичности;

К_у – коэффициент, зависящий от условий работы и передачи нагрузки (например, за счет сил трения, сцепления и т.д.).

Предварительные расчеты можно выполнять, принимая:

Q_расч ≈ Q_ном

2.3.Циклы напряжений и их параметры

Одним из главных факторов, определяющих величину напряжений, является вид и характер изменения во времени нагрузок, действующих на деталь.

Статистическое нагружение вызывает в материале детали постоянное напряжение, которое не изменяется в течение длительного времени ни по величине, ни по направлению.

Переменные нагрузки вызывают соответственно переменные напряжения. Детали, длительное время подвергающиеся повторно-переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях значительно меньших предела прочности материала при статистическом нагружении. Приблизительно 80% всех поломок и аварий, происходящих при эксплуатации машин, вызвано усталостными явлениями (цикличными нагрузками).

Циклические нагрузки наиболее явно выражены в машинах и механизмах с возвратно-поступательным движением звеньев (поршневые машины, кулачковые механизмы). Однако и в механизмах вращательного движения циклические нагрузки неизбежны (зубчатые передачи, валы). В современных машинах в большинстве случаев напряжения изменяются циклически с большей или меньшей частотой и амплитудой.

Различают следующие основные циклы изменения напряжений: асимметричный (рис. 2.1, а), отнулевой (рис. 2.1, б), симметричный (рис. 2.1, в). На рис. 2.1 приняты следующие обозначения: σ_min – минимальное напряжение цикла, σ_max – макчимальное напряжение цикла.

Алгебраическая полусумма наибольшего и наименьшего напряжений называется средним напряжением цикла

.

Полуразность этих напряжений называют амплитудой цикла

.

а б в

Рис. 2.1 Циклы переменных напряжений

Отношение наименьшего напряжения к наибольшему, взятое с алгебраическим знаком, называется коэффициентом ассиметрии цикла (r):

;

Для отнулевого цикла σ_min = 0, тогда и r = 0. При постоянных нагрузках r = 1,0.

Пульсирующее нагружение в соответствии с отнулевым циклом (когда напряжения изменяются от нуля до максимума) имеют: зубья зубчатых колес при работе в одну сторону, толкатели и шатуны тихоходных механизмов с малой нагрузкой холостого хода, нереверсивные валы (напряжения кручения).

Знакопеременный симметричный цикл. Здесь наибольшие и наименьшие напряжения противоположны по знаку и одинаковы по модулю (напряжения изгиба при вращении валов и осей).

Знакопеременный асимметричный цикл – это наиболее общий случай наружения деталей машин.

Число циклов нагружения, которые материал выдерживает до разрушения, зависит от максимального напряжения и амплитуды цикла. По мере уменьшения напряжений число циклов до разрушения детали увеличивается и при некотором достаточно малом напряжении становится неограниченно большим. Это напряжение называют пределом выносливости и кладут в основу расчета деталей машин, подверженным циклическим нагрузкам.

Предел выносливости для отнулевого цикла обозначают индексом «0» (σ₀ ; τ₀), для симметричного цикла – «-1» (σ_-1 ;τ_-1), то есть коэффициент асимметрии цикла «r» сопровождает обозначение предела выносливости (σ_r ; τ_r).

2.4.Методы определения допускаемых напряжений

Существуют два метода выбора допускаемых напряжений

а) табличный метод – конкретен, прост, удобен для пользования. Широко используется в НИИ, на заводах, СКТБ…

В зависимости от материала, вида термической обработки, технологии изготовления, цикла нагружения приведены в таблицах заранее рассчитанные значения допускаемых напряжений для отдельных видов деталей.

б) дифференциальный метод, заключающийся в том, что допускаемое напряжение определяется по формуле, учитывающей основные факторы, влияющие на прочность детали.

Например: по ГОСТ 21354-75 допускаемые контактные напряжения [σ]_H определяют по формуле:

[σ_Н] = σ_Н· K_НL· Z_R· Z_V /S_H

где σ_Н – предел контактной выносливости при базовом числе циклов;

K_НL – коэффициент долговечности;

Z_R – коэффициент, учитывающий шероховатость сопряженных поверхностей;

Z_V – коэффициент, учитывающий окружную скорость (при приближенном расчете Z_R· Z_V ≈ 1,0);

S_H – коэффициент безопасности (1,1…1,3) в зависимости от термообработки.

3.Соединения. Типы соединений и их характеристика

3.1.Общая характеристика соединений

Каждая машина состоит из деталей, число которых зависит от сложности и размеров машины. Так автомобиль содержит около 16 000 деталей (включая двигатель), крупный карусельный станок имеет более 20 000 деталей и т.д.

Чтобы выполнять свои функции в машине детали соединяются между собой определенным образом, образуя подвижные и неподвижные соединения. Например, соединение коленчатого вала двигателя с шатуном, поршня с гильзой цилиндра (подвижные соединения). Соединение штока гидроцилиндра с поршнем, крышки разъемного подшипника с корпусом (неподвижное соединение).

Подвижные соединения определяют кинематику машины, а неподвижные – позволяют расчленить машину на отдельные блоки, элементы, детали.

С точки зрения общности расчетов все соединения делят на две большие группы: неразъемные и разъемные соединения.

Неразъемными называют соединения, которые невозможно разобрать без разрушения или повреждения деталей. К ним относятся заклепочные, сварные, клеевые соединения, а также соединения с гарантированным натягом. Неразъемные соединения осуществляются силами молекулярного сцепления (сварка, пайка, склеивание) или механическими средствами (клепка, вальцевание, прессование).

Разъемными называют соединения, которые можно многократно собирать и разбирать без повреждения деталей. К разъемным относятся резьбовые, шпоночные и шлицевые соединения, штифтовые и клиновые соединения.

Проектирование соединений является очень ответственной задачей, поскольку большинство разрушений в машинах происходит именно в местах соединений.

К соединениям в зависимости от их назначения предъявляются требования прочности, плотности (герметичности) и жесткости.

При оценке прочности соединения стремятся приблизить его прочность к прочности соединяемых элементов, т.е. стремятся обеспечить равнопрочность конструкции.

Требование плотности является основным для сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Уплотнение разъемного соединения достигается за счет:

1. сильного сжатия достаточно качественно обработанных поверхностей;

2. введения прокладок из легко деформируемого материала.

При этом рабочее удельное давление q в плоскости стыка должно лежать в пределах q = (1,5…4)p, p – внутренне давление жидкости в сосуде.

Экспериментальные исследования показали, что жесткость соединения во много раз меньше жесткости соединяемых элементов, а поскольку жесткость системы С₀:

1С₀=1С₁+1С₂+1С₃ ,

всегда меньше жесткости наименее жесткого элемента, то именно жесткость соединения определяет жесткость системы.

3.2.Заклепочные соединения. Общие сведения

Заклепкой называется стержень круглого сечения с заранее изготовленной закладной головкой на одном конце и замыкающей головкой на другом, образующейся в процессе клёпки.

Заклёпки применяются для соединения таких деталей машин и сооружений, которые представляют собой полосы, листы, прокатные профили и др.

Сопрягаемые детали стягиваются заклёпкой 1, которая состоит из стержня круглого сечения и закладной головки (рис. 3.1). Заклёпку вставляют в совмещённые отверстия d₀ и, осаживая выступающий конец стержня, образуют вторую замыкающую головку 4. Формирование этой головки производится с помощью обжимки 2. Закладная головка устанавливается в поддержке 5. При автоматической клёпке для улучшения формирования замыкающей головки используют нажимное кольцо 3. Процесс образования замыкающей головки называется клёпкой.

Рис. 3.2 Схема клепки

При диаметре стальных заклёпок до d = 12 мм, применяют холодную клёпку, при большем диаметре – горячую. Для обеспечения ввода заклёпки отверстие в склёпываемых деталях делают несколько больше диаметра стержня заклёпки. Клёпку проводят вручную или машинами. При машинной клёпке отверстие заполняется металлом лучше, что благоприятно сказывается на работе заклёпочного соединения. Во избежание химической коррозии в соединениях заклёпки ставят из того же материала, что и соединяемые детали. Заклёпки изготавливают из стали (ст.2; ст.3; ст.10; ст.20), алюминия, латуни и меди. Материал заклёпки должен быть достаточно пластичным.

Заклёпочные соединения до сих пор применяются в ответственных конструкциях, воспринимающих интенсивные вибрационные или большие повторные ударные нагрузки (самолёты, уникальные мосты). Кроме того, заклёпочные соединения применяются в конструкциях, не допускающих применение сварки, из-за опасности коробления, отпуска термообработанных деталей или при склёпывании не свариваемых деталей.

Соединение деталей машин или сооружения осуществляемого группой заклёпок называется заклепочным (рис. 4).

К недостаткам заклёпочных соединений относятся большой расход металла и повышенную трудоёмкость. Вес заклёпок составляет 4% от веса конструкции (вес сварных швов – 1,5%).

3.3.Классификация заклепок и заклепочных швов

Основные виды заклёпок общего назначения стандартизованы. Различают следующие основные виды заклёпок (Рис. 3 .3):

Рис. 3.3 Стандартные стальные заклепки

• заклёпки с полукруглой головкой ГОСТ 14797-85 и 10299-80 (Рис. 3 .3, а);

• заклёпки с плоской головкой ГОСТ 14801-85 (Рис. 3 .3, б);

• заклёпки с потайной головкой ГОСТ 14798-85, 14799-69, 10300-80 (Рис. 3 .3, в);

• заклёпки полупустотелые ГОСТ 12641-80, 12643-80 (Рис. 3 .3, г, д, е). Полупустотелые заклёпки применяются в тех случаях, когда не желательно или не допустимо заклёпочные соединения подвергать ударам;

• пустотелые со скруглённой ГОСТ 12638-80 и потайной ГОСТ 12640-80 головками (Рис. 3 .3, ж, з, и). Пустотелые заклёпки применяются для того, чтобы использовать их отверстие в заклёпочном соединении для пропуска электрических проводников, крепёжных или других деталей.

В отдельных случаях применяют специальные заклёпки, например взрывные.

Заклёпочные швы подразделяются:

по конструкции:

- швы внахлёстку (Рис. 3 .4, а, г);

Рис. 3.4 Типы заклепочных соединений: а – нахлесточные; б – стыковые с одной накладкой; в – стыковые с двумя накладками; г – нахлесточные многорядные