Понятие о дисциплине “Детали машин”.

Детали машин (от франц. détail — подробность) - элементы машин, каждый из которых представляет собой одно целое и не может быть без разрушения разобран на более простые, составные звенья машин. Детали машин является также научной дисциплиной, рассматривающей теорию, расчёт и конструирование машин. Число деталей в сложных машинах достигает десятков тысяч. Выполнение машин из деталей прежде всего вызвано необходимостью относительных движений частей. Однако неподвижные и взаимно неподвижные части машин (звенья) также делают из отдельных соединённых между собой деталей. Это позволяет применять оптимальные материалы, восстанавливать работоспособность изношенных машин, заменяя только простые и дешёвые детали, облегчает их изготовление, обеспечивает возможность и удобство сборки.

Детали машин как научная дисциплина рассматривает следующие основные функциональные группы: корпусные детали; передачи; валы и оси; подшипники; соединения; муфты.

Корпусные детали.

Корпусные детали: а — плита; б — горизонтальная станина; в — стойка; г — портальная станина; д — корпус электродвигателя с крышками; е — корпус редуктора; ж — стол.

Корпусные детали машин являются базовыми элементами изделий. В корпусах устанавливают различные детали, механизмы, сборочные единицы, точность взаимного положения которых должна быть обеспечена в процессе работы машин.

К корпусным деталям относят коробки скоростей и подач станков, блоки цилиндров двигателей и компрессоров, корпусы редукторов, насосов и других изделий. Корпусные детали должны быть выполнены с требуемой точностью, обладать необходимыми жесткостью и виброустойчивостью, чтобы обеспечить правильное относительное положение соединяемых деталей и узлов, качественную работу механизмов и изделия.

Конструктивное исполнение корпусных деталей, материал, параметры точности определяют, исходя из служебного назначения деталей, требований к работе монтируемых в ней механизмов и условий эксплуатации. При этом учитывают технологические факторы получения заготовок, возможность обработки резанием и удобства сборки.

Корпусные детали могут быть разделены на детали коробчатой формы со значительным количеством обрабатываемых поверхностей (плоскости, отверстия, пазы), в том числе точных, расположенных параллельно или перпендикулярно друг к другу, призматические детали с большими приварочными поверхностями (один из размеров детали значительно меньше двух других) и детали сложной формы (кронштейны, бабки и др.). Приварочными считают обработанные поверхности обычно большой площади, на которые устанавливают присоединяемую деталь.

Корпусные детали

В корпусных деталях средних размеров (до 800x800x800 мм) около 10 % основных отверстий, предназначенных для монтажа валов, шпинделей, червяков, изготавливают по 6-му квалитету точности свыше 50 % отверстий — по 7-му квалитету, около 30 % — по 8, 9-му квалитетам и до 10 % — менее точными.

Диаметры основных отверстий в корпусных деталях ограничены как правило размерами 20—150 мм. Наибольшее число отверстий приходится на вспомогательные, в том числе крепежные отверстия диаметром до 20 мм.

Значительная часть корпусных деталей подвергается искусственному старению для стабилизации внутренних напряжений в отливке, уменьшения деформации после механической обработки и сохранения достигнутой точности.

Передачи.

Передачи: а — зубчатая цилиндрическая; б — зубчатая коническая;

в — червячная.

Передачами называют устройства, которые передают энергию от двигателя к рабочим органам машины, как правило, с преобразованием скоростей и моментов (иногда с преобразованием видов и законов движения).

Непосредственная связь вала двигателя с рабочими органами машины обычно не применяется вследствие неравенства угловых скоростей двигателя и рабочих органов машины. Для сообщения рабочим органам машины нужной скорости между двигателем и исполнительным механизмом устанавливают передачу. Передачи применяют также для преобразования вращательного движения в поступательное или винтовое и для осуществления пуска и остановки машины.

В машиностроении применяют механические и электрические передачи.

В зависимости от принципа действия различают механические передачи трением, зацеплением, гидравлические и пневматические (гидравлические и пневматические передачи в курсе «Детали машин» не рассматриваются). К передачам трением относятся фрикционные и ременные. К передачам зацеплением — зубчатые, червячные, цепные и винт — гайка.

По взаимному расположению звеньев в пространстве передачи бывают: а) непосредственного контакта — фрикционные, зубчатые, червячные и винт-гайка; б) гибкой связью — ременные и цепные.

По конструктивному оформлению передачи бывают открытые, не имеющие общего корпуса, и закрытые, имеющие общий жесткий корпус, в котором расположены все узлы передачи и куда заливается смазочное масло.

Основными характеристиками механических передач являются угловая скорость w1 (частота вращения n1) ведущего и w2 (n2) ведомого валов; мощность N1 на ведущем и N2 на ведомом валах.

Работа фрикционной передачи основана на принципе использования сил трения, которые возникают между рабочими поверхностями фрикционных колес. Для прижатия колес подшипники одного из валов выполнены подвижными, а нажатие может осуществляться пружиной, грузом или специальным устройством. Простейшая фрикционная передача состоит из двух колес; ведущего и ведомого. Чтобы возникло трение, оба колеса должны прижиматься одно к другому силой Q.

Достоинства фрикционных передач: простота конструкции и ухода; плавность и бесшумность работы; невысокая стоимость; возможность бесступенчатого регулирования скорости вращения ведомого вала; включение и выключение передачи на ходу; реверсирование вращения (изменение направления вращения ведомого вала при постоянном направлении вращения ведущего).

Недостатки фрикционных передач: значительное давление на валы и опоры; непостоянство передаточного числа вследствие проскальзывания колес; низкий к. п. д. (= 0,7-0,93) и др.

Валы и оси.

Валы и оси: а — вал ступенчатый; б — шпиндель металлорежущего станка; в — вал коленчатый.

Валы предназначены для передачи крутящего момента и для поддержания вращающихся деталей. Валы работают на изгиб и на кручение. По назначению бывают валы, несущие детали передач (зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. п.), и коренные, на которых, кроме деталей передач, закреплены еще и рабочие органы машины (ротор электродвигателя, крыльчатки вентилятора или водяного насоса, шнек приводного вала мясорубки и т. п.).

Отличие вала от оси заключается в том, что ось не передает крутящий момент, а предназначена лишь для поддержания вращающихся деталей. Ось работает только на изгиб. Оси бывают вращающиеся и неподвижные.

По форме геометрической оси валы бывают прямые, коленчатые и гибкие. Коленчатые валы служат для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (двигатели внутреннего сгорания, компрессоры). Гибкие валы применяют для передачи крутящего момента между узлами машины, меняющими свое относительное положение в работе (бормашины, механизированные инструменты). Коленчатые и гибкие валы представляют собой специальную конструкцию и в данном разделе не изучаются.

По конструкции прямые валы и оси различают с постоянным диаметром по всей длине и ступенчатые, с различными диаметрами отдельных участков вала. Иногда валы изготовляют заодно с шестерней (вал-шестерня) или с червяком (вал-червяк). Валы бывают сплошные по сечению и полые. Полые валы имеют меньший вес, чем сплошные, но они сложнее в изготовлении, поэтому применяются редко.

Уступы на ступенчатом валу называют заплечиками. Они служат для восприятия осевых сил, а также для фиксации положения деталей на валу и вала в подшипниках. Если соседние участки вала имеют одинаковый диаметр, то для образования заплечиков в конструкции вала предусматривают буртик, который выполняют заодно с валом или насаживают на вал в виде кольца в нагретом состоянии. Опорные части валов, воспринимающие радиальные нагрузки, называют цапфами. Промежуточные цапфы называют шейками. Опорные части валов, воспринимающие осевые нагрузки, называют пятами. Пяты, работающие в подшипниках скольжения, обычно выполняют кольцевыми, так как удельное давление на поверхности кольцевой пяты распределяется более равномерно, чем на пяте сплошного сечения.

Цапфы бывают цилиндрические и конические. Наиболее часто применяют цилиндрические цапфы. Конические цапфы могут передавать на опоры радиальные и осевые нагрузки и допускают регулирование зазора в подшипниках. Посадочные участки осей и валов, на которые устанавливаются вращающиеся детали, выполняют преимущественно цилиндрическими и реже—коническими. Диаметры посадочных участков валов (осей) должны быть согласованы с ГОСТ 6636—69.

Передача осевых усилий между валом и сидящими на нем деталями осуществляется с помощью посадки с натягом, упора в заплечики или буртики вала, с помощью гайки, штифта, пружинного кольца и т. д. Передача крутящего момента от вала к закрепленным на нем деталям или наоборот выполняется при помощи прессовых, шпоночных, шлицевых и штифтовых соединений.

Для снижения концентрации напряжений следует делать плавный переход от одного сечения к другому. Плавное сопряжение двух участков вала с разными диаметрами называется галтелью. Чтобы облегчить установку на вал деталей и предупредить травмирование рук рабочего, на торцах валов (осей) должны быть фаски, снимаемые под углом 45°. Радиусы закруглений галтелей и ширина фасок стандартизованы (ГОСТ 10948–64). При конструировании ступенчатого вала следует выбирать диаметры отдельных участков так, чтобы при сборке неразъемная деталь свободно проходила по всему валу до своего посадочного места. В противном случае повреждаются поверхности, через которые надевается деталь.

Для осей и валов, не подвергающихся термической обработке, применяют углеродистые стали марок Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 и др., для термообрабатываемых валов и осей – сталь марок 35, 40, 45, 40Х, 40ХН, 40ХНМА и пр.

Подшипники.

Подшипники: а — шариковый; б — роликовые цилиндрический и конический; в — скольжения.

Опоры вращающихся осей и валов называют подшипниками. Они поддерживают валы и вращающиеся оси, воспринимают и передают на раму или станину действующие на эти детали силы. Подшипники, воспринимающие нагрузки, направленные перпендикулярно к геометрической оси вала, называют радиальными, а подшипники, воспринимающие осевые нагрузки,— упорными. Если геометрическая ось вала расположена вертикально, то упорные подшипники называют подпятниками. Подшипники, воспринимающие одновременно радиальные и осевые нагрузки, называют радиально-упорными.

По виду трения между рабочими поверхностями различают подшипники скольжения и подшипники качения. В современном машиностроении применяют главным образом подшипники качения.

Подшипники качения имеют следующие преимущества перед подшипниками скольжения: меньшие потери на трение, особенно в период пуска; незначительный нагрев подшипникового узла; меньший расход смазочных материалов; возможность взаимозаменяемости и более простое обслуживание.

К недостаткам подшипников качения следует отнести: пониженную долговечность при высоких угловых скоростях и больших нагрузках, ограниченную способность воспринимать ударные и вибрационные нагрузки; неразъемность в радиальном направлении; большие размеры по диаметру; высокую стоимость при малосерийном производстве.

Подшипники скольжения имеют следующие преимущества перед подшипниками качения: хорошо работают при весьма высоких частотах вращения вала; надежно работают условиях ударных и вибрационных нагрузок (вследствие демпфирующего действия масляного слоя в зазорах подшипников); небольшие радиальные размеры; возможность разъема по диаметру, что необходимо при сборке коленчатых валов; способность работать в воде и агрессивных средах, где подшипники качения непригодны.

К недостаткам подшипников скольжения можно отнести значительные потери на трение при пуске и в условиях несовершенной смазки; сравнительно большие осевые размеры; необходимость тщательного ухода и наблюдения в работе вследствие высоких требований к смазке и опасности перегрева и пр.

Подшипники скольжения применяют для высокоскоростных валов с оборотами до десятков тысяч мин-1 (центрифуги, сепараторы, турбины); для валов слишком большого диаметра, где стандартные подшипники качения не изготовляются; для опор, подвергающихся интенсивным ударным и вибрационным нагрузкам (молоты, поршневые машины и т. д.); в случаях, когда подшипники по условиям сборки должны быть разъемными (для коленчатых валов); в случаях работы подшипников в воде или агрессивных средах; при особо высоких требованиях к точности работы вала (шпиндели станков и т. д.); в тихоходных машинах.

Соединения.

Соединения: а — сварное; б — заклёпочное; в — клеевое; г — резьбовое.

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.

По форме сопрягаемых поверхностей соединения делят на плоское, цилиндрическое, коническое, сферическое, винтовое и т.д.

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

Выбор типа соединения определяет инженер.

Муфты.

Постоянные соединительные муфты: а — жёсткая некомпенсирующая втулочная; б — жёсткая компенсирующая зубчатая; в — сочетание двух одинарных шарнирных асинхронных муфт с промежуточным валом; г — плавающая кулачково-дисковая; д — втулочно-пальцевая; е — с торообразной оболочкой; 1 — соединяемые валы; 2 — втулка муфты; 3 — втулки с наружными зубьями; 4 — обойма с внутренними зубьями; 5 — полумуфты; 6 — промежуточный вал; 7 — промежуточный диск; 8 — торообразная эластичная оболочка; 1 и δ2 — углы перекоса шарнирных муфт.

Управляемые муфты: a — кулачковая; б — зубчатая с синхронизатором; в — фрикционная с электромагнитным управлением; г — с ферромагнитной смесью; д — синхронная электроиндукционная; 1 — полумуфты; 2 — внешние зубья; 3 — конические фрикционные поверхности; 4 — передвижное кольцо с внутренними зубьями; 5 — диски полумуфт; 6 — ферромагнитная смесь; 7 — катушка возбуждения; 8, 9 — магнитопроводы полумуфт с разделёнными полюсами.

Самоуправляемые муфты: а — свободного хода; б — центробежная; 1 — ведущая звёздочка; 2 — ролики; 3 — ведомая обойма; 4 — корпус; 5 — фрикционная обкладка.

Большинство машин компонуют из отдельных узлов с входными и вы­ходными валами, в связи с чем возникает потребность соединять концы валов, оси которых расположены на одной прямой. Устройства, служащие для этих целей, называют муфтами.

В практике машино- и приборостроения применяют большое коли­чество разнообразных муфт: механические, электрические, гидравлические и т.д. Опишем лишь механические, которые условно можно подразде­лить на три класса:

- постоянные или нерасцепляемые муфты - соединяют валы так, что их разъединение возможно только после остановки машины и демонтажа муфты. Муфты этого класса подразделяются на глухие жесткие, компенси­рующие жесткие и упругие;

- сцепные или управляемые муфты - позволяют соединять или разъ­единять валы в процессе их вращения. Их подразделяют на кулачковые и фрикционные;

- специальные или самоуправляемые муфты - соединяют или разъеди­няют валы при заданной частоте вращения (центробежные муфты); передают момент только в одном направлении (обгонные муфты);ограничивают величину крутящего момента (предохранительные муфты).

Выбор того или иного типа муфты зависит от целого ряда факторов: назначения, конструкции, условий работы, взаимного расположения в пространстве соединяемых валов, или, так называемой, «несоосности».

В зависимости от конструкции узла и теплового режима работы, точ­ности монтажа соединяемые муфтой концы валов могут иметь различную «несоосность»:

а) продольное смещение от неточности монтажа или теплового удли­нения валов;

б) радиальное смещение от неточности монтажа или неточности обра­ботки;

в) угловое смещение а или перекос от неточности монтажа или прогиб вала;

На практике чаще всего получается комбинированное смещение валов.

Установив тип муфты, выбирают (по справочной литературе) ее раз­мер по диаметрам соединяемых валов или по передаваемому крутящему мо­менту, затем рассчитывают прочность деталей муфты по расчетному момен­ту,

где коэффициент режима работы выбирается в зависимос­ти от механизма, в котором устанавливается муфта:

1,25 -1,5 – ленточные транспортеры;

1,5 - 2,0 – цепные транспортеры;

1,5 - 2,5 – станки металлорежущие с возвратно-пос­тупательным движением;

3,0 - 4,0 – подъемные краны.