Детали машин

МЧС РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ К.С. Иванов Н.А. Мороз А.В. Широухов ДЕТАЛИ МАШИН Курс лекций Санкт-Петербург 2016 Содержание Лекция 1 Введение. Предмет «Детали машин». Основы проектирования и классификация механизмов, узлов и деталей. 3 Лекция 2 Расчет и проектирование механических передач 16 Лекция 3 Валы и оси 33 Лекция 4 Подшипники качения и скольжения 45 Лекция 5.1 Соединения деталей 58 Рекомендуемая литература 78 Лекция 1 Введение. Предмет «Детали машин». Основы проектирования и классификация механизмов, узлов и деталей. Вопрос 1. Введение. Предмет «Детали машин» История использования машин начинается с глубокой древности. Известно применение пружин в луках для метания стрел, катков для перемещения тяжестей. Такие простые детали машин, как металлические цапфы, примитивные зубчатые колеса, винты, кривошипы были известны до Архимеда. В эпоху возрождения Леонардо да Винчи (в 15 веке) создал новые механизмы: зубчатые колеса с перекрещивающимися осями, шарнирные цепи, подшипники качения. Уже тогда применялись канатные и ременные передачи, грузовые винты, шарнирные муфты. Всерьёз говорить о применении машин можно лишь с эпохи промышленной революции XVIII века, когда изобретение паровой машины дало гигантский технологический рывок и сформировало современный мир в его нынешнем виде. С тех же пор наметились основные закономерности устройства и функционирования механизмов и машин, сложились наиболее рациональные и удобные формы их составных частей - деталей. В процессе механизации производства и транспорта, по мере увеличения нагрузок и сложности конструкций, возросла потребность не только в интуитивном, но и в научном подходе к созданию и эксплуатации машин. Развитие промышленности и, особенно, самой передовой техники того времени – железнодорожного транспорта, потребовало большого количества инженеров-механиков. Поэтому в ведущих университетах Запада уже с 30-х годов XIX века, а в Санкт-Петербургском университете с 1892 года читается самостоятельный курс "Детали Машин". Без этого курса теперь невозможна подготовка инженера-механика любой специальности. Развитие теории и расчета деталей машин связаны с многими именами русских ученных. П.Л.Чебышев, математик и механик, изобретатель более 40 различных механизмов, в том числе и арифмометра. Н.Е. Жуковский, автор исследований по механике твердого тела, гидро- и аэродинамике. Л.В. Ассур, создатель рациональной классификации плоских шарнирных механизмов. В.Л. Кирпичев, автор первого учебника по деталям машин. Курс «Детали машин и основы конструирования» является заключительным разделом дисциплины «Механика». Курс «Детали машин» является связующим звеном между общетехническими и специальными дисциплинами. В пределах, рассмотренных учебным планом и программой, курс дает обучающимся основы расчета на прочность и жесткость деталей машин общего назначения, учит выбирать материалы, дает правила конструирования с учетом технологии изготовления и эксплуатации машин. Теоретические знания закрепляются расчетно-графическими работами, которые выполняются индивидуально. Детали машин – научная дисциплина, занимающаяся изучением, проектированием и расчетом деталей машин и узлов общего назначения. Механизмы и машины состоят из деталей. Встречающиеся почти во всех машинах болты, валы, зубчатые колеса, подшипники, муфты называют узлами и деталями общего назначения. Вопрос 2. Типовые детали и узлы, область их применения. В курсе «Детали машин» рассматриваются теоретические основы расчета и конструирования деталей машин и сборочных единиц (узлов), встречающихся в машинах самых разных назначений. 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: 1. энергетические машины (предназначены для преобразования видов энергии: электродвигатели, турбины) 2. информационные машины (предназначены для сбора, хранения, переработки и использования информации) 3. рабочие машины 3.1. транспортные (предназначены для перемещения изделий, грузов или людей: автомобили, самолеты) 3.2. технологические (предназначены для изменения формы, размеров или внутренних свойств обрабатываемого предмета: станки, термические агрегаты). В структурном отношении машина представляет собой единый комплекс механизмов, сборочных единиц (узлов) и деталей, обеспечивающих выполнения присущих функций. Механизм – это система твердых тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии изготовителе сборочными операциями. Узел – сборочная единица, которую можно собирать отдельно от других составных частей изделия или изделия в целом, выполняющая определенную функцию в изделиях одного назначения. Например: подшипник качения, муфта упругая… Деталь – часть машины, изготовленная из одноименного по марке и наименованию материала без применения сборочных единиц. Например: вал, винт, заклепка, колесо зубчатое цилиндрическое… Детали и узлы, которые встречаются только в специальных типах машин, называют деталями и узлами специального назначения (клапаны, поршни, шатуны, шпиндели станков и т.п.); их изучают в специальных курсах (ДВС, металлорежущие станки и т.д.). Классификация элементов машин по функциональному назначению: 1. Корпусные служат для размещения и фиксации подвижных деталей механизма, для защиты их от действия неблагоприятных факторов внешней среды, а также для крепления механизмов в составе машин и агрегатов. Часто корпусные детали используются для хранения эксплуатационного запаса смазочных материалов. 2. Соединительные 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). 3. Передаточные механизмы и детали предназначены для передачи энергии и движения от источника (двигателя) к потребителю (исполнительному механизму), выполняющему необходимую полезную работу. 4. Упругие элементы необходимы для ослабления ударов и вибрации или для накопления энергии с целью последующего совершения механической работы (рессоры колесных машин). 5. Инерционные элементы предназначены для предотвращения или ослабления колебаний (в линейном или вращательном движениях) за счет накопления и последующей отдачи кинетической энергии (маховики, противовесы, маятники, шаботы). 6. Защитные детали и уплотнения 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 управления предназначены для воздействия на агрегаты и механизмы с целью изменения их режима работы или поддержания его (режима работы) на оптимальном уровне (тяги, рычаги, тросы и т.п.). Общие сведения механизмов вращательного движения. Механизмы вращательного движения используют для передачи энергии от двигателя к рабочему органу машины. Необходимость применения таких механизмов обусловлена нецелесообразностью, а иногда и невозможностью непосредственного соединения рабочего органа машины в самом двигателе. Кроме того, иногда возникает необходимость в согласовании скоростей вращения вала двигателя и рабочих органов машины, в регулировании скорости движения исполнительного звена машины, в преобразовании вращающих моментов, в переводе нескольких исполнительных органов от одного двигателя. Принцип работы. Передача движения от ведущего звена к ведомому в рассматриваемых механизмах может осуществляться за счет их непосредственного контакта или соединения гибким звеном. К механическим передачам первого типа относят фрикционную, зубчатую и червячную передачи. В качестве гибкого звена обычно используют цепи и ремни. Механические передачи в этом случае называют соответственно цепными и ременными. Передача вращательного движения может осуществляться между параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися валами. По характеру изменения скорости выходного звена механические передачи подразделяют на понижающие (редукторы) и повышающие (мультипликаторы). По характеру движения валов различают простые механизмы вращательного движения, у которых оси валов остаются неподвижными, и планетарные, у которых оси валов вращаются относительно неподвижной основной оси механизма. По конструктивному оформлению механические передачи бывают открытыми, не имеющими общего закрывающего их корпуса, полузакрытыми, имеющими лишь легкий кожух, защищающий передачу от загрязнения, и закрытыми, заключенными в общий корпус, обеспечивающий герметизацию и постоянное смазывание передачи. Основные характеристики механических передач 1. Передаточным отношением называют отношение угловых скоростей или частот вращения звеньев 1 и 2 механизма. где , – угловая скорость 1 и 2 звеньев; , – частота вращения 1 и 2 звеньев. Передаточное отношение будет положительным если направление вращения звеньев совпадают, и отрицательным – если звенья вращаются в разные стороны. Кроме того. Может быть определено передаточное число передачи по числу зубьев ведомого и ведущего колес или диаметру ведомого и ведущего колес: Если привод состоит из нескольких последовательно соединенных передач, его передаточное отношение (число) равно произведению передаточных отношений (чисел) всех передач: Механические передачи могут быть выполнены не только с постоянным передаточным отношением, но и с регулируемым – такие устройства называются вариаторами. Его изменение при этом может быть как ступенчатым, так и бесступенчатым. 2. Мощность, передаваемую телом вращения определяют по формуле , Вт – окружная сила, направленная по касательной к траектории точки ее приложения; – окружная скорость. 3. Вращающий момент , , Н·м 4. Коэффициент полезного действия К.П.Д. механического привода, состоящего из нескольких последовательно соединенных передач: При параллельном соединении механизмов Вопрос 3. Требования к деталям, основные критерии работоспособности деталей машин, приборов и механизмов и виды их отказов. При проектировании новых и модернизации старых машин, узлов и деталей необходимо учитывать новейшие достижения в области науки и техники. Основными требованиями, которым должны удовлетворять детали и узлы машин являются: - прочность; - жесткость; - долговечность или износостойкость; - теплостойкость; - виброустойчивость. Дополнительные требования: - коррозионная стойкость; - снижение массы деталей; (самолетостроение) - использование недефицитных и дешевых материалов; - простота изготовления и технологичность деталей и узлов; - удобство эксплуатации; - транспортабельность машин, узлов и деталей, удобство перевозки и переноски; - стандартизация имеет большое экономическое условие, так как обеспечивает высокое качество продукции, взаимозаменяемость деталей и позволяет вести сборку в условиях серийного производства; - красота форм (краски, эстетика, дизайн); - экономичность конструкции определяется широким использованием деталей и узлов стандартных и унифицированных деталей и узлов, продуманным выбором материалов. Основные критерии работоспособности деталей и влияющие на них факторы. Работоспособность – состояние изделия (машины, узлы, детали и т.п.), при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами установленными требованиями нормативно-технической документации. Она, как сложное свойство, характеризуется определенными условиями – критериями работоспособности: прочность, износостойкость, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость. Прочность – способность сопротивляться нагрузкам, не разрушаясь (и не имея при этом больших пластических деформаций). Это один из главных критериев работоспособности деталей, так как прочностные отказы происходят обычно внезапно и приводят часто к выходу из строя конструкции в целом.. Расчёты на прочность проводят по номинальным допускаемым напряжениям, по допускаемым коэффициентам безопасности и по вероятности безотказной работы. Инженерные расчеты деталей являются, как правило, приближенными, их выполняют обычно методами сопромата. В большинстве технических расчетов под нарушением прочности понимают не только разрушение, но и возникновение пластических деформаций. Расчёт на прочность состоит: 1. Предварительный расчёт (определяются приближённые параметры); 2. Проверочный расчёт (определение прочности в опасных местах). Условие прочности - , где - расчётное напряжение, - допускаемое напряжение. Жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы под действием сил. Деформации деталей от внешних сил, тепловых и других воздействий изменяют не только размеры и форму деталей. Но и характер их сопротивления. Последнее оказывает также существенное влияние на прочность и износостойкость деталей. Часто недостаточная жесткость столь же опасна как и малая прочность. Жесткость влияет на другие характеристики деталей и узлов машин (например, на вибрационную активность). Проверочный расчёт жесткости состоит в определении упругих деформаций: - удлинения; - прогиба; - поворота при изгибе; - закручивания. Износостойкость – способность деталей сопротивляться изнашиванию, то есть процессу разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении. Следствие износа – уменьшение прочности и увеличение динамических нагрузок, нарушение герметичности и т.д. Виды изнашивания: абразивный износ, износ при заедании, износ при коррозии и т. д. Оценка сопротивлений по изнашиванию проводится по условию: ;; , где P- давление; PV – мощность трения, -рабочая температура; [ ] - допускаемые значения. В наиболее ответственных деталях машин износостойкость обеспечивается надлежащей смазкой, применением антифрикционных материалов и герметизацией областей трения. Износ деталей можно уменьшить следующими конструктивными, технологическими и эксплуатационными мерами: - создать при проектировании деталей условия, гарантирующие жидкостное трение; - выбрать соответствующие материалы для сопряженной пары; - наносить на детали покрытия; - соблюдать режимы смазки и защиты трущихся поверхностей от абразивных частиц; - соблюдать технологические требования при изготовлении деталей. Под теплостойкостью понимают способность деталей сохранять нормальную работоспособность в допустимых (заданных) пределах температурного режима, вызываемого рабочим процессом машин и трения в их механизмах. Температурный расчёт сводится к ограничению температуры . Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: понижение прочности материала и появление остаточных деформаций, так называемое явление ползучести (наблюдается в машинах с очень напряженным тепловым режимом, например, в лопатках газовых турбин); понижение защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение износа деталей; изменение зазоров в сопряженных деталях; в некоторых случаях понимание точности работы машины; для деталей, работающих в условиях многократно циклического изменения температур могут возникнуть и развиться микротрещины, приводящие в отдельных случаях к разрушению деталей (тепловой расчет червячных редукторов). Под виброустойчивостью понимают способность деталей и узлов работать в нужном режиме без недопустимых колебаний (вибраций). Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и могут привести к усталостному разрушению деталей. Особенно опасным являются резонансные колебания. В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибрации возрастает, поэтому расчеты параметров вынужденных колебаний приобретают все большее значение. 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. Некоторые показатели для количественной оценки надежности изделий: наработка на отказ (среднее время работы изделия между двумя, соседними по времени отказами), коэффициент готовности или коэффициент технического использования (отношение времени работы изделия к сумме времен работы, обслуживания и ремонта в течение заданного срока эксплуатации), вероятностью безотказной работы в течение заданного срока. Виды отказов. Большинство машин (85–90%) выходит из строя из-за изнашивания деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз. На базе науки о трении и изнашивании (триботехники) в настоящее время решаются прикладные инженерные (триботехнические) задачи в области трения, формообразования деталей, обработки материалов разрушающими и деформирующими способами, возможности дости­жения требуемых свойств поверхностей трения, узлов и деталей за счет упрочняющих воздействий и нанесения специальных покрытий и т. п. Основные понятия, связанные с трением и сопутствующими ему явлениями определены в государственном стандарте (ГОСТ 23002-78). Триботехника — наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, освещающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания. Ряд терминов, относящихся к триботехнике, стандартизован. Приведем в сокращенном виде некоторые из них. Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверх­ности твердого тела, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания. Трение (внешнее трение) − сопротивление относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зоне соприкосновения поверхностей по касательной к ним и сопровождаемое рассеянием энергии. Трение покоя — трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению. Трение движения — трение двух тел, находящихся в относительном движении. Трение без смазочного материала — трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида. Трение скольжения — трение движения двух соприкасающихся твердых тел, при котором их скорости в точках касания различны по значению и направлению. Трение качения — трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по значению и направлению. Сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, направленной по касательной к общей границе между этими телами. Скорость скольжения — разность скоростей тел в точках касания при скольжении. Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к нормаль­ной силе, прижимающей эти тела одно к другому. Коэффициент сцепления — отношение неполной силы трения покоя двух тел к нормальной составляющей поверхностей трения силе, прижимающей тела одно к другому. Трение не является однозначно вредным или полезным. Это зависит от обстоятельств его возникновения и применения. Трение в механизмах чаще принято относить к вредным сопротивлениям из-за создаваемых им механических потерь, нагрева и износа деталей. Подсчитано, что около 33% мировых энергоресурсов тратится на преодоление трения. Однако всем очевидна и огромная польза трения, например, при торможении машин, гашении опасной вибрации или прогулках по гололёду, особенно в горах. В процессе эксплуатации механизма, машины или прибора неизбежно происходит изнашивание элементов его кинематических пар – разрушение и отделение материала с поверхности с постепенным изменением размеров и формы. Это снижает прочность деталей и точность механизма, кроме того, повышаются нагрузки, растёт вибрация и шум вследствие зазоров в кинематических парах. В дельнейшем изнашивание может привести к поломке деталей и выходу машины из строя. Количественная оценка результата изнашивания – износ, определяемый в установленных единицах. Износ − результат изнашивания, выраженный в единицах длины, объёма или массы. Допустимый износ не нарушает работоспособность детали. Предельный износ соответствует предельному состоянию изделия, когда дальнейшая его эксплуатация невозможна. Для повышения износостойкости применяют цементацию, азотирование, гальванические покрытия деталей, поверхностную закалку газовым пламенем, высокочастотную закалку, пластическое деформирование (обкатывание, раскатывание, прошивание, калибрование). Ремонт упрощается и удешевляется, если изношенная деталь проста и легко заменяется без разборки всей машины. Иногда более выгодна не замена, а ремонт изношенной детали путём наращивания изношенной поверхности наплавкой или напылением. В последнее время всё чаще применяют материалы на основе полимеров. Изнашивание деталей можно уменьшить следующими конструктивны­ми, технологическими и эксплуатационными мерами: - создать при проектировании деталей условия, гарантирующие трение со смазочным материалом; - выбрать соответствующие материалы для сопряженной пары; - соблюдать технологические требования при изготовлении деталей; - наносить на детали покрытия; - соблюдать режимы смазывания и защиты трущихся поверхностей от абразивных частиц (применение уплотняющих устройств). Изучение проблем изнашивания приобретает первостепенное значение при проектировании механических систем. В зависимости от характера происходящих процессов различают следующие виды изнашивания: - механическое − является результатом механических процессов — срезание и пластическое деформирование микронеров­ностей (шероховатостей), повреждение поверхностей абразивными частицами, повреждение в результате усталостных трещин; - абразивное − результат режущего и царапающего действия твёрдых частиц, находящихся в зоне контакта деталей. Абразивное изнашивание и пластическое деформирование в зоне сопряжения деталей предотвращается по возможности: точным опреде­лением действующих нагрузок; учетом свойств материала, влияния погрешностей и деформаций на распределение давлений в зоне контакта. - эрозионное − результат воздействия потоков жидкости и газа; - гидроэрозионное (газоэрозионное) – результат воздействия жидкости (газа); - гидроабразивное (газоабразивное) – результат воздействии твёрдых частиц, взвешенных в жидкости (газе); - коррозионно-механическое − механический контакт в сочетании с химическим и/или электрическим взаимодействием материала со средой; - усталостное – проявляется в отслаива­нии отдельных частиц металла с увеличением числа циклов нагружений и проявляется в наибольшей мере на отстающей поверхности (ножка зуба в зубчатой передаче, дорожка качения внутреннего кольца подшипника качения) и представляет значительную опасность при поверхностном упрочнении (азотирование, цементация и др.), поскольку в результате развития трещин под упрочненным слоем с поверхности трения отделяются крупные частицы металла. Для предотвращения усталостного выкрашивания проводится расчет с целью оценки величины контактных напряжений (оценка контактной прочности). - кавитационное − гидроэрозионное при движении тела в жидкости, когда пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности с местным повышением давления и температуры; - молекулярно-механическое изнашивание проявляется при разрушении защитных пленок на контактирующих поверхностях, что вызывает действие сил молекулярного сцепления в зоне контакта их микронеровностей (явление схватывания), следствием чего является процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения — заедание. - при заедании – преимущественно наблюдается при высоких скоростях и давлениях с выдавливанием разъедающей трущиеся поверхности масляной пленки. В результате тепло не успевает отводиться, и происходит схватывание (сварка) частиц металла контактирующих поверхностей с дальнейшим отрывом их от более мягкой поверхности и прочным соединением с более твердой. Образовавшиеся неровности царапают рабочие поверхности деталей с более мягкой поверхностью, что приводит к выходу их из строя. Опасной формой заедания является задир — повреждение зоны контакта при высокой твердости контактирующих поверхностей в виде борозд глубиной до 100–200 мкм в направлении вектора скорости относительного движения. Уменьшение схватывания имеет место для поверхностей трения при большой разнице их твердости (стальной червяк и бронзовый венец червячного колеса, стальная шейка вала и бронзовые или латунные втулки в подшипниках скольжения), а также при применении смазок с антизадирными присадками. Одним из критериев оценки возможности проявления заедания является температура в зоне контакта, сравниваемая с допускаемой. - окислительное – аналогично коррозионно-механическому, но под основным влиянием химических реакций с кислородом или окисляющей средой (узлы пищевого, нефтехимического оборудования); - фреттинг-коррозия − при малых относительных колебательных контактирующих поверхностей. Этот вид изнашивания, нарушающий прочность соединения, характерен для заклепочных, шпоночных и шлицевых соединений, соединений с натягом, зубчатых муфт, рессор. - электроэрозионное − в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. В обычных условиях сочетаются разные виды изнашивания, что очень затрудняет анализ условий работы машин. При назначении сроков службы кинематических пар принимают во внимание опыт эксплуатации машин в разных условиях. Вопрос 4. Основы проектирования механизмов, стадии разработки. Проектирование изделия – разработка комплекта документации, необходимой для его изготовления, наладки и эксплуатации в заданных условиях и в течение заданного срока. Конструирование машин – творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят из многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т.п. Детали, узлы, машины изготовляют по чертежам, выполненным на основе проектов – совокупности расчетов, графических материалов и пояснений к ним предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции (кинематических, динамических, геометрических и других), ее производительности, экономической эффективности. Для особо ответственных конструкций проект дополняют макетом или действующей моделью. Основные задачи, решаемые при проектировании изделия: 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. Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены стандартом Первая стадия – разработка технического задания – документа, содержащего наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели и специальные требования заказчика к изделию. Техническое задание разрабатывают на основе требований заказчика с учетом достижений и технического уровня отечественных и зарубежных конструкций, патентного поиска, а также результатов научно-исследовательских работ и научного прогноза. Вторая стадия – разработка технического предложения – совокупности конструкторских документов, обосновывающих техническую и технико-экономическую целесообразность разработки изделия на основе предложений в техническом задании, рассмотрения вариантов возможных решений с учетом достижений науки и техники в стране и за рубежом, патентных материалов, возможностей машиностроительных заводов отрасли и смежных отраслей. Техническое предложение утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком. Третья стадия – разработка эскизного проекта – совокупности конструкторских документов, содержащих принципиальные конструкторские решения и разработки общих видов чертежей, дающих представление об устройстве разрабатываемого изделия, принципы его действия, габаритах и основных параметрах сюда входит пояснительная записка с необходимыми расчетами. Четвертая стадия – разработка технического проекта - совокупности конструкторских документов, содержащих окончательное решение и дающих полное представление об устройстве изделия. Чертежи проекта состоят из общих видов и сборочных чертежей узлов, полученных с учетом достижений науки и техники на уровне работы узлов. На этой стадии рассматриваются вопросы надежности узлов, соответствие требованиям техники безопасности, условиям хранения и транспортирования и т.д. Пятая стадия – разработка рабочей документации - совокупности конструкторских документов, содержащих чертежи общих видов, узлов, деталей, оформленных так, чтобы по ним можно было изготовлять изделия и контролировать их производство и эксплуатацию. На этой стадии разрабатываются конструкции детали, оптимальные по показателям надежности технологичности и экономичности. Лекция 2 Расчет и проектирование механических передач Вопрос 1. Зубчатые, червячные передачи и передача винт-гайка. Схема создания современной машины предполагает введение промежуточного звена между двигателем и ее рабочим (исполнительным) органом. Как правило, этим промежуточным звеном является механическая передача. Механические передачи предназначены для выбора и регулирования оптимальных скоростей движения (повышения или понижения), преобразования видов движения (вращательного в поступательное и наоборот), изменения направления движения (реверсирования), вращательных моментов и сил, передачи мощности на расстояние. оборот), общее понятие «механическая передача» можно формулировать так: Передача – механизм, служащий для переноса механической энергии на расстояние с преобразованием скоростей, моментов, видов и законов движения. В машиностроении нашли широкое применение: - механические, - пневматические, - электрические, - гидравлические, - комбинированные виды передач. В курсе «Детали машин и основы конструирования» рассматриваются только механические передачи. Механические передачи условно можно разделить на три группы: - передачи, основанные на использовании сил трения между ее элементами; - передачи зацепления, работающие в результате давления между зубьями взаимодействующих деталей; - передачи, основанные на использовании закона направленного движения взаимодействующих ее элементов. Во всех механических передачах различают два основных звена: ведущее (входное), которое передает вращающийся момент, и ведомое (выходное), приводимое в движение от ведущих. Между этими звеньями в многоступенчатых передачах располагаются промежуточные звенья. Параметры передачи, относящиеся к ведущему звену, обозначаются индексом «1», «3» , а к ведомому – «2», «4» и т.д. Основные силовые и кинематические параметры – величины характеризующие механические передачи и по которым выполняется проектировочный расчет. К ним относятся: - мощность ведущего (кВт) и ведомого вала - частота вращения (об/мин) и - угловая скорость (рад/с) и (2.1) - коэффициент полноты действия (2.2) многоступенчатая передача: (2.3) - окружная скорость (м/с) (2.4) - вращающий момент (Н·м) и (2.5) - передаточное число(одноступенчатая передача) : (2.6) - для зубчатой передачи (2.7) Дополнение к данным параметрам механических передач: - на ведомом колесе направление окружной силы совпадает с направлением вращения, а на ведущем – противоположно ему; - вращающий момент на ведущем валу совпадает с направлением вращения вала, а на ведомом валу – противоположно; - передачи для повышения угловой скорости называют мультипликаторами или ускорителями; - передачи для понижения угловой скорости называют редукторами; - для многоступенчатых передач передаточное число равно произведению передаточных чисел ступеней, то есть Зубчатые передачи Механизм, предназначенный для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью находящихся в зацеплении зубчатых колес, называется зубчатой передачей. Вращение ведущего зубчатого колеса преобразуется во вращение ведомого колеса путем нажатия зубьев первого на зубья второго. Меньшее зубчатое колесо передачи называется шестерней, большее – колесом. рис. 1 Зубчатые передачи – наиболее распространенный тип передач в современном машиностроении. Зубчатые передачи и колеса классифицируют по следующим признакам: 1. По взаимному расположению осей колес: - с параллельными осями (цилиндрические), - с пересекающимися (конические), - со скрещивающимися (винтовые). 2. По расположению зубьев относительно образующих колес: прямозубые, косозубые, шевронные, коническая, с круговым зубом, с внутренним зацеплением. 3. По конструктивному оформлению: открытые и закрытые. 4. По окружной скорости: - тихоходные (до 3 м/с), - для средних скоростей (3-15 м/с), - быстроходные (свыше 15 м/с). 5. По числу ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые. 6. По расположению зубьев в передаче и колесах: - внешнее зацепление, - внутреннее зацепление, - реечное зацепление. 7. По форме профиля зуба: эвольвентные и неэвольвентные. 8. По точности зацепления. а- прямозубая, б – косозубая, в – шевронная, г – коническая, д – с круговым зубом, е – с внутренним зацеплением. ВИДЫ РАЗРУШЕНИЙ ЗУБЬЕВ. При работе зубчатой передачи между зубьями сопряженных зубчатых колес возникает сила давления F, направленная по линии зацепления. Кроме того, от скольжения зубьев между ними образуется сила трения. Под действием этих сил зубья находятся в напряженном состоянии. На их работоспособность оказывают влияние напряжения изгиба в поперечных сечениях зубьев и контактные напряжения в поверхностных слоях зубьев. Характер разрушения зубьев зубчатых колес зависит от условий работы передачи. 1. усталостное выкрашивание поверхностных слоев зубьев (закрытые хорошо смазываемые передачи) Выкрашивание начинается вблизи полюсной линии. Выкрашивание является следствием действия повторно-переменных контактных напряжений σн. 2. поломка зубьев (высоконагруженные мелкомодульные передачи) Прямые зубья разрушаются по сечению у основания зуба, косые-по наклонному сечению. Поломка является следствием действия повторно-переменных напряжений изгиба σF или перегрузки. 3. абразивное изнашивание боковой поверхности зубьев (открытые передачи) Первоначальный профиль зубьев искажается, уменьшается поперечное сечение зубьев. Абразивное изнашивание происходит при попадании в зацепление абразивных частиц, продуктов изнашивания и т.п. 4. заедание поверхности зубьев (высоконагруженные передачи при больших удельных нагрузках) В результате высокого давления происходит разрыв масляной пленки. Частицы материала одного зуба привариваются к другому зубу. Приварившиеся частицы материала образуют наросты, которые повреждают поверхности зубьев. Достоинства зубчатых передач: 1. Возможность передачи практически любых мощностей (до 50000 кВТ и более) при весьма широком диапазоне окружных скоростей (от долей м/с до 30... 150 м/с). 2. Постоянство передаточного отношения 3. Компактность, надежность и высокая усталостная долговечность передачи. 4. Высокий КПД (=0,97…0,99) при высокой точности изготовления и монтажа, низкой шероховатости рабочей поверхности зубьев, жидкой смазке и передаче полной мощности. 5. Простота обслуживания и ухода. 6. Сравнительно небольшие силы давления на валы и их опоры. 7. Может быть изготовлена из самых разнообразных материалов, металлических и неметаллических. Недостатки: 1. Ограниченность передаточного отношения. Для одной пары зубчатых колес по imax =12,5, но практически i≤7, лишь в открытых тихоходных, малонагруженных передачах imax≤ 15 (даже до 20). 2. Является источником вибрации и шума, особенно при низком качестве изготовления и монтажа и значительных скоростях. 3. При больших перегрузках возможна поломка деталей (пробуксовки исключены). 4. Относительная сложность изготовления высокоточных зубчатых колес. Применение: По применению и распространению в различных областях народного хозяйства зубчатые передачи по праву занимают первое место. В любой отрасли машиностроения, приборостроения, на транспорте, в пожарной технике, в военной технике и др. Зубчатые передачи находят широкое применение: автомобили, самолеты, тракторы, пожарные автомобили, подъемники, часы, измерительные приборы и т.д. Червячные передачи Червячная (или зубчато-винтовая) передача (рис. 2) представляет собой кинематическую пару, состоящую из червяка и червячного колеса. На рис. 3 показан привод от электродвигателя 3, соединенного муфтой 2 с ведущим валом червячного редуктора. Рис. 2 Рис. 3 Червяк - это винт с резьбой, нарезанной на цилиндре (архимедов, конволютный, эвольвентный и другие червяки, см. рис. 2, а) или на глобоиде (см. рис. 2, б). Архимедов червяк представляет собой цилиндрический винт с трапецеидальным профилем резьбы. В торцовом сечении витки этого червяка очерчены архимедовой спиралью. Конволютный червяк – это цилиндрический винт с прямолинейными очертаниями профиля впадин или витков в сечении, нормальном к боковой поверхности резьбы. Эвольвентный червяк можно рассматривать как косозубое цилиндрическое колесо с очень большим углом наклона зуба к образующей цилиндра и с малым числом зубьев. Профиль витков зубьев очерчен эвольвентой. Глобоидный червяк представляет собой винт, нарезанный на поверхности тора (глобоида). В центральной осевой плоскости червяка витки имеют прямолинейный профиль. Передачу с таким червяком называют глобоидной. Достоинства: 1.Возможность осуществления передачи (одноступенчатой) с большими передаточными числами . 2. Плавность зацепления и бесшумность работы. 3. Возможность осуществления самотормозящей передачи (у такой передачи КПД меньше 50%). 4. Небольшая масса передачи на единицу мощности при большом передаточном числе. Недостатки. 1. Сравнительно низкий КПД в несамотормозящих передачах =0,7...0,92 (большие значения для передач с многовитковым и шлифованным червяком). 2. Ограниченность передаваемой мощности - не выше 50...100 кВт. 3. Сильный нагрев передачи при длительной непрерывной работе. 4. Высокая стоимость материала венцов червячных колес (бронза) и инструмента для нарезания зубьев червячных колес (червячные фрезы), а также шлифовки червяка. Применение: Червячные передачи широко используются в пожарной технике. В частности, эти передачи введены в кинематические схемы приводов лебедок, установленных спереди автомобилей технической службы, выдвигания и сдвигания комплекта колен автомобильных лестниц. Передача винт-гайка Передача винт-гайка предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное и в редких случаях для преобразования поступательного движения во вращательное. Второе возможно только при несамотормозящей винтовой паре. Рис. 4 Рис. 5 Для винтов применяют трапецеидальную резьбу, которую можно получать фрезерованием, ее прочность выше прочности прямоугольной резьбы, а потери на трение незначительно больше. В соответствии с ГОСТ трапецеидальную резьбу изготовляют с мелким, средним и крупным шагами. Наиболее распространена резьба со средним шагом. Резьба винтов и гаек в зависимости от назначения может быть правой или левой. Винты изготовляют из сталей Винты передач без термообработки изготавливают из стали 45, 50 и других, а с закалкой – из сталей 40Х, 40ХГ и других. Для уменьшения трения и износа резьбы гайки передач изготавливают из бронз. Достоинства: 1. Простота изготовления и надежность конструкции. 2. Большая несущая способность при небольших габаритах передачи. 3. Большой выигрыш в силе, получающийся вследствие медленного осевого перемещения винта (гайки). 4. Возможность обеспечения высокой точности перемещений. Недостатки: 1. Низкий КПД: = 0,6…0,85. 2. Тихоходность передачи. Применение: Передачу винт-гайка применяют при поднятии грузов (винтовые домкраты (рис. 4) в машинах для испытания материалов, при механической обработке материалов (ходовые винты станков, винтовые прессы, тиски, струбцины, нажимные устройства), при необходимости выполнения точных перемещений (измерительные приборы) и т. д. Вопрос 2. Ременные и цепные передачи. Ременные передачи Для приведения во вращение вала, находящегося на определенном расстоянии от ведущего звена, используют фрикционные передачи с гибкой связью. Эти передачи называют ременными. Ременная передача состоит из двух или большего числа шкивов и бесконечного ремня, надетого на шкивы с натяжением. Рис. 9 Различают следующие виды ременных передач: 1) в зависимости от формы поперечного сечения ремня - плоскоременные; - клиноременные; - поликлиноременные; - круглоременные 2) в зависимости от назначения передачи и взаимного расположения осей валов: - открытые (рис.10,а); - перекрестные (рис.10,б); - полуперекрестные (рис.10,в); - угловые (рис.10, г). Рис.10 Достоинства: 1. Возможность передачи энергии на значительные расстояния. 2. Простота и низкая стоимость конструкции. 3. Плавность и бесшумность хода, способность смягчать удары благодаря эластичности ремня и предохранять механизм от поломок при буксовании, вызванном перегрузкой. 4. Возможность передачи мощностей от долей киловатта до сотен киловатт (чаще до 50 кВт, реже до 300 кВт) при окружной скорости до 30 м/с (быстроходные плоскоременные передачи специальными цельноткаными бесшовными тонкими и легкими ремнями достигают скорости 50... 60 м/с, а сверхбыстроходные - до 100 м/с). 5. Простота обслуживания и ухода. 6. Относительно высокий КПД:  0,91... 0,98, большие значения для открытых плоскоременных передач. 7. Передаточное отношение i <7 (обычно i<4... 5). Недостатки: 1. Непостоянство передаточного отношения вследствие упругого скольжения, меняющегося в зависимости от нагрузки. 2. Относительно большие габариты передачи и невысокая долговечность ремня (особенно в быстроходных передачах). 3. Вытягивание ремня в процессе эксплуатации передачи приводит к необходимости дополнительных устройств (натяжной ролик ,натяжной винт) или к частой перешивке плоского ремня. 4. Неприменимость во взрывоопасных помещениях. 5. Большие нагрузки на валы и их опоры (подшипники). Ремни бывают: хлопчатобумажные, прорезиненные, шерстяные, кожаные. Применение: Несмотря на перечисленные недостатки, ременные передачи в промышленности и народном хозяйстве занимают второе место после зубчатых. В любой отрасли машиностроения и приборостроения можно встретить плоскоременную или клиноременную передачу: приводы насосов, вентиляторов, транспортеров, приводы комбайнов и других сельскохозяйственных машин; приводы в автомобильной, химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Цепные передачи Рис.11 Передача энергии между двумя или несколькими параллельными валами, осуществляемая зацеплением с помощью гибкой бесконечной цепи и звездочек, называется цепной. (Рис. 11) Рис. 12 В машиностроении и народном хозяйстве находят применение следующие группы цепей: грузовые (рис. 13), применяемые для подвески, подъема и опускания груза в различных подъемно-транспортных механизмах при скоростях, не превышающих 0,25... 0,5 м/с; тяговые (рис. 14), применяемые для транспортировки грузов (транспортеры, элеваторы, бревнотаски, приводные рольганги, эскалаторы) при небольших скоростях – до 2…4 м/с; приводные, используемые для передачи энергии в широком диапазоне скоростей с постоянным передаточным отношением. Приводные цепи - зубчатые, роликовые и втулочные - применяют в велосипедах, мотоциклах, сельскохозяйственных машинах, станках, транспортерах, угольных комбайнах, приводах вспомогательного механизма прокатного оборудования, приводах подъемно-транспортных машин и т. д. Рис.13 Рис. 14 Достоинства: 1. Возможность передачи мощности на значительные расстояния при передаточном отношении обычно . 2.Сравнительно небольшие нагрузки на валы и их опоры. 3. Большой диапазон передаваемых мощностей: от долей киловатта до сотен киловатт и большой диапазон скоростей. 4. Возможность передачи энергии одной цепью нескольким валам с одинаковым или противоположным направлением вращения. 5. Высокий КПД:  =0,95...0,98 (при передаче полной мощности, тщательном уходе и хорошей смазке). Недостатки: 1. Цепные передачи дороже, требуют более высокой точности установки валов, чем ременные передачи, и более сложного ухода - смазки, регулировки. 2. Затруднительный подвод смазки к шарнирам увеличивает их износ, вследствие чего цепь вытягивается и требует установки натяжных устройств; срок службы передачи сокращается. 3.Основной причиной износа шарниров (кроме недостатка смазки), шума, дополнительных динамических нагрузок и неравномерности вращения ведомой системы является то, что цепь состоит из отдельных звеньев, которые располагаются на звездочках не по дугам окружностей, а по ломаным линиям. Вопрос 3. Фрикционные и рычажные передачи. Фрикционные передачи Механическая передача, служащая для передачи вращательного движения между валами с помощью сил терния, возникающих между дисками, цилиндрами или конусами, насаженными на валы и прижимаемыми один к другому называется фрикционной передачей. Рис.8 Для создания силы трения, достаточной для передачи заданного момента от ведущего вала к ведомому, во фрикционных передачах применяют различные нажимные устройства (пружины, рычаги и др.) Фрикционные передачи классифицируются по следующим признакам: 1. По назначению: - с нерегулируемым передаточным числом, - с бесступенчатым регулированием передаточного числа (вариаторы) безпромежуточного звена, - то же с промежуточным звеном. 2. По взаимному расположению осей валов: - цилиндрические (рис. 8) или конусные с параллельными осями, - конические и лобовые с пересекающимися осями, - торовые соосные. 3. В зависимости от условий работы: - открытые (работают всухую), - закрытые (работают в масляной ванне). 4. По принципу действия: - нереверсивные, - реверсивные. Достоинства: 1. Простота конструкции. 2. Плавность и бесшумность работы. 3.Возможность бесступенчатого регулирования скорости. 4. При перегрузках происходит проскальзывание катков, предохраняющее механизм привода от поломок. Недостатки: 1. Непостоянство передаточного отношения. 2. Ограниченность передаваемых мощностей - до 10...20 кВт (силовые фрикционные передачи со стальными закаленными катками, работающими в масле, могут передавать мощность до 200...300 кВт). 3. Большие нагрузки на валы и их опоры (подшипники), приводящие к громоздкости конструкции и большим потерям энергии на преодоление трения в опорах. 4. Сравнительно низкий КПД ( 0,7... 0,95). 5. Повышенный и зачастую неравномерный износ рабочих поверхностей катков. Из-за интенсивного износа поверхностей катков, работающих всухую, и их значительного нагрева окружная скорость силовой передачи не должна превышать 7...10 м/с (при  > 7 ... 10 м/с катки обычно работают в масле). Материалы: К материалам, применяемым для изготовления фрикционных катков, предъявляют следующие требования: износостойкость; высокий коэффициент трения, высокий модуль продольной упругости для обеспечения достаточной жесткости катков. Для передачи небольших моментов применяют материалы, обладающие в паре со сталью или чугуном повышенным коэффициентом трения: дерево, текстолит, кожа, резина, прорезиненная ткань, фибра. Перечисленные неметаллические материалы применяют для рабочей поверхности ведущего чугунного или стального катка. Ведомый каток, как правило, изготовляют из чугуна или стали без облицовочного покрытия. Применение: Вследствие недостатков фрикционных передач с постоянным передаточным числом в машиностроении применяют сравнительно редко (фрикционные прессы, молоты, лебедки в буровой технике). Эти передачи чаще применяют в приборах и аппаратах, где требуется плавность и бесшумность работы (магнитофоны, проигрыватели спидометры и т.п.). Наиболее распространены в машиностроении вариаторы – фрикционные передачи с переменным числом (металлорежущие станки, текстильные машины). Фрикционные передачи применяют в вибрографах, магнитофонах, киноаппаратах, проигрывателях, спидометрах и т. д. В машиностроении силовые передачи с условно постоянным передаточным отношением используют крайне редко. В качестве примера можно указать фрикционные лебедки, иногда применяемые в буровой технике. Вариаторы широко используются в различных отраслях промышленности. Их часто применяют в приводах конвейеров, сварочных и литейных машинах, металлорежущих станках и т. д. Использование фрикционной передачи в качестве предохранительного звена механизма не рекомендуется, так как при буксовании повреждаются рабочие поверхности катков. Вопрос 4. Планетарные и волновые передачи Планетарные передачи Сложные зубчатые механизмы, в которых ось хотя бы одного колеса подвижна, называются планетарными механизмами. К типовым планетарным механизмам относятся: • однорядный планетарный механизм; • двухрядный планетарный механизм с одним внешним и одним внутренним зацеплением • двухрядный планетарный механизм с двумя внешними зацеплениями; • двухрядный планетарный механизм с двумя внутренними зацеплениями. Элементы планетарного механизма имеют специальные названия: • зубчатое колесо с внешними зубьями, расположенное в центре механизма называется "солнечным"; • колесо с внутренними зубьями называют "короной" или "эпициклом"; • колеса, оси которых подвижны, называют "сателлитами"; • подвижное звено, на котором установлены сателлиты, называют "водилом" . Звено водила принято обозначать не цифрой, а латинской буквой (Н). Рис.6 Достоинства: Возможность получения большого передаточного отношения при малых габаритах и небольшой массе конструкции. Правда у многих схем планетарных передач с большими передаточными отношениями КПД невысок. Благодаря внутреннему зацеплению увеличивается нагрузочная способность передачи, повышается плавность зацепления и уменьшается шум. При симметричном расположении сателлитов силы в передаче взаимно уравновешиваются, снижаются потери энергии, уменьшается нагрузка на опоры и упрощается их конструкция. Недостатки: 1. Низкий КПД и повышенные требования к точности изготовления и монтажа. 2. При сборке передачи необходимо выдерживать условия соосности (сцепляемости сателлитов с центральными колесами), соседства (возможности размещения сателлитов по окружности) и одинаковости центральных углов между сателлитами. При определении передаточного отношения планетарного механизма наиболее часто применяют метод остановки водила Н (метод Виллиса). При указанном методе звеньям планетарной передачи мысленно сообщается дополнительное вращение с угловой скоростью, равной угловой скорости водила Н, но направленной в противоположную сторону. В полученном таким образом приведенном механизме водило окажется неподвижным и планетарная передача превращается в обычный зубчатый механизм, у которого все геометрические оси неподвижны. Применение Планетарные передачи применяют в подъемно-транспортных машинах, станках, авиамоторах, врубовых машинах, приборах, редукторах. Волновые передачи Волновой передачей называется зубчатый или фрикционный механизм, предназначенный для передачи и преобразования движения (обычно вращательного), в котором движение преобразуется за счет волновой деформации венца гибкого колеса специальным звеном (узлом) - генератором волн. Основными элементами дифференциального волнового механизма являются: входной или быстроходный вал с генератором волн, гибкое колесо с муфтой, соединяющей его с первым тихоходным валом, жесткое колесо, соединенное со вторым тихоходным валом, корпус.   Рис.7 Достоинства: 1. Большая несущая способность на единицу массы передачи (в 3...4 раза выше зубчатых передач). 2. Возможность получения больших передаточных отношений. 3. Плавность и бесшумность работы передачи. 4. Высокая кинематическая точность передачи. 5. Надежность зацепления (при многопарном зацеплении поломка зуба не нарушит работоспособности и точности передачи). 6. Возможность передачи движения в герметизированное пространство. 7. Малогабаритность и возможность рационального использования объема передачи при ее компоновке. Недостатки: 1. Сложность конструкции генератора волн. 2. Необходимость выбора оптимальной геометрии зубьев колес. 3. Из-за непрерывного значительного деформирования гибкого колеса представляют повышенные требования к выбору его материала (сталь, пластмасса) и технологии изготовления. 4. Маломощность передачи (до 3.. .5 кВт). 5. Невысокий КПД (в силовых передачах  = 0,75... ...0,90). Применение: Несмотря на указанные недостатки, область применения передач расширяется. Одноступенчатые и многоступенчатые волновые передачи применяют в силовых и кинематических автономных или встроенных редукторах и мультипликаторах; в башенных строительных кранах; в приводах космических аппаратов; в уникальных механизмах различного типа летательных аппаратов, луноходах, атомных реакторах, приводах прецизионных приборов и др. Лекция 3 Валы и оси Вопрос 1. Конструкция валов и осей. Деталь, на которую насаживают (подвижно или неподвижно) вращающиеся устройства (блок, зубчатое колесо и др.), называют осью или валом. Оси служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Оси бывают вращающиеся и неподвижные. Вращение оси вместе с установленными на них деталями осуществляются относительно ее опор, называемых подшипниками. Примером не вращающейся оси может служить ось блока грузоподъемной машины, а вращающейся оси - вагонная ось (или тракторы и автомобили) Оси воспринимают нагрузку от расположенных на них деталей и работают на изгиб. Оси представляют собой прямые стержни. Валы в отличие от осей предназначены для передачи крутящих моментов и в большинстве случаев для поддержания вращающихся вместе с ними относительно подшипников различных деталей машин (зубчатых колес, шкивов и т.п.). Валы работают одновременно на изгиб и на кручение, а иногда на растяжение и сжатие при осевых нагрузках. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали (карданные валы), поэтому эти валы работают только на кручение. Валы классифицируют: по назначению - валы передач, несущие зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты и другие детали или сборочные единицы передач; - коренные валы машин, которые кроме деталей передач несут еще и рабочие органы производственных машин или машин двигателей. Например, валы турбин, на которые насажены колеса или диски турбин; валы токарных и сверлильных станков, на которых установлены зажимные патроны; валы электродвигателей, на которые насажены роторы; коленчатые и кривошипные валы и т. д.; по форме геометрической оси - прямые (рис.1,а), получившие самое широкое распространение в различных отраслях машиностроения; - кривошипные и коленчатые (рис.1, б, в), используемые не только для передачи момента, но и для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или, наоборот, вращательного движения в возвратно-поступательное (насосы, станки); - гибкие (рис.3) с изменяемой формой геометрической оси, применяемые в разнообразных приводах механизированного инструмента, например вал переносной сверлильной или завинчивающей установки, а также в не силовых приводах приборов, например спидометров и других приборов дистанционного измерения или управления. На рис. 3, а показаны проволочная навивка 1 вала и его сердечник 2, который для не усиленных валов после навивки вынимают. Гибкий вал обычного вида изображен на рис.3, б. На рис.3,в показана конструкция контрольного механизма (например, тахометра); Рис. 2 Рис. 3 по форме и конструктивным признакам - гладкие (см. рис.2) постоянного поперечного сечения (трансмиссионные, валы гребных винтов и др.); ступенчато-переменного поперечного сечения (см. рис.1) (валы большинства передач). Сюда же можно отнести шлицевые валы (рис.4) валы-червяки и валы-шестерни. Рис.4 Для уменьшения массы валы иногда делают полыми. Вал обычно работает на изгиб, кручение (вал прямозубого редуктора, фрикционной, ременной и цепной передач) или на изгиб, кручение и осевое сжатие (растяжение) - вал косозубого цилиндрического, конического и червячного редукторов. Соединение осей или валов с деталями передач (шкивами, зубчатыми колесами и т. п.), насаженными на них, осуществляется с помощью шпонок (см. рис.1, а), шлицев (см. рис.4), штифтов и т. д. Насаженные на вал (ось) детали удерживаются от сдвига в осевом направлении (косозубые цилиндрические, конические и червячные зубчатые колеса и др.) с помощью буртов или заплечиков на валу, специальных установочных колец, распорных втулок, стопорных винтов и т. д. Валы и оси изготовляют из углеродистой (Ст3, Ст4, Ст5, сталь 30, 35, 40, 45, 50) и легированной (сталь 40Х, 40ХН, 30ХН3А, 30ХГТ) сталей, значительно реже - из стального литья (сталь 35Л, 40Л, 45Л, 50Л) с соответствующей термической обработкой, а также качественного серого чугуна, высокопрочного чугуна (коленчатые валы), сплавов цветных металлов (часы, приборы) и пластмасс. Конструктивные формы цапф Опорные участки валов и осей называют цапфами. В зависимости от направления опорных реакций различают два вида цапф: Рис. 5 1. Цапфы, опорные реакции которых перпендикулярны оси вращения, называют шипами (концевые цапфы) или шейками (промежуточные цапфы) (рис. 5). Диаметр шипов меньше диаметра вала, так как шип не испытывает кручения; диаметр шейки не должен быть меньше диаметра вала, так как шейка передаёт вращающий момент и, следовательно, работает на кручение. Опорами шипов и шеек служат радиальные или радиально-упорные подшипники качения или подшипника скольжения. Участки осей или валов, на которых закреплены вращающиеся детали или сборочные единицы (зубчатые колёса, полумуфты), называют подступичными (рис. 5). 2. Цапфы, опорные реакции которых совпадают с осью вращения или параллельны ей, называют пятами (рис. 6). Опорами пят служат подпятники — упорные подшипники скольжения (рис. 7, а) или качения (рис. 7, б). Наибольшее распространение получили следующие конструкции пят: сплошная пята, рабочей поверхностью которой является плоский торец вала с канавками для смазки (рис. 6, а); кольцевая пята (рис. 6, б), рабочей поверхностью является кольцо торцовой части вала с канавками для смазки; гребенчатая пята (рис. 6, в), рабочей поверхностью которой являются кольцевые участки вала - гребни (или заплечики), на которых сделаны канавки для смазки. Эти пяты предназначены для передачи больших осевых сил. Рис.6 Рис. 7 Шипы и шейки вала или оси опираются на подшипники, опорной частью для пяты является подпятник. Буртик – кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое. Заплечик – переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал или ось деталей. Галтель – криволинейная поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему. Галтели выполняют: постоянного радиуса переменного радиуса с поднутрением Переходные участки являются концентраторами напряжений. Для снижения концентрации напряжений в переходных участках выполняются разгрузочные канавки, увеличивающие радиусы галтелей. Критерии работоспособности валов. Конструкция, размеры и материал вала существенно зависят от критериев, определяющих его работоспособность. Работоспособность валов характеризуется в основном их прочностью и жесткостью, а в некоторых случаях виброустойчивостью и износостойкостью. Большинство валов передач разрушаются вследствие низкой усталостной прочности. Поломки валов в зоне концентрации напряжений происходят из-за действий переменных напряжений. Для тихоходных валов, работающих с перегрузками, основным критерием работоспособности служит статическая прочность. Жесткость валов при изгибе и кручении определяется значениями прогибов, углов поворота упругой линии и углов закрутки. Упругие перемещения валов отрицательно влияют на работу зубчатых и червячных передач, подшипников, муфт и других элементов привода, понижая точность механизмов, увеличивая концентрацию нагрузок и износ деталей. Для быстроходных валов опасно возникновение резонанса – явления, когда частота собственных колебаний совпадает или кратна частоте возмущающих сил. Для предотвращения резонанса выполняют расчет на виброустойчивость. При установке валов на подшипниках скольжения размеры цапф вала определяют из условия износостойкости опоры скольжения. В процессе работы валы и оси испытывают постоянные или переменные по величине и направлению нагрузки. Прочность валов и осей определяется величиной и характером напряжений, возникающих в них под действием нагрузок. Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся осях (и валах) — переменные. Характерной особенностью валов является то, что они работают при циклическом изгибе наиболее опасного симметричного цикла, который возникает вследствие того, что вал, вращаясь, поворачивается к действующим изгибающим нагрузкам то одной, то другой стороной. При разработке конструкции вала должно быть обращено самое пристальное внимание на выбор правильной его формы, чтобы избежать концентрации напряжений в местах переходов, причиной которых могут быть усталостные разрушения. С этой целью следует избегать: а) резких переходов сечений; б) канавок и малых радиусов скруглений; в) некруглых отверстий; г) грубой обработки поверхности. Для оценки правильного выбора геометрической формы вала пользуются гидравлической аналогией, которая гласит: "Если контур детали представить как трубу, в которой движется жидкость, то там, где поток турбулентный, возникнет концентрация напряжений". Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни". - На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений. - На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения. - На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов. Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить: - объёмную прочность (способность сопротивляться Mизг и Мкрут); - поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями); - жёсткость на изгиб; - крутильную жёсткость (особенно для длинных валов). Вопрос 2. Расчет валов и осей на прочность и жесткость. Так как валы некруглого сечения применяют редко, то рассмотрим расчеты валов и осей только круглого сечения. Рассмотрим расчет осей. Они нагружены только изгибающими нагрузками и соответственно их рассчитывают на изгиб. После составления расчетной схемы и определения всех сил, действующих на ось, строят эпюру изгибающих моментов и по максимальному изгибающему моменту рассчитывают на ось. Расчет осей на статическую прочность при изгибе:   (проверочный расчет) (проектный расчет) Затем округляют диаметр оси до ближайшего стандартного ГОСТ 6636 - 89 - расчетное напряжение изгиба в опасном сечении, ; М - изгибающий момент в опасном сечении оси, ; - момент сопротивления оси, ; - допускаемое напряжение на изгиб, . Для вращающихся осей можно принимать из таблицы (см. справочник). Для не вращающихся осей следует повысить на 75%. Расчет вала редуктора состоит из двух этапов: Первым этапом является проектный расчет, цель которого - определение диаметра выходного конца вала. Расчет производится по крутящему моменту, передаваемому валом, действием изгибающих моментов на вал пренебрегают. После чего производится конструирование вала. Второй этап предусматривает проверочные расчеты на усталостную и статическую прочности. Расчетом вала на кручение пользуются иногда как предварительным, после которого вал рассчитывают на статическую прочность - совместное действие изгиба и кручения. Расчет валов, работающих только на кручение: - проверочный расчет; -  проектный расчет, где - расчетное напряжение кручения в опасном сечении вала, ; М - крутящий момент в опасном сечении вала, ; d - диаметр вала, ; - допускаемое напряжение кручения для вала, ; Расчет на усталостную прочность сводится к определению коэффициента запаса прочности материала вала при одновременном действии циклических нормальных (при изгибе) и касательных (при кручении) напряжений. (1) где - коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям: (2) - коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям: (3) Рассчитанный коэффициент запаса прочности сравнивается с допускаемым. Расчет на статическую прочность подразумевает проверку вала по нормальным эквивалентным напряжениям и сравнение расчетной величины с допускаемым значением. Так как ось в отличие от вала не передает механической работы и работает только на изгиб, то условие (уравнение) прочности оси имеет вид (4) где — изгибающий момент в опасном сечении оси; — осевой момент сопротивления круглого сечения оси. При выполнении проектировочного расчета на прочность оси допускаемые напряжения изгиба для вращающихся осей принимают как для симметричного цикла напряжений, а для неподвижных осей - как при статическом погружении или при изменении напряжений по отнулевому циклу. При прочих равных условиях (одинаковый материал, нагрузки, технология изготовления и т. д.) допускаемые напряжения изгиба для невращающихся осей в 1,5... 1,6 раза выше, чем для вращающихся, поэтому выгоднее применять неподвижные оси. В отдельных случаях вращающиеся оси по конструктивным признакам и экономическим условиям применять выгоднее, несмотря на большую затрату материала. Например, для некоторых типов железнодорожных вагонов целесообразнее применять оси, вращающиеся в подшипниках скольжения (буксах) или подшипниках качения. Расчет осей на статическую прочность Как указывалось выше, оси не испытывают кручения, поэтому их рас­считывают только на изгиб. Рис. 8. Расчетная схема оси: а — конструкция; б — расчетная схема; в — эпюра изгибающих моментов Последовательность проектировочного расчета. По конструкции узла (рис.8, а) составляют расчетную схему (рис.8, б), определяют силы, действующие на ось, строят эпюры изгибающих моментов; диаметр оси определяют по формуле (5) где Ми — максимальный изгибающий момент; — допускаемое напря­жение изгиба. Выбор . Во вращающихся осях напряжение изгиба изменяется по симметрично­му циклу: для них принимают , в неподвижных . Для вращающихся осей из Ст5 = 50 ÷ 80 МПа, для невра- щающихся = 100 ÷ 160 МПа (меньшие значения рекомендуется прини­мать при наличии концентраторов напряжений). Полученное значение диаметра оси d округляют до ближайшего большего стандартного размера: 16, 17, 18, 19; 20; 21; 22; 23; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 52; 55; 60; 63; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 95; 100. Если ось в расчетном сечении имеет шпоночную канавку, то ее диа­метр увеличивают на 10 %. Проверочный расчет осей на статическую прочность. Этот расчет производят по формуле (6) где — расчетное напряжение изгиба в опасном сечении оси. Пример 1. Определить диаметр оси подвески крюка, грузоподъемная сила которого, F=10·103 Н (рис.9, а) Рис.9 Решение. Расчетная схема (рис.10, б) составлена в соответствии с конструкцией подвески (ось рассматривается как балка с шарнирными опорами, нагруженная сосредоточенными силами). Опорные реакции. При симметричном расположении блоков Эпюра изгибающих моментов М: в сечении А М = 0; в сечении Б М = в сечении В М = в сечении Г М = 0. Для удобства изготовления и сборки принимаем ось гладкой и неподвижной. Учитывая ответственность оси в крюковой подвеске, выбираем материал сталь Ст.5 с Требуемый диаметр оси определяем из условия прочности на изгиб: откуда По стандарту принимаем d=28 мм. Расчет валов на жесткость. Для нормальной работы передач и подшипников оси и валы должны быть достаточно жесткими. Жесткость на изгиб валов и осей обеспечивает равномерное распределение давления по длине контактных линий зубьев зубчатых и червячных колес, роликов равномерное распределение давления по длине контактных поверхностей подшипников скольжения. Параметры, характеризующие степень жесткости на изгиб осей и валов следующие: - угол наклона поперечного сечения вала и оси, рад; - наибольший прогиб оси или вала, мм. Для обеспечения жесткости на изгиб оси или вала необходимо, чтобы действительные значения Q и Y не превышали допускаемых значений: , Расчет валов на жесткость производят только после расчетов их на прочность. Для большинства валов жесткость на кручение не имеет существенного значения и такой расчет не производят. В тех случаях, когда деформация кручения валов должна быть ограничена определенными пределами, определяют жесткость на кручение по формуле: где φ - действительный угол закручивания для единицы длины вала, рад; - допускаемый угол наклона, рад; М - крутящий момент вала, Н·мм;   G - модуль сдвига материала, H·mm2 - полярный момент инерции площади сечения вала Y0=0,1d4, для вала круглого сечения. Допускаемые углы наклона: в станкостроении для длинных ходовых валиков тяжелых станков на 1 м длины; [φ]≤5-1 для карданных валов автомобилей [φ] достигает нескольких градусов на 1 м длины; 3)для трансмиссионных валов механического передвижения мостовых кранов [φ]≤1,5…2 на 1м длины вала. Рекомендации по конструированию валов и осей 1. Валы и оси следует конструировать по возможности гладкими с минимальным числом уступов. В этом случае существенно сокращается расход металла на изготовление вала, что особенно важно в условиях крупносерийного производства. В индивидуальном и мелкосерийном производстве применяют валы с бортами для упора колес. 2. Каждая насаживаемая на вал или ось деталь должна проходить до своей посадочной поверхности свободно во избежание повреждения других поверхностей. Рекомендуют принимать такую разность диаметров ступеней вала, чтобы при сборке можно было насадить деталь, не вынимая шпонку, установленную в пазу ступени меньшего диаметра. 3. Торцы валов и осей и их уступы выполняют с фасками для удобства установки деталей и соблюдения норм охраны труда. 4. В тяжелонагруженных валах или осях для снижения концентрации напряжений в местах посадочных поверхностей рекомендуют перепады ступеней выполнять минимальными с применением галтелей переменного радиуса. 5. При посадках с натягом трудно совместить шпоночный паз в ступице со шпонкой вала. Для облегчения сборки на посадочной поверхности вала предусматривают небольшой направляющий цилиндрический участок с полем допуска d9. 6. Для уменьшения номенклатуры резцов и фрез радиусы галтелей, углы фасок, ширину пазов на одном валу или оси рекомендуют выполнять одинаковыми. Если на валу несколько шпоночных пазов, то их располагают на одной образующей. 7. Для увеличения изгибной жесткости валов и осей рекомендуют детали на них располагать возможно ближе к опорам. 8. При разработке конструкции вала или оси надо иметь в виду, что резкие изменения их сечений (резьбы под установочные гайки, шпоночные пазы, канавки, поперечные сквозные отверстия под штифты и отверстия под установочные винты и др.) вызывают концентрацию напряжений, уменьшая сопротивление усталости. Лекция 4 Подшипники качения и скольжения Вопрос 1. Подшипники качения. Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, нем. zappen, голл. shiffen – вал). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются. Подшипники служат опорами для валов и вращающихся осей, воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус машины. При этом вал должен фиксироваться в определенном положении и легко вращаться вокруг заданной оси. Во избежание снижения КПД машины потери в подшипниках должны быть минимальными. По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы: - подшипники скольжения (трение скольжения); - подшипники качения (трение качения). Подшипники качения служат опорами для валов, осей и других вращающихся деталей. Они воспринимают радиальные и осевые усилия, приложенные к валу, и по виду трения относятся к опорам трения качения. Подшипники качения (рис.1) состоят из наружного 1 и внутреннего 3 колец с дорожками качения, шариков или роликов 2 (тел качения), которые катятся по дорожкам качения колец – сепаратора 4, разделяющего и направляющего шарики или ролики. Это обеспечивает их правильную работу. Рис.1 Материал: шарики, ролики, кольца подшипников качения изготовляют из сталей. Сепараторы подшипников качения выполняют из мягкой углеродистой стали, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов, пластмасс (текстолит). Классификация подшипников качения осуществляется по следующим признакам: - по направлению воспринимаемой нагрузки — радиальные, в основном для радиальных нагрузок; радиально-упорные для совместных радиальных и осевых нагрузок; упорные для осевых нагрузок, упорно-радиальные для осевой и радиальной нагрузок; - по форме тел качения - шариковые, роликовые (с цилиндрическими, коническими, бочкообразными, игольчатыми и витыми роликами); - по числу рядов тел качения - однорядные, двухрядные четырехрядные; - по способу самоустановки - несамоустанавливающиеся, самоустанавливающиеся (сферические). В зависимости от нагрузочной способности и габаритов при одном и том же диаметре расточки внутреннего кольца подшипники по ГОСТу делятся на серии: по радиальным размерам - сверхлегкие, особо легкие, легкие средние, тяжелые; по ширине — узкие, нормальные, широкие, особо широкие. Кратко рассмотрим наиболее распространенные стандартные подшипники качения. Радиальные однорядные шарикоподшипники (рис.1, а) способны воспринимать радиальную и осевую нагрузки. Получили наибольшее распространение в машиностроении. Выдерживают большие угловые скорости вала (особенно с сепараторами из цветных металлов) и допускают перекос колец до 10'. Самые дешевые из подшипников качения. Радиальные роликоподшипники с короткими (рис.1, в) и длинными (не стандартизованы), цилиндрическими роликами воспринимают только радиальную нагрузку (если имеются борты на кольцах, то могут воспринимать незначительную осевую нагрузку). Нагрузочная способность подшипников значительно больше, чем шариковых, однако они не допускают перекоса колец, так как ролики начинают работать кромками и подшипники быстро выходят из строя. Роликовые подшипники с витыми роликами (рис.2) воспринимают радиальную нагрузку при невысоких угловых скоростях. Применяют при ударных нагрузках (удары смягчаются податливостью витых роликов). Не требуют высокой точности монтажа и специальной защиты от загрязнений. Игольчатые подшипники (рис.3) имеют ролики относительно большей длины и малого диаметра. Могут работать при значительных радиальных нагрузках, выдерживают ударные нагрузки при невысоких угловых скоростях. Не допускают осевой нагрузки и перекоса колец. СТСЭВ 1474 - 78 регламентируют размеры игольчатых подшипников без колец. Рис. 2 Рис. 3 Радиально-упорные шарикоподшипники (рис.4) применяют в подшипниковых узлах, воспринимающих одновременно радиальные и осевые нагрузки. Радиальная грузоподъемность этих подшипников на 30...40% больше, чем у радиальных однорядных шарикоподшипников. Применяются при средних и высоких угловых скоростях и неударных нагрузках. СТСЭВ 1476 - 78 регламентирует основные размеры радиально-упорных роликовых сферических одинарных подшипников. Шариковый радиально-упорный подшипник может воспринимать осевую нагрузку только в одном направлении. Рис. 4 Конические роликовые подшипники (рис.5) также предназначены для восприятия радиальной и осевой нагрузок. По сравнению с радиально-упорными шариковыми подшипниками обладают большой грузоподъемностью, возможностью раздельного монтажа внутреннего (вместе с роликами и сепараторами) и наружного колец, а также способностью воспринимать небольшие ударные нагрузки. Недостатком этих подшипников является большая чувствительность к несоосности и относительному перекосу колец. Рис. 5 Рис. 6 Шариковые (рис. 1,б) и роликовые (рис. 6) двухрядные сферические самоустанавливающиеся подшипники обладают повышенной грузоподъемностью по сравнению с однорядными. Допускают перекос колец до 2° и потому могут применяться для валов пониженной жесткости, а также в тех случаях, когда соосность посадочных мест не гарантирована. Упорные шарико- и роликоподшипники (рис. 7) предназначены для восприятия только осевой нагрузки. Устанавливаются в паре с радиальными шарико- или роликоподшипниками, центрирующими ось вала и ограничивающими свободу его перемещения в радиальном направлении. Изображенный на рис. 8 двойной упорный шарикоподшипник предназначен для восприятия двусторонней осевой нагрузки. Рис. 7 Рис. 8 Подшипники качения имеют ряд преимуществ перед подшипниками скольжения: 1. Значительно меньшие потери на трение, а следовательно более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев. 2. Момент трения при пусках в 10...20 раз меньше, чем в подшипниках скольжения. 3. Экономия дефицитных материалов (баббита бронзы). 4. Меньшие габаритные размеры в осевом направлении. 5. Простота обслуживания и замены. 6. Меньший расход масла. 7. Малая стоимость вследствие массовости изготовления стандартных подшипников и относительно малые эксплуатационные расходы, а также их взаимозаменяемость, что упрощает ремонт машин и оборудования. Недостатки: 1. Ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких угловых скоростях цапф (специальные закрытые подшипники качения могут работать сотни часов). 2. Непригодны для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания. 3. Большие, чем у подшипников скольжения, габаритные размеры в радиальном направлении. 4. Неразъемность конструкции, что не позволяет применять подшипники качения в некоторых сборочных единицах (например, для шеек коленчатых валов). Вопрос 2. Подшипники скольжения. Подшипником скольжения называют опору для поддержания вала (или вращающейся оси). В таком подшипнике цапфа вращающегося вала (или оси) проскальзывает по опоре. Подшипники скольжения делятся на три основных типа: Неразъемные (глухие) подшипники в простейших конструкциях отливают как одно целое со станиной тихоходной машины, работающей с большими перерывами. Иногда их делают съемными (рис.9, а, б), прикрепляемыми болтами к станине машины. Неразъемные подшипники (рис. 10) делятся по ГОСТу на узкие (а), широкие (б), фланцевые (в, г) и гнездовые (д). Рис. 9 Рис. 10 Разъемные подшипники (рис.11) состоят из корпуса 1, двух вкладышей 4 (втулка из антифрикционного материала, разрезанная по образующей), крышки 2 и стяжных болтов 3. Износ рабочей поверхности вкладыша компенсируется поджатием крышки к верхней половине вкладыша. Масло для смазки подшипников скольжения поступает на трущиеся поверхности через отверстие в крышке из смазочного резервуара - масленки или из масляной ванны с помощью вращающегося кольца (рис.12). Кольцевая смазка может применяться только при сравнительно больших окружных скоростях цапфы. Рис. 11 Рис. 12 Подшипники с самоустанавливающимися вкладышами (рис. 13) применяют при больших отношениях длины цапфы (шипа или шейки) к ее диаметру При таких значениях обычный вкладыш не может следовать за отклонениями оси цапфы, вызванными деформацией вала, а это приводит к возникновению больших кромочных давлений между цапфой и вкладышем, нарушающих нормальную работу подшипника. Самоустанавливающийся вкладыш 1 подшипника (рис. 13) имеет выпуклую сферическую поверхность, опирающуюся на вогнутую сферическую поверхность кольца 2, запрессованного в гнездо корпуса подшипника. Это и позволяет вкладышу следовать за отклонениями оси деформируемого вала. Смазка подается через отверстие корпуса в канавку 3 вкладыша. Рис. 13 Опоры скольжения дли осевых нагрузок — подпятники - обычно объединяются в одном общем корпусе с подшипником, воспринимающим радиальные нагрузки вала и уравновешивающим их. Опорная часть подпятника (рис. 14) представляет собой кольцо 4 из чугуна, бронзы или другого антифрикционного материала с прорезанными по торцу смазочными канавками. Рис. 14 Это кольцо опирается на корпус 1. В изображенной на рис. 6 конструкции радиальная нагрузка опоры воспринимается втулкой 3, вставленной во вкладыш 2, прикрепленный винтами к корпусу. Во избежание проворачивания упорного кольца оно закреплено штифтом 5. Достоинства подшипников скольжения: 1. Высокая работоспособность при больших скоростях и ударных нагрузках. 2. Бесшумность и обеспечение виброустойчивости вала при работе подшипника в режиме жидкостного трения (масляный слой между поверхностями цапфы и вкладыша обладает способностью гасить колебания). 3. Небольшие размеры в радиальном направлении. 4. Достаточно высекая работоспособность в особых условиях (химически агрессивных средах, при бедной или загрязненной смазке) и т. д. Недостатки: 1. Большие потери на трение (не относится к подшипникам, работающим в режиме жидкостного трения, КПД которых > 0,99). 2. Значительные размеры в осевом направлении. 3. Необходимость применения дорогостоящих цветных сплавов (бронза, баббит) для вкладышей. 4. Сравнительная сложность конструкции и большой расход смазки. 5. Не обеспечена взаимозаменяемость подшипников при ремонте, так как большинство типов подшипников не стандартизовано. Материалы вкладышей подшипников скольжения должны иметь: → достаточную износостойкость и сопротивляемость заеданию при несовершенной смазке → сопротивляемость хрупкому разрушению при ударных нагрузках и сопротивлении усталости → низкий коэффициент трения и низкий коэффициент линейного расширения → высокую теплопроводность Изнашиваться должны вкладыши, а не цапфы вала!!! Вкладыши бывают: - металлические (бронзы, баббиты антифрикционной группы, цинковые сплавы) - металлокерамические (спеченные порошки меди или железа с добавлением графита, дисульфида, молибдена, олова или свинца) - неметаллические (специальные марки пластмасс, древеснослоистые материалы, резина и др) Подшипники скольжения работают только при наличии смазочного материала в зазоре между цапфой вала и вкладышем. СМАЗЫВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ Под действием радиальной силы Fr вал смещается относительно оси вкладыша на величину радиального зазора (цапфа лежит на вкладыше) При вращении вал вовлекает смазку в клиновой зазор между цапфой и вкладышем. В результате возникновения несущий масляный слой с большой гидродинамической подъемной силой, под действием которой вал всплывает. Смазку подводят в подшипник по ходу вращения цапфы вала в зону максимального зазора, где отсутствует гидродинамическое давление. Это достигается за счет наличия на вкладыше смазочных канавок, которые располагают в ненагруженной зоне. ПОДВОД СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА Жидкие смазочные материалы (масла) попадают в подшипники: - самотеком (разбрызгиванием) - с помощью смазочных устройств (масленок) - под давлением (насосами) масленка шариковая масленка фитильная масленка капельная масляный насос Консистентные (пластичные) смазки закладывают в полости подшипников при сборке или подают при помощи смазочных устройств под давлением. масленка колпачковая Смазку подают под давлением через шприц. пресс-масленка Смазку подают периодически, подвинчивая колпачок, заполненной смазкой КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ Критерием работоспособности опор скольжения является износостойкость. Работоспособность подшипников скольжения оценивают условным расчетом по среднему давлению р на рабочих поверхностях и удельной работе рυ сил трения. р = Fr/dl ≤ [ p] pυ ≤ [ pυ] Fr – радиальная сила, действующая на подшипник d и l – диаметр и длина шипа (шейки) вала υ – окружная скорость поверхности цапфы Сравнительная характеристика подшипников качения и скольжения При проектировании узла вал—подшипник перед конструктором стоит задача выбора типа опоры скольжения или качения. При возможности обеспечения жидкостного режима смазывания в узле можно рекомендовать опоры с подшипниками скольжения, имеющими следующие преимущества по сравнению с подшипниками качения: простота конструкции и компоновки; незначительные габаритные размеры; способность выдерживать большие радиальные и ударные нагрузки; возможность ремонта и низкая стоимость подшипника скольжения, особенно при больших диаметрах. Увеличение угловой скорости вала, имеющего подшипники качения, резко снижает их долговечность. Вследствие малой площади поверхности рабочих элементов подшипников качения эти опоры называются более жесткими, что является одной из причин шума, а иногда и вибрации узла, осо­бенно при больших угловых скоростях. Кольца подшипников качения — цельные (неразъемные). Это делает их непригодными в некоторых случаях, например, для установки на коленчатые валы. По сравнению с подшипниками качения подшипники скольжения требуют повышенного расхода смазочного материала, который должен поступать непрерывно, так как иначе происходит быстрый нагрев и заклинивание подшипникового узла. Подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения требуют, как правило, меньшего расхода энергии, удобнее в эксплуатации, не требуют постоянного ухода (смазывание их производится периодически), имеют незначительный рабочий радиальный зазор, значительно меньший расход цветных материалов; более высокая точность и меньшая стоимость вследствие стандартизации и централизованного массового производства. Вследствие незначительной ширины колец подшипников качения достигается компактность узла, что важно при стесненных габаритных размерах в осевом направле­нии. По этим и многим другим причинам подшипники качения имеют са­мое широкое применение в современном машиностроении, и в большин­стве случаев они вытеснили подшипники скольжения. Общие тенденции применения подшипников качения. Вопрос 3. Конструкции подшипниковых узлов. Работоспособность, надежность, долговечность подшипников качения зависят не только от материала, качества изготовления, но и от того, как они установлены. Неправильно установленные подшипники качения быстро выбывают из строя. Подшипники качения должны точно фиксировать положение вала и не испытывать дополнительных нагрузок от деформации вала: а) длинные валы могут иметь значительные температурные деформации и поэтому укрепление их в корпусе осуществляется одной неподвижной опорой, другие опоры этих валов выполняют плавающими, т.е.допускают осевое перемещение вала (рис. 15); б) короткие валы при отсутствии значительного нагрева можно крепить посредством двух опор, с тем чтобы одна из них удерживала вал в одном, а другая в другом осевом направлении; в) для предупреждения защемления тел качения в радиальном подшипнике предусматривают зазор 0,2.. .0,3 мм между крышкой подшипника и наружным кольцом. Оба кольца подшипников, фиксирующих валы от осевого перемещения, а так же вращающиеся кольцо подшипников для предотвращения их поворота посадочным поверхностям при динамических нагрузках соответственно закрепляют на валах и в корпусах. Это закрепление осуществляют посредством посадок колец на валы и в корпусах с натягом, а так же с помощью других различных средств закрепления. Посадки внутренних колец подшипников качения на вал осуществляют по системе отверстия, а посадки наружных колец в корпусах по системе вала. Рис. 15 Расчетная схема определения сил, действующих на подшипники качения: 1-для радиальных и радиально -упорных шарикоподшипников; 2 и 3 - при отсутствии осевой силы. Внутренние кольца подшипников дополнительно закрепляют на валу: уступом вала, распорной трубкой и пружинным стопорным кольцом, закладываемым в кольцевую канавку вала, торцевой шайбой, в которой внутренний зуб входит в паз на валу, а один из пружинных зубьев отгибается на шлиц гайки и другими средствами. Закрепление внутренних колец подшипников качения на валах постоянного d (например, трансмиссионные валы осуществляют с помощью конической разрезной закрепительной втулки и упорной гайки со стопорной шайбой (в СХМ и комбайнах). Наружные кольца подшипников качения закрепляют во вращающемся корпусе посредством соответствующей посадки и дополнительно следующими средствами; для предупреждения перемещения в осевом направлении - уступом, заплечиком, буртиком, в корпусе, стакане или крышке подшипниками. Монтаж и демонтаж подшипников качения: нагрев в масляной ванне до Охлаждение сухим льдом. Необходимо, чтобы усилие передавалось на то кольцо, которое напрессовывается. Смазка подшипников. Смазка подшипников качения влияет на их долговечность, уменьшает трение между телами качения, предохраняет их от коррозии, способствует охлаждено подшипников. Для смазки подшипников качения применяют консистентные смазки и жидкие минеральные масла. 1. Консистентные смазки применяют при . 2. Жидкие минеральные масла применяют при . Жидкое масло подается к подшипнику качения в виде масляной ванны, или разбрызгиванием масляным туманом или капельной смазкой. Уровень масла во избежании повышенных потерь должен быть не выше центра нижнего шарика или ролика. При смазке разбрызгиванием применяют диски, крыльчатки, специальные шестерни или быстровращаюшимися колесами. В настоящее время начинают применять подшипники с одноразовой смазкой. Такие подшипники имеют встроенное уплотнение, т.е. имеют защитные шайбы (их выпускают уже заправленные смазкой). Лекция 5.1 Соединения деталей Вопрос 1. Неразъемные соединения Детали объединяются в машину посредством соединений. Соединения состоят из соединительных деталей и прилегающих частей соединяемых деталей, форма которых подчинена задаче соединения. В отдельных конструкциях специальные соединительные детали могут отсутствовать. Все соединения делятся на: Неразъёмные, разборка которых возможна лишь при разрушении соединяющих или соединяемых деталей; Разъёмные, позволяющие разборку без разрушения. Выбор типа соединения определяет конструктор. Детали могут соединяться между собой подвижно и неподвижно. Подвижные соединения – это различные виды шарниров. К неподвижным соединениям относятся разъемные – шпоночные, шлицевые, резьбовые, профильные и неразъемные – заклепочные, сварные, клеевые и паяные и другие. Неподвижность шпоночного и шлицевого соединений относительна. В направлении оси вала при необходимости возможна свобода перемещения соединяемой детали (шестерни, полумуфты и т.д.). Выбор вида соединения конкретной конструкции определяется ее назначением и устройством, экономическими и другими параметрами. Рассмотрим некоторые из приведенных видов соединений. Сварные соединения Не имеют соединяющих деталей. Выполняются за счёт местного нагрева и диффузии (перемешивания частиц) соединяемых деталей. Создают, практически, одну целую, монолитную деталь. Весьма прочны, т.к. используют одну из самых могучих сил природы - силы межмолекулярного сцепления. Сварку (дуговую электросварку) изобрел в 1882 году российский инженер Н.И. Бенардос. С тех пор технология процесса значительно усовершенствована. Прочность сварного шва теперь практически не отличается от монолита, освоена сварка всех конструкционных материалов, включая алюминий и неметаллы. Сварка — это технологический процесс получения неразъемного соединения металлических или неметаллических деталей с применением нагрева (до пластического или расплавленного состояния), выполненного таким образом, чтобы место соединения по механическим свойствам и своему составу по возможности не отличалось от основного материала детали. Рис. 1. Получение сварного шва газовой сваркой Сварным соединением называют неразъемное соединение деталей с помощью сварных швов. По взаимному расположению свариваемых элементов различают следующие виды соединений (рис.2): - стыковые; - нахлесточные лобовые и фланговые (рис.3); - с накладками (рис.4); - тавровые. Свариваемые элементы располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Соединение может быть выполнено угловыми или стыковыми швами. - угловые. Применяются для изготовления тары из листовой стали, ограждений и др. Выполняются угловыми швами. Эти соединения передают малые нагрузки и поэтому не рассчитываются на прочность. а) Стыковые соединения б) Нахлёсточные соединения в) Тавровые соединения г) Угловые соединения Рис. 2 Виды сварных соединений Рис. 3. Нахлесточное соединение: а — соединение лобовыми швами; б — соединение фланговыми швами Рис. 4. Соединения с накладками Достоинства и недостатки сварных соединений по сравнению с заклепочными (или литыми деталями). Достоинства: • простота конструкции сварного шва и меньшая трудоемкость в изготовлении, обусловленной сравнительной простотой технологического процесса сварки. • значительное снижение массы конструкции при тех же габаритах. При замене заклепочных соединении сварными экономия в весе получается за счет отказа от применения различных накладок, необходимых в заклепочных соединениях, а также части веса самих заклепок; при замене литых деталей сварными конструкциями вес их уменьшается за счет более высоких механических свойств прокатного металла. • возможность соединения деталей любых форм; • герметичность и плотность соединения; • бесшумность технологического процесса сварки; • возможность автоматизации сварочного процесса; • сварное соединение дешевле заклепочного. • соединение деталей может выполняться встык без накладок. • возможность сварки толстых профилей. Недостатки: • возникновение остаточных напряжений в свариваемых элементах; • коробление деталей из-за неравномерного нагрева в процессе сварки; • зависимость качества шва от исполнителя и трудность контроля; применение автоматической сварки устраняет этот недостаток. • склонность к образованию трещин в местах перехода от шва к цельному металлу вследствие термических напряжений, возникающих при остывании. Трещины особенно опасны при динамических нагрузках (вибрационных и ударных), поэтому в таких случаях сварные швы стараются не применять, заменяя их заклепочными соединениями. Термические напряжения могут быть частично или полностью устранены термообработкой сварного соединения (низкотемпературным отжигом). Термическая обработка исключает также последующее коробление сварных конструкций. Область применения. В настоящее время сварные соединения почти полностью вытеснили заклепочные соединения. Сварка применяется для соединения элементов сосудов, испытывающих давление (резервуары, котлы); для изготовления турбин, доменных печей, мостов, химической аппаратуры; с помощью сварки изготовляют станины, рамы и основания машин, корпуса редукторов, зубчатые колеса (рис.2), шкивы, звездочки, маховики, барабаны и т. д. Сварку широко применяют как способ получения заготовок деталей из проката в мелкосерийном и единичном производстве, а также в ремонтном деле. Общее условие проектирования сварных соединений – обеспечение равнопрочности шва и свариваемых деталей. Заклёпочные соединения Образуются с помощью специальных деталей – заклёпок. Заклёпка имеет грибообразную форму и выпускается с одной головкой (закладной) вставляется в совместно просверленные детали, а затем хвостовик ударами молотка или пресса расклёпывается, образуя вторую головку (замыкающую). При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Рис.5. Заклёпочные соединения: а — внахлёстку двухрядным швом; б — встык с одной накладкой; в — встык с двумя накладками однорядными швами. Заклёпки изготавливают из сравнительно мягких материалов: Ст2, Ст3, Ст10, Ст15, латунь, медь, алюминий. Заклёпки стандартизованы и выпускаются в разных модификациях: • Сплошные с полукруглой головкой (рис.6. а) ГОСТ 10299-80, 14797-85 для силовых и плотных швов; • Сплошные с плоской головкой (рис.6. б) ГОСТ 14801-85 для коррозионных сред; • Сплошные с потайной головкой (рис.6. в) ГОСТ 10300-80, 14798-85 для уменьшения аэро- и гидросопротивления (самолёты, катера); • Полупустотелые (рис.6. г, д, е) ГОСТ 12641-80, 12643-80 и пустотелые (рис.6. ж, з, и) ГОСТ 12638-80, 12640-80 для соединения тонких листов и неметаллических деталей без больших нагрузок. Рис. 6. Виды заклепок. Достоинства заклёпочного соединения: ◦ соединяют не свариваемые детали; ◦ не дают температурных деформаций; ◦ детали при разборке не разрушаются. Недостатки заклёпочного соединения: • детали ослаблены отверстиями; • высокий шум и ударные нагрузки при изготовлении; • повышенный расход материала. На современном этапе развития технологии заклепочноесоединение уступает место сварке и склеиванию, обеспечивающим большую производительность и более высокую прочность соединения. Однако, по-прежнему находит применение в следующих случаях: в соединениях, где необходимо исключить изменение структуры металла, коробление конструкции и перегрев расположенных рядом деталей; соединение разнородных, трудно свариваемых и не свариваемых материалов; в соединениях с затруднительным доступом и контролем качества; в случаях, когда необходимо предотвратить распространение усталостной трещины из детали в деталь. Большинство соединений в самолётах по-прежнему выполняется клёпкой. Паяные соединения Паяные соединения — неразъемные соединения, образуемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и присадочным материалом, называемым припоем. Пайка — процесс соединения материалов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении затекают в зазор, смачивают паяемые поверхности и при кристаллизации образуют паяный шов. Припой-сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемые деталями. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей. По конструкции паяные соединения подобны сварным (рис. 7, а - в), преимущественное применение имеют соединения внахлестку. Стыковое соединение и соединение в тавр применяют при малых нагрузках. Рис. 7. Виды паяных соединений: а – стыковое; б – внахлестку; г-е – косым срезом; г – муфтовое; д – торцевое; е – донное. Никакой другой процесс, кроме пайки, не вмещает в себя такой широкий круг физико-химических явлений, протекающих в твердой, жидкой и газовой фазе: восстановление и диссоциация, испарение и возгонка, смачивание и капиллярное течение, диффузия и растворение, пластифицирование и адсорбционное понижение прочности и т. д. В отличие от сварки пайка позволяет соединят не только однородные, но и разнородные материалы: черные и цветные металлы, сплавы, керамику, стекло и др. При пайке поверхности деталей очищают от окислов и обезжиривают с целью получения хорошей смачиваемости поверхности припоем качественного заполнения им зазоров. Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, электронагревом, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхности деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргон). Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении затвердевает, прочно соединении детали. Размер зазора в стыке определяет прочность соединения. При малом зазоре лучше проявляется эффект капиллярного течения припоя, процесс растворения материалов деталей в расплавленном припое распространяется на всю толщину паяного шва (прочность образующегося раствора на 30…60% выше прочности припоя). Размер зазора принимают 0,03…0,2 мм в зависимости припоя (легкоплавкий или тугоплавкий) и материала деталей. Припой с температурой плавления до 400 °С называют легкоплавкими. Наиболее широкое применение имеют оловянные-свинцовые, оловянно-свинцовые сурьмянистые припои (ПОС90, ПОС61). Эти припои не следует применять для соединений, работающих при температуре свыше 100 °С или подверженных действию ударных нагрузок. Припои с температурой плавления свыше 400 0С называют тугоплавкими (серебряные или на медной основе). Припой на медной основе (ВПр1, ВПр2) отличаются повешенной хрупкостью, их применяют для соединения деталей, нагруженных статической нагрузкой. Серебряные припои (ПСр40, ПСр45) применяют для ответственных соединений. Они устойчивы против коррозии и пригодны для соединения деталей, воспринимающих ударную и вибрационную нагрузки. Достоинством паяных соединении является возможность соединения разнородных материалов, стойкость против коррозии, возможность соединения тонкостенных деталей, герметичность, малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя. Пайка позволяет получать соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах конструкции. Недостатком пайки по сравнению со сваркой является сравнительно невысокая прочность, необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки, а также предварительной обработки поверхностей перед пайкой. Применение паяных соединений в машиностроении расширяется в связи с внедрением пластмасс, керамики и высокопрочных сталей, которые плохо свариваются. Пайкой соединяют листы, стержни, трубы и др. Ее широко применяют в автомобилестроении (радиаторы и др.) и самолетостроении (обшивка с сотовым промежуточным заполнением). Пайка является одни из основных видов соединений в радиоэлектронике и приборостроении. Клеевые соединения В настоящее время все шире применяют неразъемные соединения металлов и неметаллических материалов, получаемые склеиванием. Это соединения деталей неметаллическим веществом посредством поверхностного схватывания и межмолекулярной связи в клеящем слое. Клеевые соединения позволили расширить диапазон применения в конструкциях машин сочетаний различных неоднородных материалов — стали, чугуна, алюминия, меди, латуни, стекла, пластмасс, резины, кожи и т. д. Наибольшее применение получили клеевые соединения внахлестку, реже — встык. Склеивание деталей возможно с помощью универсальных клеев. В настоящее время имеется более 100 различных марок клеев с различными физико-химическими свойствами. Применение современных клеев позволяет довести прочность клеевых соединений до 80% по отношению к прочности склеиваемых материалов. Достоинства клеевых соединений: • Коррозионная и бензомаслостойкость. • Уменьшение массы конструкции по сравнению с другими видами неразъёмных соединений. • Невысокая концентрация напряжений в месте соединения. • Возможность соединения практически любых встречающихся в промышленности конструкционных материалов. • Возможность соединения деталей практически любой толщины при любой форме сопрягающихся поверхностей. • Герметичность и достаточная надёжность соединения. • Высокая усталостная прочность, превосходящая в ряде случаев прочность паянных и сварных соединений. • Отсутствие коробления соединяемых деталей. • Значительно меньшие, чем при сварке и клёпке, трудовые затраты на единицу продукции. • Прочность и плотность соединения обеспечивается хорошей зачисткой склеиваемых поверхностей и сдавливанием их при температурах от 15 до 100 °С с последующей выдержкой от нескольких минут до нескольких часов. Недостатки клеевых соединений: • «Старение», т.е. снижение прочности соединения с течением времени (некоторые клеи обладают высокой устойчивостью против «старения»). • Низкая теплостойкость – прочность соединения нарушается при сравнительно невысоких температурах 60…100 °С. (В последнее время созданы некоторые марки клеев на основе элементоорганических и неорганических полимеров, удовлетворительно работающих при t≤1000 °C. Однако большинство из них не обладает достаточной эластичностью). Область применения. Клеевые соединения широко применяют в самолетостроении, при изготовлении режущего инструмента, электро- и радиооборудования, в оптической и деревообрабатывающей промышленности, строительстве, мостостроении. В настоящее время созданы некоторые марки клеев на основе полимеров, удовлетворительно работающих при температуре до 1000°. Клеевыми соединениями создают новые конструкции (сотовые, слоистые), отдельные зубчатые колеса соединяют в общий блок, повышают прочность сопряжения зубчатых венцов со ступицами, ступиц с валами, закрепляют в корпусе неподвижное центральное зубчатое колесо планетарной передачи, наружное кольцо подшипника качения, стопорят резьбовые соединения, крепят пластинки режущего инструмента и др. Вопрос 2. Разъемные соединения. Резьбовые соединения Являются наиболее совершенным, а потому массовым видом разъёмных соединений. Применяются в огромном количестве во всех машинах, механизмах, агрегатах и узлах. Основные детали соединения имеют наружную либо внутреннюю винтовую нарезку (резьбу) и снабжены огранёнными поверхностями для захвата гаечным ключом. Болт – длинный цилиндр с головкой и наружной резьбой. Проходит сквозь соединяемые детали и затягивается гайкой – деталью с резьбовым отверстием. Винт – внешне не отличается от болта, но завинчивается в резьбу одной из соединяемых деталей. Шпилька – винт без головки с резьбой на обоих концах. Рис. 8. Резьбовые соединения Резьбовые соединения различают по назначению на: • резьбы крепёжные (рис. 10) для фиксации деталей (основная – метрическая с треугольным профилем, трубная – треугольная со скруглёнными вершинами и впадинами, круглая, резьба винтов для дерева) должны обладать самоторможением для надёжной фиксации; • резьбы ходовые (рис. 9) для винтовых механизмов (прямоугольная, трапецеидальна симметричная, трапецеидальная несимметричная упорная) должны обладать малым трением для снижения потерь. а) б) в) Рис. 9 Резьбы ходовые: а – прямоугольная, б – трапецеидальная, в – упорная. а)б) в) г) Рис. 10. Резьбы крепежные: а – метрическая, б – трубная цилиндрическая, в – круглая, г – винты для дерева. Конструкции винтов и гаек весьма многообразны. Для малонагруженных и декоративных конструкций применяются винты и болты с коническими и сферическими головками (как у заклёпок), снабжёнными линейными или крестообразными углублениями для затяжки отвёрткой. Для соединения деревянных и пластмассовых деталей применяют шурупы и саморезы – винты со специальным заострённым хвостовиком. Рис. 11. Исполнения винтов Болты и гайки стандартизованы. В их обозначении указан наружный диаметр резьбы. Резьбовые соединения имеют ряд существенных достоинств: • высокая надёжность; • удобство сборки-разборки; • простота конструкции; • дешевизна (вследствие стандартизации); • технологичность; • возможность регулировки силы сжатия. Недостатки резьбовых соединений: • концентрация напряжений во впадинах резьбы; • низкая вибрационная стойкость (самоотвинчивание при вибрации). Это серьёзные недостатки, однако, их можно свести к минимуму и, практически, полностью исключить. Это делается посредством правильного проектировочного расчёта и специальных мер стопорения, называемых на техническом языке "контровка". Известны следующие виды стопорения: 1. Стопорение дополнительным трением, за счёт создания дополнительных сил трения, сохраняющихся при снятии с винта внешней нагрузки. Контргайка воспринимает основную осевую нагрузку, а сила трения и затяжки в резьбе основной гайки ослабляется. Необходима взаимная затяжка гаек. Самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы после нарезания резьбы и пластического обжатия специальной шейки гайки на эллипс. Иногда самоконтрящиеся гайки выполняются с несколькими радиальными прорезями. Гайки с полиамидными кольцами без резьбы, которая нарезается винтом при завинчивании, обеспечивают большие силы трения. Применяют полиамидную пробку в винте. Контргайка цангового типа (слева) при навинчивании обжимается на конической поверхности. Контргайка арочного типа (справа) при навинчивании разгибается и расклинивает резьбу. Пружинные шайбы обеспечивают трение в резьбе. Повышают сцепление врезанием своих острых срезов. Изготавливаются для правой и левой резьбы. Создают некоторое смещение нагрузки. У пружинных шайб с несколькими отогнутыми усиками сила упругости направлена строго по оси болта. Стопорение пружинными шайбами ненадёжно. При спокойных нагрузках резьбы стопорят специальными винтами через медную или свинцовую прокладку или деформированием гайки с прорезями, перпендикулярными оси. 2. Стопорение специальными запирающими элементами, полностью исключающими самопроизвольный проворот гайки. Шплинты ГОСТ 397-79 сгибают из проволоки полукруглого сечения плоскими сторонами внутрь. Выпадению шплинта препятствуют его петля и разогнутые концы. Шайбы с лапками ГОСТ 11872-80 стопорят гайки со шлицами при регулировке подшипников качения на валу. Внутренний носик отгибается в канавку винта, а наружные лапки – в шлицы гайки. У шайб с лапками ГОСТ 3693/95-52 одна отгибается по грани гайки, а другая по грани детали. Стопорение такими шайбами, как и шплинтами, весьма надёжно и широко распространено. В групповых соединениях головки болтов обвязывают проволокой через отверстия с натяжением проволоки в сторону затяжки резьбы. 3. И, наконец, стопорение может выполняться также пластическим деформированием или приваркой после затяжки. Винты и гайки обычно выполняются из Ст3, Ст4, Ст5, Ст35, Ст45. Наиболее напряжённые соединения из Ст40, 40ХН. Декоративные винты и гайки выполняются из цветных металлов и пластмасс. Выбор материалов, как и всех параметров резьбовых соединений, определяется расчётом на прочность. Соединение деталей с натягом Соединение двух деталей по круговой цилиндрической поверхности можно осуществить непосредственно без применения болтов, шпонок и т. д. Для этого достаточно при изготовлении деталей обеспечить натяг посадки, а при сборке запрессовать одну деталь в другую (рис.12) Рис.12 Натягом N называют положительную разность диаметров вала и отверстия до сборки: После сборки соединения на сопрягаемых контактных поверхностях деталей вследствие упругих деформаций возникает давление р и соответствующее ему трение, обеспечивающее необходимую неподвижность сопрягаемых деталей соединения. Разность между размерами отверстия и вала и определяют характер соединения - так называемую посадку, то есть большую или меньшую свободу перемещения одной детали относительно другой или степени их неподвижности. Если размер отверстия больше размера вала, то положительная разность между этими размерами называется зазором (S). Если размер вала до сборки больше размера отверстий, то положительная разность между этими размерами называется натягом (N). Сборка двух деталей любого соединения с натягом может осуществляться: запрессовкой, нагреванием охватывающей детали (ступицы), охлаждением охватываемой детали (вала). Надежность и прочность соединения зависят от размера натяга, устанавливаемого конструктором в соответствии с характером и значением передаваемой нагрузки: давление р и соответствующие ему силы трения и моменты трения должны быть больше внешних сдвигающихся сил и моментов ( – среднее давление). Шпоночные соединения Передают вращающий момент между валом и колесом. Образуются посредством шпонки, установленной в сопряжённые пазы вала и колеса. Шпонки применяются для подвижного или неподвижного соединения деталей типа шкивов, маховиков, зубчатых колес и т. д. с валом или осью. В таких соединениях часть шпонки входит в паз вала, а часть в паз ступицы колеса (рис. 13). Формы и размеры шпонок определяются стандартами и зависят от диаметра вала и условий эксплуатации соединения деталей. Обычно шпонки представляют собой детали призматической, сегментной или клиновидной формы (рис. 13). Наибольшее распространение имеют призматические шпонки. Передача вращения от вала колес (или наоборот) производится рабочими боковыми гранями шпонки. При этом между пазом ступицы колеса и верхней гранью шпонки должен быть небольшой зазор (рис. 13, а). Сегментные шпонки (рис. 13, б) применяются для соединения с валом деталей, имеющих сравнительно короткие ступицы. Рабочими поверхностями у сегментных шпонок, как и у призматических, являются боковые грани. Клиновые шпонки применяются для образования неподвижного соединения вала с колесом (рис. 13, в). При этом рабочими поверхностями являются верхняя и нижняя грани клиновой шпонки. Рис. 13. Шпоночные соединения Достоинства: • просты, надёжны; • удобны в сборке-разборке; • дёшевы. Недостатки: • ослабляют сечение валов и ступиц колёс; • концентрируют напряжения в углах пазов; • нарушают центрирование колеса на валу (для этого приходится применять две противоположные шпонки). Шпоночные соединения могут быть: • ненапряжёнными, выполняемыми призматическими или сегментными шпонками (рис.16). Они передают момент только боковыми гранями; • напряжёнными, выполняемыми клиновыми шпонками. Они передают момент за счёт сил трения по верхним и нижним граням. Наибольшее распространение получили ненапряженные шпоночные соединения. В напряженных - клиновых шпоночных соединениях, осуществляется радиальный натяг за счет клинообразной формы шпонки, который воспринимает значительную часть окружного усилия. Однако эти шпоночные соединения создают смещение ступицы относительно оси вала, следствием чего является дисбаланс вращающихся деталей. Поэтому такие шпонки в настоящее время применяются сравнительно редко, а в точном машиностроении совершенно не используются. Призматические и сегментные шпонки стандартизованы и подбираются по таблицам ГОСТ в зависимости от диаметра вала. Длина шпонок рассчитывается. Материал шпонок - Ст. 45, Ст. 50, для призматических шпонок - чистотянутая по профилю. Как правило, применяют лишь одну шпонку вследствие трудности пригонки нескольких (не более двух). Шпонки всех основных типов стандартизованы. Для призматических шпонок стандарт указывает ширину и высоту сечения. Глубина шпоночного паза в валу принимается как 0,6 от высоты шпонки. Зубчатые (шлицевые) соединения Образуются выступами на валу, входящими в сопряжённые пазы ступицы колеса. Шлицевые соединения можно рассматривать как многошпоночные, в которых шпонки как бы изготовлены заодно с валом. В последние годы, в связи с общим повышением напряжений в деталях машин, шлицевые соединения получили самое широкое распространение взамен шпонок. В сравнении со шпоночными шлицевые соединения имеют большую нагрузочную способность, лучше центрируют соединение и меньше ослабляют вал. Рис. 14. Виды шлицов По профилю различают следующие шлицевые соединения (рис. 14): • прямобочные (а) - число шлиц Z = 6, 8, 10, 12; • звольвентные (б)- число шлиц Z = 12, 16 и более; • треугольные (в) - число шлиц Z = 24, 36 и более. В основном используются прямобочные шлицы (а), реже встречаются эвольвентные (б) ГОСТ 6033-57 и треугольные (в) профили шлицов. Прямобочные шлицы могут центрировать колесо по боковым поверхностям (а), по наружным поверхностям (б), по внутренним поверхностям (в). Шлицевые соединения применяются с центрированием ступицы по валу (рис. 15): а) по боковым граням; б) по наружному диаметру; в) по внутреннему диаметру. Рис. 15. Центрирование шлицов В сравнении со шпонками шлицы имею достоинства: • имеют большую несущую способность; • лучше центрируют колесо на валу; • усиливают сечение вала за счёт большего момента инерции ребристого сечения по сравнению с круглым; Недостаток: требуют специального оборудования для изготовления отверстий. Основными критериями работоспособности шлицов являются: • сопротивление боковых поверхностей смятию (расчёт аналогичен шпонкам); • сопротивление износу при фреттинг-коррозии (малые взаимные вибрационные перемещения). Штифтовые соединения Образуются совместным сверлением соединяемых деталей и установкой в отверстие с натягом специальных цилиндрических или конических штифтов (рис.16). Рис.16. Штифтовые соединения Соединения предназначены для точного взаимного фиксирования деталей, а также для передачи небольших нагрузок. Конструкции штифтов многообразны (рис.16). Известны цилиндрические (а,б), конические (в,г,д), цилиндрические пружинные разрезные (е), просечённые цилиндрические, конические и др. (ж,з,и,к), простые, забиваемые в отверстия (б,в), выбиваемые из сквозных отверстий с другой стороны (гладкие, с насечками и канавками, пружинные, вальцованные из ленты, снабжённые резьбой для закрепления или извлечения (д) и т.д. Применяются специальные срезаемые штифты, служащие предохранителями. Рис. 17. Конструкции штифтов Гладкие штифты выполняют из стали 45 и А12, штифты с канавками и пружинные – из пружинной стали. При закреплении колёс на валу штифты передают как вращающий момент, так и осевое усилие. Достоинства штифтовых соединений: • простота конструкции; • простота монтажа-демонтажа; • точное центрирование деталей благодаря посадке с натягом; • работа в роли предохранителя, особенно при креплении колёс к валу. Недостатком штифтовых соединений является ослабление соединяемых деталей отверстием. Клеммовые соединения • Клеммовые соединения применяют для закрепления на осях, валах, стойках, штангах различных устройств (рычагов, разъемных муфти шкивов и т. д.) за счет сил трения (без шпонок, шлицев или установочных винтов). Один из примеров клеммового соединения (закрепление рычага на валу) изображен на рис. 18. Рис. 18. Закрепление рычага на валу с применением клеммового соединения. По конструктивным признакам различают два основных типа клеммовых соединений: а) со ступицей, имеющей прорезь (рис. 18, а); б) с разъемной ступицей (рис.18, б). Разъемная ступица несколько увеличивает массу и стоимость соединения, но при этом становится возможным устанавливать клемму в любой части вала независимо от формы соседних участков и других расположенных на валу деталей. При соединении деталей с помощью клемм используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов. Эти силы трения позволяют нагружать соединение как моментом (T=Fl), так и осевой силой Fа. Ранее отмечалось, что передача нагрузки только силами трения недостаточно надежна. Поэтому не рекомендуют применять клеммовые соединения для передачи больших нагрузок. Преимущество клеммового соединения заключается в том, что можно закрепить деталь в любом месте оси, вала и т. д. Неподвижность клеммового соединения обеспечивается силами трения, возникающими на сопрягаемых поверхностях при затяжке болтов. Профильные соединения Под профильными (бесшпоночными) соединениями понимают такие соединения, у которых втулка сажается на круглую (фасонную) поверхность вала без шпонок и замещающих их зубьев. Профильные соединения применяют для передачи вращающего момента от вала к ступице. В профильных соединениях контакт вала и ступицы осуществляется по некруглой поверхности. Профильные соединения имеют в поперечном к оси соединения сечении плавный некруглый профиль поверхности контакта вала и ступицы; чаще применяют равноосные соединения треугольного профиля. Применяемый профиль обладает свойством равноосности — постоянством диаметрального размера. Профильные соединения в осевом направлении могут быть цилиндрическими или коническими. Рис.19. Профильное соединение Рекомендуемая литература Основная: 1. П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов Детали машин. Курсовое проектирование. - М: Машиностроение, 2013. - 560 с. 2. Чернилевский Д.В. «Детали машин и основы конструирования» : учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов "Агроинженерия" - Москва : Машиностроение, 2006. Дополнительная: 1. П.Ф.Дунаев, О.П.Леликов «Конструирование узлов и деталей машин», Москва: Издательский центр «Академия», 2003. Нормативные правовые акты: 1. Единая система конструкторской документации. 2. Единая система допусков и посадок.