Основы расчета и проектирования деталей и узлоа машин

Курс «Детали машин» рассматривает основы расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения, встречающихся в различных механизмах и машинах.

Механизмом называют систему твердых тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел (редуктор, коробка передач и др.).

Машиной называют механизм или устройство, выполняющее механические движения, служащие для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности.

В зависимости от основного назначения различают машины:

энергетические, преобразующие тот или иной вид энергии в механическую или наоборот (двигатели, генераторы, динамомашины, компрессоры и др.);

рабочие, в том числе:

технологические, изменяющие свойства, форму или размеры обрабатываемого предмета (станки, прессы и др.);

транспортные, перемещающие тела (автомобили, конвейеры, краны и др.);

информационные, преобразующие информацию (шифровальные машины, механические интеграторы, корреляторы и др.);

электронные вычислительные машины (ЭВМ, компьютеры), обрабатывающие информацию в соответствии с заданным алгоритмом. В ЭВМ основные функциональные элементы построены на электронных приборах, а механические движения служат для выполнения вспомогательных операций (вращение магнитного диска, протяжка бумаги, перемещение пишущего или печатающего устройства и др.). ЭВМ, строго говоря, не является машиной, название сохранилось за нею в порядке преемственности от простых счетных машин.

Все машины состоят из деталей, которые объединены в узлы (сборочные единицы).

Деталью называют часть машины, изготовленную без применения сборочных операций (болт, шпонка, вал и др.).

Узлом называют сборочную единицу, состоящую из деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, вал в сборе с подшипниками и зубчатыми колесами, коробка передач, муфта и др.). Узел является составной частью изделия (редуктора, привода, машины).

В машиностроении различают детали и узлы общего и специального назначения. Деталями и узлами общего назначения называют такие, которые встречаются во многих типах машин (болты, валы, подшипники, зубачатые колеса, муфты приводов и др.). Они составляют подавляющее большинство в конструкциях, многие из них являются стандартными (крепежные изделия, приводные ремни и цепи, подшипники качения и др.). Детали и узлы общего назначения изучают в курсе «Детали машин».

К деталям и узлам специального назначения относят такие, которые встречаются только в одном или нескольких типах машин (шпиндели станков, поршни, коленчатые валы и др.). Их изучают в специальных курсах («Металлорежущие станки», «Компрессоры» и др.).

Все детали и узлы общего назначения можно разделить на три основные группы:

соединительные детали и соединения, которые могут быть неразъемными (сварные, паяные и др.) и разъемными (резьбовые, шпоночные и др.);

передачи вращательного движения (зубчатые, червячные, ременные, цепные и др.);

детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.).

Целью курса является изучение основ расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения с учетом режима работы и требуемого ресурса машины. При этом рассматриваются вопросы выбора материала, способа термической обработки, получения рациональной формы деталей, их технологичности и необходимой точности изготовления.

Детали машин зачастую имеют сложную конфигурацию, работают при разных режимах нагружения в различных производственных условиях, и не всегда можно получить точную формулу для их расчета. При расчетах деталей машин часто применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые вводят поправочные коэффициенты, устанавливаемые опытным путем и подтверждаемые практикой конструирования и эксплуатации машин.

1.2. Современные направления в развитии машиностроения

Эффективное развитие всех отраслей экономики страны в решающей мере зависит от машиностроения. Именно в машиностроении в первую очередь материализируются передовые научно-технические идеи, создаются новые машины, определяющие прогресс в других отраслях экономики.

Для современного машиностроения характерно повышение требований к техническому уровню, качеству и надежности изделий, сокращение сроков морального старения средств техники. Это приводит к необходимости постоянного сокращения сроков проектирования при одновременном совершенствовании конструкций новых машин и технологии их изготовления, внедрения новых материалов, более точных методов расчета.

Показателем высокого уровня машиностроения является гибкое автоматизированное производство (ГАП) — производство изделий, основанное на комплексной автоматизации собственно технологического процесса и таких операций производственного процесса, как контроль качества, диагностика технологического оборудования, складирование и транспортировка, а также процедур и операций проектирования и технологической подготовки производства. В связи с этим технологический процесс реализуется в ГАП с помощью роботизированного технологического оборудования — гибких производственных модулей (робот—станок, робот—пресс, робот — сварочный центр). Управление модулями осуществляется с помощью сменяемых программ, при этом широко используются микропроцессоры (устройства для автоматической обработки информации и управления этим процессом). Проектирование объектов в ГАП выполняют с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР, см. ниже) и автоматизированных систем технологической подготовки производства.

Характерным является применение материало-, трудо- и энергосберегающей технологий, станков с программным управлением, гибких производственных систем, в которых технологическое оборудование и системы его обеспечения функционируют в автоматическом режиме и обладают свойством автоматизированной переналадки в пределах установленного класса изделий и диапазонов их характеристик.

Применение промышленных роботов позволяет повысить производительность оборудования, улучшить условия и безопасность труда рабочих, уменьшить влияние субъективного фактора и повысить качество за счет оптимизации и автоматизации технологических процессов.

Дальнейшее повышение технико-экономического уровня и качества машиностроительной продукции связано с тем, насколько успешно будут решены следующие задачи:

расширение областей применения автоматизированного проектирования;

повышение надежности и ресурса машин;

уменьшение материалоемкости конструкций;

уменьшение энергозатрат, повышение КПД механизмов.

В основе решения многих из этих задач лежит совершенствование расчетов и оптимизация конструкции, которые, в свою очередь, могут быть решены с применением современной вычислительной техники.

1.3. Требования к машинам и деталям

В соответствии с современными тенденциями к большинству проектируемых машин предъявляют следующие общие требования:

высокая производительность;

необходимые точность, надежность и долговечность;

экономичность изготовления и эксплуатации;

удобство и безопасность обслуживания;

транспортабельность;

современный дизайн.

При расчетах, конструировании и изготовлении машин должны строго соблюдаться стандарты: государственные (ГОСТы), отраслевые (ОСТы), предприятий (СТП). Стандартизация в области деталей машин охватывает материалы, геометрические параметры (предпочтительные ряды размеров, форма и размеры резьб, шлицевых, шпоночных соединений, исходные контуры зацепления и др.), нормы точности, последовательность создания и характер конструкторской документации, правила оформления чертежей и т. д.

Стандарты в максимально возможной степени основываются на стандартах Международной организации по стандартизации (ISO).

Применение в машине стандартных деталей и узлов уменьшает количество типоразмеров, обеспечивает взаимозаменяемость, позволяет быстро и дешево изготовлять новые машины, а в период эксплуатации облегчает ремонт. Изготовляют стандартные детали и узлы машин на специализированных заводах или в специализированных цехах, что повышает их качество и снижает стоимость.

Стандартизация изделий, узлов и деталей предполагает их унификацию. Унификация — приведение изделий одинакового функционального назначения к единообразию, включающее обеспечение преемственности при изготовлении и эксплуатации. Показателем уровня стандартизации и унификации является коэффициент применяемости по типоразмерам деталей, определяемый как отношение разности общего числа типоразмеров деталей и числа типоразмеров впервые разработанных деталей к общему числу типоразмеров деталей в изделии.

Одним из главных требований, предъявляемых к машинам и их деталям, является технологичность конструкции, которая существенно влияет на стоимость машины.

Технологичной называют такую конструкцию, которая характерна наименьшими затратами при производстве, эксплуатации и ремонте.

Технологичность конструкции характеризуется:

применением в машине деталей с минимальной механической обработкой. С этой целью широко используют штамповку, точное литье, фасонный прокат, сварку;

унификацией деталей, т. е. применением одинаковых деталей в различных узлах машины;

максимальным применением стандартных конструктивных элементов деталей (резьб, канавок, пазов, фасок и др.), а также стандартных допусков и посадок;

применением деталей и узлов ранее освоенных в производстве;

учетом количества выпускаемых изделий (серийности), условий изготовления и технологической целесообразности;

снижением трудоемкости сборочных операций, удобной компоновкой с легко доступными местами крепления, возможностью применения сборочных автоматов, роботов;

возможностью «сращивания» систем автоматизированного проектирования и производства.

Показателями технологичности конструкции являются: трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость в изготовлении, обслуживании, эксплуатации и ремонте.

Показатели стандартизации и технологичности характеризуют качество изделия.

Курс "Детали машин и основы конструирования" непосредственно опирается на курсы "Сопротивление материалов" и "Теория механизмов и машин", которыми, мы надеемся, студенты овладели в совершенстве. Кроме того, для успешного выполнения расчётно-графических работ и курсового проекта необходимы хорошие знания правил и приёмов курса "Инженерная графика".

Расчет на прочность сварных соединений