МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образ...
85 downloads
262 Views
4MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
В.М. КУШНАРЕНКО, В.П. КОВАЛЕВСКИЙ, Ю.А. ЧИРКОВ
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Оренбург 2003
ББК 30.121 я 7 К 99 УДК 531.8 (075.8) Рецензент: доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор И.Т. Ковриков
Кушнаренко В.М., Ковалевский В.П., Чирков Ю.А. К 99 Основы проектирования передаточных механизмов: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – Оренбург: ОГУ, 2003. 248 с: ил. ISBN В учебном пособии представлен раздел курса «Прикладной механики», в котором изложены основные принципы и правила проектирования передаточных механизмов. Даны указания относительно выбора материалов деталей машин, методик расчета механизмов и оформления графической части курсовых работ. Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения при изучении дисциплины «Прикладная механика». Редактор Коробкова Л.П.
К 200403000 6Л9-00
ISBN
ББК 30.121 я 7
© Кушнаренко В.М., 2003 © ОГУ, 2003
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ Общие вопросы проектирования Цель проектирования любого устройства – создание эффективных и надежных механизмов или машин, выполняющих все заданные функции. Проектирование – творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят в многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к механизмам, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета т.п. Выбор того или иного вида механизма зависит от предъявляемых требований, к которым относятся: надежность и долговечность элементов механизма; простота конструкции, ее компактность; малое сопротивление движению, особенно во время пуска; наименьшая инерционность (быстродействие механизма); бесшумность; технологичность и унификация деталей, а также снижение стоимости. В процессе проектирования делают необходимые расчеты (кинематические, динамические, на прочность и жесткость, на износ, технико-экономические и др.), разрабатывают чертежи и технологию производства, а для особо ответственных изделий изготовляют и испытывают макеты и натурные образцы. Проектирование современных механизмов или машин – комплексная научно-техническая и экономическая задача, при решении которой необходимо учитывать мировой опыт изготовления и эксплуатации подобных изделий. Проектом какого-либо механизма, прибора или машины (в общем случае – изделия) принято называть совокупность технико-экономических расчетов, схем, чертежей и других конструкторских документов, которые содержат данные об устройстве и принципе действия изделия, основных параметрах кинематики и динамики, надежности, эффективности и экономичности, а также указания по технологии изготовления, сборке и испытаниям. Этапы проектирования. Система проектирования предусматривает следующие стадии разработки проекта: техническое задание, техническое предложение, эскизный и технический проекты, разработку рабочей документации. Техническое задание обычно составляется заказчиком с целью определить основное назначение разрабатываемого изделия, его технико-экономические характеристики и требования (скорость, производительность, специфические особенности работы будущего изделия и др.). В техническом задании могут быть предусмотрены требования к технологии изготовления, автоматизации регулирования и управления, технике безопасности, эстетике и эргономике. В
задании намечается порядок проектирования и состав конструкторской документации. Техническое предложение представляет собой совокупность конструкторских документов, содержащих технико-экономическое обоснование выбора варианта построения проектируемого изделия. С этой целью разрабатывают несколько вариантов решения поставленной в техническом задании задачи, проводят их анализ и сравнительную оценку с учетом существующих подобных изделий, а также патентных материалов. Важный элемент этой стадии проектирования – выбор структурных схем передаточных механизмов, что определяет как основные свойства, так и надежность проектируемой системы. Техническое предложение после согласования и утверждения является основанием для последующего проектирования. При проработке технического предложения и на дальнейших этапах проектирования проводится патентный поиск, который заключается в просмотре всех патентных материалов России и других стран по данной тематике за период 30…50 лет. Во время патентного поиска выявляются прогрессивные технические решения для возможного использования в проектируемом устройстве. Попутно рассматриваются вопросы о целесообразности закупки лицензий по зарубежным патентам. Патентные материалы помогают решить вопрос о том, является ли проектируемое изделие (или какие-либо его части) изобретением. Наряду с патентоспособностью важное значение имеет патентная чистота. В патентно-чистом изделии не должно быть технических решений, которые защищены патентами в странеимпортере, при необходимости использовании зарубежных изобретений закупаются лицензии. В эскизном проекте разрабатываются принципиальные конструкторские решения принятого варианта, дающие общее представление об устройстве и принципе действия системы, а также проводятся расчеты основных параметров и размеров. В сложных и ответственных случаях разрабатываются макеты и модели отдельных узлов проектируемой системы для экспериментальной их проверки и отработки. Технический проект - наиболее ответственная часть проектирования, в которой даются окончательные технические и конструкторские решения. Графическая часть технического проекта состоит из чертежей общего вида, сборочных и монтажных чертежей, схем и спецификаций, которые служат основанием для разработки рабочей конструкторской документации. В необходимых случаях изготовляются и испытываются макеты и модели отдельных узлов. Расчетно-пояснительная записка к проекту должна содержать необходимые расчеты по кинематике и динамике системы, расчеты на прочность, надежность и точность взаимодействия деталей и узлов. Рабочая документация включает все необходимые для изготовления и испытания опытного образца (или опытной партии) изделий, выпуска установочной серии или организации серийного производства. Для сокращения
сроков проектирования допускается совмещать стадию предложения со стадиями эскизного и технического проектов.
технического
Принципы конструирования. При проектировании механизмов необходимо соблюдать следующие основные принципы: технологичность, наиболее короткую кинематическую цепь, компактность, статическую определимость. Понятие технологичности включает обеспечение минимальной трудоемкости изготовления и сборки, меньшей себестоимости и материалоемкости и др. Увеличением технологичности деталей, узлов и конструкции в целом достигается существенное удешевление проектируемой системы. Предусмотрены следующие виды технологичности: производственная, эксплуатационная, при техническом обслуживании и ремонте, технологичность заготовки, детали и сборочной единицы. При проектировании изделия учитывают все указанные аспекты технологичности. Количественные показатели производственной технологичности отдельной детали – трудоемкость изготовления и коэффициент использования материала, определяемый отношением массы готовой детали к массе заготовки. Чтобы повысить технологичность, иногда целесообразно расчленить трудно обрабатываемые сложные детали на ряд простых по конфигурации, соединяемых затем сваркой, запрессовкой и другими методами. При прочих равных условиях конструкция тем точней, чем выше производственная технологичность. Одним из эффективных средств ускорения технического прогресса, повышения производительности труда и улучшения качества изделий является стандартизация. Каждая новая машина, прибор, в том числе и находящиеся на уровне изобретения, должны иметь максимум стандартных и унифицированных элементов, проверенных на практике и надежных в эксплуатации. Второй принцип конструирования – наиболее короткой кинематической цепи - требует минимального числа кинематических пар и звеньев механизма для выполнения заданных функций механизма. Принцип компактности часто выражает эргономические требования. Так, при проектировании цилиндрической зубчатой передачи с передаточным числом u = 15 целесообразно применять двухступенчатую передачу (например, u1 = 3 и u2 = 5). Это позволяет уменьшить габариты по сравнению с одноступенчатой передачей почти в 2 раза. Но при такой конструкции нарушается принцип наиболее короткой кинематической цепи. Окончательное решение всегда компромиссно. Принцип статической определенности требует наложения минимального числа связей, так как наличие избыточных (или пассивных) связей приводит к возникновению деформации и снижению точности системы. Техническое совершенство машины или прибора определяется техникоэксплуатационными параметрами (производительностью, энергоемкостью, материалоемкостью и др.), надежностью, а также рядом технических и
экономических факторов (унификация и стандартизация, патентоспособность, эстетический и эргономический уровень и ряд других). Недостаточное внимание к этим требованиям неизбежно приводит к снижению качества и экономичности создаваемых изделий. Форма организации процесса проектирования определяется составом средств, методов и содержанием труда инженерно-технических работников. Безмашинная (ручная) форма проектирования, а позднее формы типового группового и частично механизированного типового проектирования ограничивали производительность труда конструктора. Они требовали значительных затрат рабочего времени на рутинные работы по поиску информации о стандартных элементах, материалах, ранее спроектированных конструкциях, а также работы по вычерчиванию типовых изображений. В результате, усложнение конструкций в последние годы настолько увеличило время проектирования, что оно в ряде случаев стало превосходить сроки эксплуатации изделий. Выход из создавшегося положения дали изменение и упорядочение технологии проектирования. Усложнению конструкции и, как следствие, увеличению объема используемой конструктором информации были противопоставлены новые методы ее обработки, т.е. автоматизация проектирования. В этом случае конструктор ставит задачу для ЭВМ и принимает окончательное решение, а машина обрабатывает весь объем информации и делает первичный отбор. Для такого общения человека с машиной созданы и создаются системы автоматизированного проектирования (САПР) – организационно-технические системы, выполняющие автоматизированное проектирование объектов и состоящие из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации. Объектами проектирования в САПР являются изделия (детали, узлы, комплексы), технологические процессы и организационно-технические системы. Целями создания САПР являются повышение технико-экономического уровня проектируемых объектов, сокращение сроков, уменьшение стоимости и трудоемкости проектирования.
Элементы методики проектирования Компонование. Центральным моментом процесса проектирования является возникновение в голове конструктора образа будущего изделия, как более или менее определенного сочетания составных частей этого изделия. Например, автомобиль отражается в сознании образом, сочетающим колеса с кузовом и двигателем, а образ детали представляет собой определенное сочетание конструктивных элементов. Сознательное формирование такого образца и называют компонованием. В каждом изделии, будь то машина, узел или деталь, есть главные элементы, выполняющие основную функцию изделия. Именно с воображения этих главных элементов и начинают компоновать изделие в целом. Например, компонуя зубчатый редуктор, сначала воображают, или изображают главные элементы – зубчатые колеса, затем вкомпоновывают в них валы с крепежными элементами, потом - подшипники и т.д. При этом уточняют форму и размеры сопряженных элементов, постепенно выявляя все большие подробности конструкции деталей. Компонование ведут, как правило, с соблюдением основных размеров и пропорций, желательно в определенном масштабе на миллиметровой бумаге. К моменту графического компонования должны быть сделаны проектные расчеты на прочность, дающие основные размеры функциональных элементов. Однако, большинство размеров получается в результате компонования, их называют конструктивными размерами. Многие из них проверяются в процессе компонования расчетами по соответствующим критериям работоспособности. Совмещение компонования с расчетами – важный принцип рационального ведения процесса конструирования. При компоновании используют рациональные приемы, так как работа эта многовариантная и трудоемкая. Обычно простые или концентрические объекты компонуют в одной проекции (разрезе), в той, которая несет наибольшую информацию. Детали изображают тонкими линиями, сечения штрихуют слегка от руки или не штрихуют вовсе (чтобы меньше было стирать при переделках), типовые детали и узлы показывают условно. Сначала наносятся контуры основных деталей и целых узлов без конструктивных подробностей (как на габаритном или теоретическом чертеже). Затем в компоновку последовательно привносятся второстепенные детали, отдельные конструктивные элементы деталей, необходимые для уточнения их взаимного расположения; наконец, характеристики сопряжений и производственные размеры. Рационально построенный процесс компонования должен опираться на такие принципы конструирования, как унификация и нормализация. Унификация дает сокращение номенклатуры и типоразмеров составных частей изделия. Нормализация размеров и целых составных частей изделия обеспечивает взаимозаменяемость, технологичность изделия, позволяет использовать готовые чертежи, что сокращает объем разрабатываемой документации.
Конструктивная преемственность. Конструктивная идея не может появиться «на пустом месте», она, как правило, есть результат прогрессивного развития уже существующих решений. Принцип преемственного развития конструкций позволяет использовать в новых изделиях хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации узлы, детали, схемы управления, если они морально не устарели. Решая задачу создания новой машины (технического устройства) или пытаясь улучшить существующую модель, конструктор должен не только изучить современные машины данного класса, но и историю их создания. Нередко бывает, что принцип действия или конструктивное решение, отвергнутые практикой много лет назад, обретают работоспособность и оказываются прогрессивными в новых условиях – с появлением новых машиностроительных материалов, технологических методов, открытием новых научных закономерностей. Наряду с изучением опыта «своей» отрасли промышленности, необходимо использовать достижения других отраслей, особенно таких, как авиастроение и автомобилестроение, отличающихся повышенной требовательностью к надежности, прочности и жесткости деталей при минимальном весе, к технологичности изделий и их эстетико-гигиеническим качествам. Преемственность не означает копирования предыдущих конструкций, она не должна превращаться в тормоз технического прогресса. Вместе с тем, она служит базой для технического творчества и предостерегает конструктора от «изобретения велосипеда», то есть от ложного пути поиска давно известного конструктивного решения. Наиболее полно преемственность выражается при создании производных машин (изделий), когда удачную конструкцию берут за базу и с помощью различных приемов преобразуют ее рабочие функции или параметры. Эти приемы (секционирование, изменение линейных размеров, метод базового агрегата, конвертирование, компаундирование, модификация, агрегатирование и др.) не универсальны, каждый из них применим к определенным категориям машин. В общем машиностроении широко применяются секционирование, метод базового агрегата и агрегатирование. Примером секционирования могут быть конвейеры, транспортеры, подъемники, несущие конструкции которых собираются из любого числа секций. Метод базового агрегата реализован в тракторных и автомобильных шасси, оснащенных сменным навесным оборудованием различного назначения. Агрегатирование – создание машин путем совместного применения автономных унифицированных узлов (агрегатные станки, приводы на основе стандартных узлов – двигателей, редукторов, муфт и др.). При проектировании механических передач применяют также метод линейных размеров для изменения нагрузочной способности передачи, а именно: изменяют ширину зубчатых колес и цепных звездочек без изменения шага и числа зубьев, ширину шкивов ременных передач при постоянном диаметре, уменьшают опорную базу вала и т.д. Подобные конструктивные приемы позволяют использовать, например, в редукторостроении, одни и те же
корпус, вал, другие детали и узлы для сборки редукторов различной нагрузочной способности, что очень важно в интересах сокращения номенклатуры изделий при серийном производстве. Функциональный подход. Анализ процесса конструирования изделия позволяет выделить три характерных этапа или уровня достижения конечной цели: функциональный, структурный и конструктивный. Эти уровни не следует отождествлять с понятием о стадиях проектирования, они скорее являются направлениями мышления, свойственными любой стадии разработки. Решается ли задача разработки машины в целом или ее частей – всегда рассматривают сначала действие или функции, которые должны выполняться, затем общую структуру изделия и, наконец, - конструкцию. Функция изделия – это действие или технический эффект, ожидаемые, приписываемые или выполняемые изделием. Например, функция грузового автомобиля – перевозить определенное количество груза данного вида с заданной скоростью по дороге с таким-то покрытием. Функция буртика на валу – осевая фиксация и недопущение перекоса детали, посаженой на вал. Функция описывается словами, формулами, графиками. Структура изделия – понятие промежуточное по отношению к конструкции и функции: это состав и принцип действия изделия в самой обобщенной форме. Если конструктивное представление о составе машины основано на восприятии формы, размеров, механических и эстетических свойств материалов, расположения в пространстве и взаимодействия деталей, узлов и агрегатов, то структурное представление отличается абстрагированием от большинства из этих конструктивных признаков. Более того, рассматривая или формируя структуру изделия, мы имеем дело не с деталями, узлами и агрегатами, а с функциональными элементами, в качестве которых могут выступать как те, так и другие. Функциональные элементы воспринимаются только как носители заданного действия, свойства или другого эффекта. Они изображаются графически в виде условных символов (схем) и описаний, а в воображении возникают как обобщенные безразмерные образцы конструктивных составных частей или как комбинация принятых символов. В соответствии с определением понятия «конструирование» под конструкцией изделия будем понимать совокупность конструктивных признаков, составляющих образ изделия на данном этапе разработки (рисунок, чертеж, макет, образец). В основе обобщенного восприятия заданных функций изделия лежит мысленное выделение главной или основной функции. Подобная процедура, связанная с абстрагированием и анализом, свойственная не только этапу работы непосредственно с ТЗ, но и любому промежуточному этапу разработки - идет ли речь о структуре узла или конструкции детали. Формулирование основной функции требует от конструктора определенного навыка, для выработки которого можно использовать следующее правило: отбрасывать и обобщать функции, кажущиеся не основными до тех пор, пока получится формулировка, выражающая самую сущность изделия так, что если исключить из этой формулировки еще что-
либо, она перестанет соответствовать ТЗ или требованиям промежуточной задачи. Этот умственный процесс является весьма ответственным, так как под основную функцию подбираются удовлетворяющие ей первичные структура и конструкция изделия. Поэтому результаты абстрагирования следует контролировать. С этой целью надо попытаться сформулировать основную функцию в разных вариантах (редакциях). Если при этом окажется, что есть варианты, отличающиеся один от другого принципиально и в то же время соответствующие ТЗ или требованиям промежуточной задачи, - это означает, что ТЗ или указанная задача нуждаются в уточнении. Задачи с неоднозначной основной функцией являются не конструкторскими, а исследовательскими. Поиск структуры следует рассматривать, как неизбежный процесс перехода от абстрактно-формального представлены изделия в виде функции к образно-предметному представлению о нем в виде конструкции. Например, структура, соответствующая функции грузового автомобиля, о которой шла речь выше, будет: ходовая часть, силовой агрегат, помещения для груза и водителя, система управления и контроля, определенным образом связанные между собой. Критериальный подход. Для того, чтобы отличить нужное решение (образ, идею, свойства) от ненужного, плохое от хорошего, конструктору необходим специальный «понятный код». Необходим подход к оценке своих решений с определенных позиций. Даже опытный конструктор, выдавая в целом приемлемое решение, не всегда обеспечивает оптимальность конструкции, если в его мотивировках и оценках принятых решений преобладают общие впечатления от сравнения с прототипом от положительных результатов рассмотрения проекта или испытания образца и т.п. Оптимальное решение конструкторской задачи возможно только на основе использования определенных оценочных критериев. В качестве критериев выбираются обычно достаточно универсальные показатели количественного и качественного характера, как, например, главные критерии работоспособности или составляющие других общих критериев качества. Конструктивное мышление – это в значительной мере привычка оперировать четкими критериями, умение распознавать связь между функциями изделия и соответствующими конструкторскими критериями, обеспечивающими эти функции. Критериальный подход позволяет видеть резервы повышения качества конструкции, пути минимизация недостатков. К основным критериям относятся: эксплуатационные показатели; функциональность; конструктивность; выполнимость; надежность и долговечность; технологичность; унификация; энергоемкость; компактность; весовые показатели; размеры (габариты); форма; эргономика; безопасность; техническая эстетика; ремонтопригодность; транспортабельность; условия монтажа; степень точности; элементы новизны (патентоспособность); экономическая эффективность.
Первичные критерии целесообразности. В процессе выдвижения и формирования конструкторской идеи методически целесообразно на первых порах придерживаться определенного минимума требований или обобщенных критериев, которые затем перерастают в более частные и разнообразные критерии оценки качества изделия. К первичным критериям целесообразности конструкторского решения относят следующие: функциональность – принципиальная возможность обеспечения рабочих функций разрабатываемого изделия (в машинах и механизмах – характер движения рабочих органов, элементов передач, условия взаимодействия и др.); конструктивность – принципиальная возможность придания формы, размеров, механических свойств и других конструктивных признаков, обеспечивающих несущую способность изделия; выполнимость – принципиальная возможность изготовления, сборки – разборки. Имея в виду эти критерии и формируя техническую идею, конструктор должен, в первую очередь, последовательно задаться вопросами: будет ли действовать, можно ли придать необходимую несущую способность и как изготовить? Поскольку конструкторская проработка заключается в постепенном развитии первичной идеи, выявлении все больших подробностей, при внесении новых и изменении уже имеющихся элементов, постольку эти вопросы постоянно сопутствуют творческому процессу. Они должны стать «способом» технического мышления конструктора, идет ли речь о кинематической схеме, конструкции, технических требованиях или других компонентах решения конструкторской задачи. Конструкторский анализ и синтез. В соответствии с целями конструирования, вся конструкторская деятельность может быть представлена укрупнено как анализ объективной потребности в новом изделии и синтез нового технического решения, удовлетворяющего эту потребность. Промежуточные этапы творческой работы конструктора также насыщены аналитической деятельностью. Путем анализа технического задания, конструктивных прототипов изделия и производственных возможностей синтезируют варианты схематического решения – рабочего принципа. На основе анализа этих вариантов выявляют (синтезируют) оптимальный рабочий принцип изделия. Его анализ в стадии эскизного проектирования позволяет распознать необходимые конструктивные элементы и синтезировать варианты конструктивных решений и так далее. Таким образом, двуединый метод анализа-синтеза обеспечивает качественную переработку исходной информации технического задания в конечный результат – рабочую конструкторскую документацию. Анализируя на новых этапах разработки информацию, синтезированную на предыдущих этапах (например, перерабатывая эскизный чертеж общего вида на стадии технического проекта), конструктор переводит ее каждый раз на более высокий уровень за счет привлечения дополнительной информации. Характер дополнительной информации изменяется в соответствии с изменением решаемых конструктором задач.
Важнейшей задачей является поиск недостатков и путей их устранения. Поэтому анализ не мыслим без критического подхода. Устранение выявленных недостатков, осуществляемое мысленно, графически, путем расчета или моделирования, означает переход к синтетической стадии. На разных этапах разработки анализируются функции, структура и конструкция изделия. Процесс анализа-синтеза носит циклический характер. Этот цикл имеет следующий вид: от анализа заданных (предписанных) функций – к синтезу структуры изделия; от анализа структуры – к синтезу конструкции; от анализа конструкции – к уточнению (синтезу) выполняемых функций. На основе сравнительного анализа выполняемых (ожидаемых) и заданных функций изделия делают заключение об окончании разработки изделия или дальнейшем уточнении его структуры, конструкции, то есть необходимости нового цикла анализа-синтеза. Структура изделия анализируется, в основном, с точки зрения рациональности кинематической и силовой цепи или расположения элементов. Конструкцию изделия анализируют, главным образом, с позиций силового взаимодействия и напряженного состояния деталей, их рационального расположения и сопряжения. Вариантность решения. Однозначное решение инженерной конструкторской задачи невозможно. Нередко преимущества и недостатки изделий выявляются окончательно только в процессе эксплуатации. Тем более невозможно гарантировать пригодность конструкторских решений на ранних стадиях проектирования. Творческая работа вообще характерна тем, что мысль, направленная на решение данной технической задачи неустанно бьется над усовершенствованием выдвигаемых идей. Эти идеи необходимо не только обдумывать, но и фиксировать (эскиз, схемы, описание, макет), стараясь на основе их положительных качеств синтезировать наиболее приемлемое техническое решение. Так рождаются варианты конструкторской разработки. Нет ничего опаснее, чем пытаться уйти от этого пути, ограничить поле поиска одним «полюбившимся» вариантом. Чем сложнее проектируемое изделие и чем шире инженерная эрудиция конструктора, тем больше возникает вариантов решения задачи. Варианты конструктивного оформления рассматриваются на стадии эскизного проекта и частично – технического. Рабочая стадия тоже может содержать варианты технологического оформления деталей и узлов. В целях ускорения и удешевления разработки стараются «разгадать» оптимальный вариант конструкции как можно раньше. Чаще всего для этого достаточно эскизно скомпоновать изделие или узел, иногда – изготовить чертежи или макеты. Метод инверсии. Инверсия в конструировании – обращение функций, формы, механических свойств и относительного расположения деталей, направленное на получение нового функционального, технологического или другого эффекта. Часто бывает достаточно сделать в конструкции что-либо «наоборот», как ее качества резко улучшаются. Например, промежуточный вал
редуктора с напрессованными на нем зубчатыми колесами можно установить на подшипниках в корпус. Инвертировать этот узел – значит вал превратить в неподвижную ось, а зубчатые колеса выполнить в виде блока, вращающегося на оси. В часто встречающемся соединении какой-либо тяги с рычагом, проушина и вилка, в которой она крепится с помощью пальца, могут быть выполнены, соответственно, на рычаге и тяге или наоборот. Это примеры инвертирования функций и расположения деталей, входящих в узел. Инверсию формы можно продемонстрировать на примере головки болта с наружным и внутренним шестигранником под ключ. Не следует упускать из виду и то, что инвертирование частных функций деталей узла не должно повлечь к изменению (ухудшению) функции всего узла или изделия. «Вынашивание» идеи. Вынашивание намечаемого технического решения или идеи есть по существу, один из приемов использования целого ряда взаимосвязанных методов. В процессе вынашивания конструктор мысленно перебирает варианты возможного решения вплоть до самой общей компоновки, на основе предварительного анализа синтезирует улучшенные варианты решения, доводя их количество до минимума и т.д. Другими словами – это «утробная» стадия развития идеи, отличающаяся, в основном, формой работы конструктора. К существенно отличительным чертам процесса вынашивания можно отнести большой удельный вес ассоциативного мышления, лежащего в основе «случайных озарений», которые чаще всего являются результатом подсознательного переноса искомых элементов решения из других объектов или явлений. С этими последними конструктор может встретиться случайно, но нужные черты в них он подметит вполне закономерно, будучи «настроенным» избирательно под впечатлением решаемой задачи. Как отмечают многие исследователи этого вопроса ассоциативное «озарение» чаще всего приходит в тот момент, когда конструктор выполняет работу, не связанную с умственным напряжением или отдыхает. Самым подходящим моментом для перехода от вынашивания к проектированию можно считать появление у конструктора уверенности в правильности решения. Вынашивание идеи находится в определенном противоречии с системным, методическим подходом к конструированию, поскольку является процессом неуправляемым и случайным. Кроме того, этот процесс может длиться как угодно долго, а объективные условия обычно не позволяют растягивать сроки разработки; наоборот, научно-технический прогресс требует всемерного сокращения этих сроков. В то же время нельзя не учитывать того, что темпы проектирования существенно влияют на качество и стоимость разработки и самого изделия. В частности, принятые в спешке случайные решения резко снижают эффективность новой техники. Это не означает, что растягивание сроков обязательно приведет к лучшему решению – оптимальное конструирование предполагает и определенный оптимальный темп работы. Минимизация недостатков. Создать изделие абсолютно не имеющее тех или иных слабых сторон практически невозможно.
Недостатками изделия считаются любые отклонения от требований технического задания или прогрессивных принципов конструирования. Поскольку конструкторские решения опираются на научные знания, то недостатки объективного характера представляют собой как бы разность между теорией и практикой. В основе этого явления лежат ошибки, допускаемые на всех этапах реализации научного открытия – от неучтенных теорией факторов (без допущений теоретическая разработка вообще невозможна) до погрешности при обработке, сборке и контроле материализованных объектов (деталей, узлов). Недостатки могут быть также результатом субъективных ошибок, допущенных при расчетах, выборе конструкции и т.д. Решить вопрос о том, достаточно ли достоинства в данном конструкторском решении значительно сложнее, чем отыскать в нем еще какие-нибудь недостатки. Поэтому наиболее эффективным путем нахождения оптимального решения будет анализ и исключение ошибок – минимизация недостатков. Минимизацию ошибок следует вести упорядоченно, чтобы не повторять наиболее существенные из них на высших уровнях. Недостатки не принципиального характера, исключенные ранее, могут быть вновь допущены в процессе последовательного приближения к оптимальному решению, если они в большей мере, чем раньше перекрываются достоинствами, которым сопутствуют. Они могут оказаться исключенными при дальнейшем уточнении решения или даже остаться в нем. Наиболее наглядным и постоянно контролируемым путем минимизации является составление таблицы, где изображается рассматриваемый объект (схема, эскиз) или делается ссылка на документ или вариант решения, перечисляются все недостатки и важнейшие достоинства данного решения, а также указываются пути исключения ошибок – мероприятия по улучшению решения.
1 ДЕТАЛИ МАШИН 1.1 Основы надежности машин 1.1.1 Надежность и ее оценка Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность слагается из безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости изделия. Под безотказностью понимают свойство изделия сохранять непрерывную работоспособность, под долговечностью - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта; под ремонтопригодностью - свойство изделия, позволяющее производить его ремонт и техническое обслуживание, а под сохраняемостью понимают свойство изделия сохранять показатели качества в течение срока хранения и транспортирования, а также после них. Долговечность - это свойство объекта сохранять работоспособность до определенного состояния (не устраняемого отказа) с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Показатели безотказности различают для невосстанавливаемых и восстанавливаемых изделий. Для невосстанавливаемых изделий понятия безотказность, долговечность и надежность совпадают. Для восстанавливаемых изделий безотказность - это одно из свойств, определяющих их надежность. Показателями безотказности восстанавливаемых изделий являются вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов; невосстанавливаемых изделий - вероятность безотказной работы, наработка на отказ, характеристика и параметр потока отказов. Расчеты приведенных показателей проводятся на базе теории вероятностей. Для определения показателей безотказности невосстанавливаемых изделий необходимо знать распределение отказов как случайных событий. Распределение описывается характеристиками плотности распределения отказов f(х), интегральной функцией распределения отказов Q(x) и вероятностью безотказной работы Р(х). Первые две характеристики связаны зависимостью f(х) = lim[P(xi ≤ x < xi+∆x)]/∆x = dQ(x)/dx. (1.1) Отсюда произведение f(x)·∆x при достаточно малом ∆х приблизительно равно вероятности нахождения х в интервале от хi до xi + ∆x, т.е. P(xi ≤ x <xi+∆x). При наработке х, с помощью плотности распределения получаем
х
P(x ≤ x1) = ∫ f(ε)dε,
(1.2)
o
где ε - переменная интегрирования. Уравнение (1.2) графически представлено на рисунке 1.1. Здесь вероятность появления отказа за наработку х, меньшую требуемой х1, равна относительной площади под кривой f(x) слева от значения х1.
Рисунок 1.1 Вероятность безотказной работы Р(х) определяется из плотности распределения. Так как в рассматриваемом случае изделие может быть в состоянии отказа или работоспособности, то Р(x1)+Q(x1)= 1. Отсюда ∞ Р(x1) = P(x>x1) = 1- Q(x1) = ∫ f(ε)dε. (1.3) x1
Плотность распределения позволяет найти вероятность того, что случайная величина х заключена между х1 и х2: x2
x1
o
o
x2
P(x1<x<x2) = Q(x2)-Q(x1) = ∫f(ε)dε - ∫f(ε)dε = ∫f(ε)dε.
(1.4)
x1
Графическая интерпретация формулы (1.4) представлена на рисунке 1.1 в виде заштрихованной площади. Площадь распределения дает возможность найти среднюю наработку на отказ ∞ хср = ∫ εf (ε)dε. o
Интегральные функции Р(х) и Q(х) могут быть представлены графиками (Рисунок 1.2). По этим графикам можно определить вероятность безотказной работы и появления отказа, если известна наработка х.
Условие отсутствия отказов до рассматриваемого момента времени может быть выражено интенсивностью отказов λ(x) = f(x)/P(x). (1.5)
Рисунок 1.2
Рисунок 1.3
На рисунке 1.3 приведен распространенный вид функции интенсивности отказов. Здесь наработка распределена на три периода. Период I относится к приработке изделия, когда интенсивность отказов повышена. Период II называется периодом нормальной эксплуатации, когда интенсивность отказов является минимальной и интенсивность отказов постоянна по величине. В периоде III начинают появляться отказы из-за интенсивности износа, усталостных разрушений, старения и других причин, обусловленных длительностью эксплуатации. При испытаниях или наблюдениях в эксплуатации определяются (по известным методикам) приближенные значения показателей безотказной работы, по которым можно оценить точные их значения, полученные по вышеприведенным формулам. Так, например, для приближенного определения безотказности надо знать их наработки до отказа или до конца испытаний: х1,х2, ..., хn. Тогда вероятность появления отказа к наработке хо, когда отказало N' изделий и сохранило работоспособность N''= N - N' изделий, составит _ Q(xo) = N'/N. (1.6) Здесь и далее приближенные оценки будем обозначать теми же буквами, но с черточками сверху. Вероятность безотказной работы _ P(xo) = N''/N. (1.7) Средняя наработка до отказа составит
_ (1.8)
хср = Σ xi / N, N
где Σ xi - суммарная наработка испытуемых изделий до отказа; N
N - число испытуемых изделий. Если из N наблюдаемых изделий за время Т отказало r изделий, то средняя наработка до отказа будет равна _ xi + T(N-r)]/r. xср=[Σ (1.9) r
Интенсивность отказов, соответствующая достаточно малому интервалу времени ∆t (малой наработке ∆x), равна _ λ(x) = ∆r/∆x N , (1.10) где ∆r - число отказов за наработку ∆х; N - число работоспособных изделий к началу рассматриваемой наработки. Из выражений (1.1) и (1.2) запишем f(x) = d P(x)/dx. Подставляя это соотношение в выражение (1.5) и разделяя переменные, получим: λ(x)dx = dP(x)/P(x) = d[ln P(x)]. Интегрируя это уравнение и учитывая, что Р(0)=1, найдем вероятность безотказной работы: P(x) = exp [-∫ λ(ε) dε].
x o
Показатели долговечности. Долговечность изделий оценивается по ресурсу (наработке) и сроку службы (продолжительности эксплуатации). Если ресурс дает непосредственное представление о наработке в различных условиях, то срок службы удобен при планировании сроков сдачи изделий в ремонт, замене их новыми и т.д. При таком делении долговечности ее показателями будут: ресурс от определенного момента времени до списания изделия; гамма-процентный ресурс, который имеет и превышает обусловленное число γ процентов данных изделий; средний ресурс, определяемый по совокупности изделий и т.д. Важную информацию о долговечности изделий дает кривая Р(х) (Рисунок 1.2). Она позволяет установить гамма-процентный ресурс. Показатели ремонтопригодности зависят от процессов восстановления, технического обслуживания и ремонта.
Показателями сохраняемости могут безотказности при хранении и сроки сохраняемости.
служить
вероятность
1.1.2 Надежность при проектировании машин Пути обеспечения надежности при проектировании машин сводятся к большому числу мероприятий, которые должен выполнять конструктор, вне зависимости от его опыта и таланта при создании новых и модернизации уже работающих машин. К числу таких мероприятий относятся: -Обеспечение схемной надежности изделия. Это означает, что схема изделия должна быть выбрана так, чтобы число ее элементов было по возможности меньшим, а появление отказов, известных из практики, исключалось. -Обеспечение высокой надежности каждого элемента. -Обеспечение количества, в частности, стабильности характеристик материалов и комплектующих элементов. -Широкое использование унифицированных и стандартизированных элементов. -Защита от внешних воздействий, от внешней среды (от вибрации, высоких и низких температур, воздействия наружной или окислительной среды). -Правильный выбор режима (условий) работы изделия. -Расширение допускаемых пределов для параметров, определяющих работоспособность изделий (введение упругих муфт и др.). -Резервирование, т.е. создание в конструкции определенных резервов в интересах обеспечения высокой надежности. -Уточнение методов расчетов, в частности вероятностной оценки усилий внешнего воздействия и параметров самого изделия. Чем точнее учтены случайные явления в процессе проектирования и, в частности, расчета, тем надежнее будет изделие, тем дешевле и быстрее будет обеспечен необходимый уровень его надежности. На стадии проектирования проводят предварительные испытания сначала материалов и элементов изделия, а затем опытных образцов, стремясь возможно точнее смоделировать реальные условия эксплуатации. Чем раньше начинается сочетание экспериментальной и конструкторской работ, тем больше вероятность того, что затраты на обеспечение изделия будут минимальными. Для обеспечения надежности при проектировании машин рассматривают: - структурную схему безопасности изделия, когда его разбивают на элементы и анализируют решение задачи, как влияет отказ одного элемента на отказ изделия; -схемную надежность изделия, когда после составления его структурной схемы оценивают возможные отказы и пути их предупреждения за счет усовершенствования самой схемы изделия;
-резервирование в машинах, когда для повышения надежности изделия в него вводят дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения изделием заданных функций. Отметим, что надежность элементов машины является необходимым, хотя и недостаточным условием ее надежности. Причиной отказов деталей машин чаще всего являются разрушения усталостного характера. Обеспечение прочности деталей является предметом следующего раздела курса. 1.1.3 Техническая диагностика машин Основная задача технической диагностики - распознавание состояния системы в условиях ограниченной информации. Информация поступает в виде показателей датчиков: вибраций, температур, давлений, путем визуальных осмотров и т.д. Для сложных технических систем запись параметров ведется дискретно или непрерывно. Кроме того, в технической диагностике осуществляют поиск и автоматический контроль неисправностей. Это связано с разработкой методов и средств контроля, разработкой диагностических тестов, оценкой контролеспособности технических систем. Техническая диагностика стала одним из важнейших методов повышения надежности систем в эксплуатационных условиях, когда требуется руководствоваться определенными приемами и правилами для принятия решения. Она допускает эксплуатацию ответственных изделий и их техническое обслуживание «по состоянию», что дает значительный экономический эффект. Процедура диагностирования машины включает в себя три основных этапа: 1) первичное описание объекта; 2) выделение признаков оценки состояния; 3) принятие решения (диагноз). Первичное описание выполняют на основе экспериментальной информации, необходимой для принятия решения. Состояние диагностируемого объекта определяется диагностическими признаками, а они - диагностическими сигналами различной физической природы. Нахождение эффективных признаков является центральной задачей диагностики, главной ее проблемой. Чем больше сведений о диагностируемом объекте, тем достовернее его диагноз. Глубокое изучение свойств машины, целей и сути диагноза является основной предпосылкой эффективности диагностики. При поиске признаков следует различать три аспекта технического состояния: структурный, функциональный и вибрационный. Структурное состояние характеризуется совокупностью свойств структуры: геометрией конструктивных элементов (размерами и формой),
взаимосвязями деталей (посадками, зазорами, углами и т.д.), состоянием материала (напряженностью, температурой, структурой). Функциональное состояние определяется совокупностью свойств функционирования: эксплуатационными показателями, статистическими и динамическими характеристиками протекания рабочего процесса и процессов регулирования и др. Вибрационное состояние определяется совокупностью вибрационных характеристик объекта. Оно является следствием структурного и функционального состояний и динамических свойств объекта. При нормальном структурном и функциональном состояниях вибрационное состояние может быть неудовлетворительным. Примером этого могут быть резонансные режимы. В зависимости от цели диагностики и степени изученности объекта диагноз может обладать различным содержанием. В расчетной схеме изделие можно рассматривать как единую физическую систему с неизвестной структурой, подверженную воздействию внешних и внутренних возмущений. По выходным сигналам можно установить его состояние без указания места и причин неисправности. Такая интегральная диагностика иногда может быть приемлемой в эксплуатации. На этапах проектирования, производства и эксплуатации требуется поставить диагноз неисправного элемента (детали) и установить причины неисправности. Для этого узел нужно представить в виде совокупности взаимосвязанных деталей. Получается трехступенчатая модель «изделие-узелдеталь» и соответственно три степени глубины диагноза. Диагноз состояния узла можно установить различными методами диагностики. Так, состояние подшипника можно оценить по химическому составу масла, наличию в нем стружки, по температуре масла или температуре корпуса подшипника, по вибрации и т.д. Во многих методах диагностики должно быть известно распределение контрольного параметра для данного состояния системы. Распознавание состояния системы является процессом установления диагноза и состоит в отнесении предъявленной совокупности признаков к одному из типичных состояний. Число таких состояний зависит от особенностей задачи и целей распознавания. Теория распознавания тесно связана с проблемой распознавания образов, изучаемой в кибернетике. К методам решения этих задач относятся: вероятностные, метрические, логические, методы разделения в пространстве на строгом математическом аппарате и рассматриваются в специальных курсах по технической диагностике машин.
1.2 Нагрузки и критерии расчета ДМ 1.2.1 Виды нагрузок, действующих на ДМ Нагрузки - это силы и моменты, нагружающие деталь постоянно или во время передачи энергии. Нагрузки различают по величине, направлению и характеру действия (изменению во времени). По характеру действия нагрузки делят на: 1) статические (постоянные); 2) динамические (переменные), которые могут быть: а) переменными по величине и постоянными по направлению (знакопостоянные); б) переменными по величине и направлению (знакопеременные). Статическими или постоянными называются нагрузки, не изменяющиеся во времени, либо изменяющиеся так медленно, что этим изменением можно пренебречь. Динамические или переменные нагрузки изменяются во времени и могут носить периодический и непериодический характер (Рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 Периодические нагрузки изменяются по повторяющемуся циклу. Циклом называется изменение нагрузки от одной крайней величины до другой и обратно. Периодический цикл характерен для установившегося движения. Непериодический характер изменения нагрузок характерен для неустановившегося режима работы машины, т.е. для периода разбега и выбега. Непериодический характер нагрузки происходит по изменяющимся циклам, где величина максимум и минимум нагрузок либо увеличивается (разбег), либо убывает (выбег). Характер изменения нагрузок определяет собой характер изменения напряжения. Нагрузки и напряжения в зависимости от характера действия создают различные режимы нагружения: 1) режим создается статическими нагрузками; 2) режим создается нагрузками, переменными по величине и постоянными по направлению; 3) режим создается знакопеременными нагрузками; 4) режим создается ударными нагрузками.
Различают нагрузки номинальные и расчетные: Fр = F⋅К; Мр = М⋅К, где Fр,(Мр) - расчетная сила, (момент); F,(М) - номинальная сила, (момент) определяют по расчетным формулам; К = 1...3,5 - динамический коэффициент режима работы, выбирается в зависимости от режима. 1.2.2 Причины выхода из строя ДМ В том случае, когда в деталях возникают постоянные напряжения, они могут выйти из строя вследствие возникновения недопустимых остаточных 2 деформаций или вследствие разрушения σВ; σт; (Н/мм , МПа). При переменных напряжениях детали выходят из строя при значительно меньших напряжениях σ-1 ≈ 0,5σв. В этом случае говорят об усталости материалов деталей. Детали разрушаются без видимых пластических деформаций за счет накопления внутренних изменений (нагрев в проволоке). Процесс разрушения начинается с возникновения, как правило, в местах концентраторов напряжений, микротрещин, которые перерастают в макротрещину. В качестве концентраторов напряжений могут быть галтели, отверстия в валах, шпоночные пазы (Рисунок 1.5). Кроме того, детали могут выходить из строя вследствие износа, коррозии, вибрации и т.д. Детали машин должны быть работоспособными, т.е. находиться в таком состоянии, в котором они могут выполнять заданные функции при установленных значениях параметров функционирования.
Рисунок 1.5 1.2.3 Основные критерии работоспособности и расчета ДМ Работоспособность деталей оценивается рядом условий или критериев, которые диктуются режимом их работы. К ним относятся: прочность, жесткость, износостойкость, коррозионностойкость, виброустойчивость. Выбрав материал деталей по одному или нескольким критериям, расчетом определяют их размеры. Прочность является главным критерием работоспособности для большинства деталей. Под прочностью понимают способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций при действии приложенных к ней нагрузок.
Различают статические и усталостные разрушения деталей. Статические разрушения - когда величина рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала σв. при изгибе, Основные условия прочности: σи = Миз/Wиз ≤ [σи] где [σи] - допускаемое напряжение изгиба, МПа; τкр = Мz/Wρ ≤ [τкр] - при кручении, где τкр - напряжение кручения, МПа; Мz - крутящий момент, Н⋅мм; 3
Wρ - момент сопротивления кручению, мм ; [τкр] - допускаемое напряжение кручения, МПа; σр,сж = F/А ≤ [σр,сж] - при растяжении, сжатии, где [σр,сж] - допускаемое напряжение растяжения или сжатия, МПа; σсм = F/А ≤ [σсм] - при смятии, где σсм - напряжение смятия, МПа; 2
А - площадь смятия, мм ; F - сила смятия, Н; [σсм] - допускаемое напряжение смятия, МПа; τср = F/А ≤ [τср] - при срезе; _________________ _______ 2 σн =√(q/ρпр)⋅[Eпр/2π(1-µ )] = 0,418 √q⋅Eпр/ρпр ≤ [σн] - при контактном напряжении (формула Герца-Беляева), где µ = 0,3 - коэффициент Пуассона для стали; q = Fn/lк, где q - интенсивность нагрузки; Fn - сила нормального давления; lк - длина контактной линии; Епр = 2Е1Е2/(Е1+Е2) - приведенный модуль упругости; ρпр = ρ1ρ2/(ρ1±ρ2) - приведенный радиус кривизны (Рисунок 1.6). На основании формул для проверочного расчета на прочность можно получить формулы для проектного расчета, например 3 3 σu = Mиз/Wиз ≤ [σн], Wиз = πd /32 ≈ 0,1 d , тогда
3 ______________
d ≥ √Mиз/0,1 [σн] - формула для проектного расчета, где d - диаметр участка вала, мм.
Рисунок 1.6 Усталостные разрушения вызываются длительным действием переменных напряжений, величина которых превышает характеристики усталостной прочности материала. σ-1, τ-1 - пределы выносливости нормального и касательного напряжений при знакопеременном цикле нагружения; σo, τo - пределы выносливости при отнулевом цикле. Жесткость - способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием при определении их размеров (валы точных зубчатых передач, валычервяки). Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Характеристика жесткости материала Е - модуль упругости. Износостойкость - способность детали сохранять необходимые размеры трущихся поверхностей в течение заданного срока службы. Износ уменьшает прочность деталей, изменяет характер соединения. Зависит от свойств выбранного материала, термообработки и чистоты поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, от скорости скольжения и условия смазки и т.д. В большинстве случаев расчеты деталей на износостойкость ведутся по допускаемому давлению [Р]. Теплостойкость - способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев детали снижает прочность и жесткость, ухудшает свойства смазки, уменьшаются зазоры, что приводит к заклиниванию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы производят тепловые расчеты. Виброустойчивость - способность конструкции работать в заданном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Особенно опасны резонансные колебания. Колебания вызывают переменные напряжения в деталях. Расчеты на виброустойчивость проводят согласно «Теории колебаний» не только для отдельных деталей, но и для всей машины в целом.
Соблюдение указанных критериев работоспособности обеспечивает надежность конструкции в течение заданного срока службы. Надежность изделий обусловливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Развитие современного машиностроения связано с применением множества взаимодействующих узлов и автоматических устройств, поэтому отказ в работе хотя бы одной детали или соединения приводит к нарушению работы всей конструкции. Надежность зависит от качества изготовления конструкции и от соблюдения норм эксплуатации. Она монотонно снижается в течение срока службы.
1.3 Выбор материалов для изготовления ДМ Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом. При выборе материала учитывают в основном следующие факторы: 1) Соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, жесткость, износостойкость). 2) Свойства, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионные, фрикционные, электроизоляционные). 3) Соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намеченному способу обработки (штампуемость, свариваемость, литейные свойства). 4) Весовые и габаритные требования к деталям и машинам в целом. 5) Стоимость и дефицитность материала. Для изготовления деталей машин применяются черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и их сплавы, неметаллические материалы (пластмасса, древесина, резина, керамика). 1.3.1 Стали Стали - сплавы железа с углеродом и другими элементами, обладающие свойствами прочности и пластичности. Они делятся на группы: 1) Углеродистые конструкционные стали: а) углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества; б) конструкционные качественные стали. 2) Легированные конструкционные стали. 3) Углеродистые и легированные стали специального назначения: а) шарикоподшипниковые стали, например, ШХ-15; б) стали для пружин и рессор, например, 50Г, 65Г. 4)Легированные стали со специальными физическими и химическими составами: а) нержавеющие стали; б) жаропрочные стали; в) стали с повышенными магнитными свойствами. 5) Инструментальные стали: а) режущие: У8А; б) быстрорежущие: Р9, Р9М5; в) измерительного инструмента: 9ХС, 5ХВ2с. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества, согласно ГОСТ 380-88, поставляются в 3-х видах: Сталь группы А с гарантийными механическими свойствами. Сталь группы Б с гарантийным химическим составом. Сталь группы В с гарантийными механическими свойствами и повышенными требованиями к химическому составу.
Для деталей машин применяется сталь группы А. Гарантируется: предел 2 2 прочности σв, Н/мм ; предел текучести σт, Н/мм ; относительное удлинение δ, %; НВ - твердость. Свойства любой стали во многом зависят от содержания углерода (С). 2 2 С =0,25 %; Ст 3 σв = 38 ...48 кг/мм = 380 Н/мм 2
2
Cт 4 σв = 42 ... кг/мм = 420 Н/мм 2
2
С = 0,35 %;
С = 0,42 %. Ст 5 σв = 50 кг/мм = 500 Н/мм Маркировка указывает первую цифру минимального предела прочности. В других сталях маркировка указывает на химический состав. Обозначение Ст 4 ГОСТ 380-94 и ГОСТ 19282-73. Эти стали дешевые и для ответственных деталей не применяются. Поставляются горячекатанными, вследствие чего в них имеются внутренние напряжения, которые понижают прочность детали. Конструкционные качественные стали поставляются в нормализованном виде с гарантийными механическими свойствами и химическим составом: ГОСТ 1050-88. Стали марок: Сталь 10 - 0,1 С; Сталь 15 - 0,15 С; Сталь 40 - 0,4 С. Марка указывает количество углерода (С) в сотых долях %. Они подвергаются нормализации, т.е. снятию внутренних напряжений о (нагрев до 850 и медленное охлаждение на воздухе). Применение: Сталь 40...45 - валы, зубчатые колеса с термической обработкой; Сталь 50...85 - кулачки, колеса, шпонки, измерительные инструменты. Обозначение: Сталь 40 ГОСТ 1050-88. Легированные конструкционные стали. Содержат наряду с элементами, обязательными для стали, дополнительные элементы, которые либо улучшают, либо придают особые свойства стали. Хром - Х, Ванадий - Ф, Вольфрам - В, Медь - Д, Никель - Н, Марганец - Г, Молибден - М, Бор - Р, Кремний - С, Алюминий - Ю, Титан - Т. Марганец повышает упругие свойства (пружины); хром повышает твердость; никель - вязкость; кремний - жаропрочность. Обозначение: Сталь 40ХН2А ГОСТ 4543-71. Хромоникелевая сталь Cr≈ 1%, Ni ≈ 2%, С - 0,4%, А - улучшенная (высококачественная). Сталь 30ХГСА (С~0,3%; Сr~1%; Мn~1%, Si~1%,высококачественная 1.3.2 Чугуны Чугунами называется сплав железа с повышенным содержанием углерода 2 - 4%, не обладающий пластичностью. Наибольшее распространение для изготовления деталей машин получили серые (модифицированные) высокопрочные чугуны. Достоинства серых чугунов: 1) хорошие литейные свойства;
2) свойство гасить вибрацию; 3) дешевизна; 4) хорошая обрабатываемость. Недостатки: 1) хрупкость; 2)возникновение больших внутренних напряжений при литье, которые снимаются естественным или искусственным старением. Естественное старение - медленное охлаждение и вылеживание на воздухе. Искусственное отжиг в печах и остывание вместе с печью. Применяемые чугуны приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 Марка № стандарта и применение СЧ 12 СЧ 15 СЧ 18 СЧ 21 СЧ 24 СЧ 28 СЧ 32 СЧ 36 СЧ 40
ГОСТ 1412-85 Станины
при растяжении 120 МПа
Зубчатые колеса
при изгибе 280 МПа
Модифицированные чугуны представляют собой серый чугун, улучшенный спец. добавками, присадками, которые уменьшают внутренние напряжения, повышают прочность.
АСЧ-1, АВЧ-2 ГОСТ 1585-85 Подшипники, узлы трения. ВЧ 45 ВЧ 50 ГОСТ 7293-85 ВЧ 60 КЧ30
Предел прочности
450 - временное сопротивление разрыву
Детали станков ГОСТ 1215-79 σв = 294 МПа. Детали для переменных нагрузок (коленчатый вал)
1.3.3 Сплавы цветных металлов Наибольшее применение имеют сплавы на основе меди, алюминия, цинка. Бронзы - сплавы меди с другими металлами. Делятся на 2 группы: 1) Бронзы оловянистые; 2) Бронзы безоловянистые. Оловянистые бронзы - сплав меди с оловом и другими компонентами. Бр ОЦС 5-5-5 Оловяно-цинково-свинцовистая.
Буквы обозначают легирующие добавки: Олово - О Никель - Н Свинец - С Фосфор - Ф Цинк - Ц Кремний – К. Цифры указывают содержание легирующего элемента в %, остальное медь. Они обладают антикоррозионными свойствами, хорошо работают на истирание при высоких скоростях Vcк > 5 м/с. Безоловянистые бронзы - заменители оловянистых при Vcк = 2...4 м/с. Сплав меди с алюминием - А, марганцем - Mn, кремнием - К. Бр АЖ 9-4 Алюминиево-железистая А1 - 9%, Fe - 4%. Бр А 7 Алюминиевая Бр КМЦ 5-6 Кремнисто-марганцовистая К - 5%, Мц - 6%. Наряду с хорошими антифрикционными свойствами они обладают большей прочностью, чем оловянистые. Латуни - сплавы меди с цинком и другими металлами. Л 62, ЛА 62-2,5, ЛК 80-3-кремнистая латунь - 80% меди, 3% кремния, Л латунь. Другие буквы указывают на легирующие добавки, кроме цинка. В условном обозначении: 1-ая цифра указывает содержание меди в %, вторая - содержание легирующего элемента. Латунь обладает хорошими антифрикционными свойствами, хорошо штампуется и отливается в формы. Применяется для деталей, работающих во влажной среде. ЦАМ - сплав на основе цинка с алюминием и магнием. ЦАМ 10-2; ЦАМ 11-4 ( Аl ≈ 11%, Сu ≈ 4 % ). Обладает хорошими антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Применяется как заменитель бронз для подшипников скольжения. Баббиты - сплавы олова и свинца. 2-х видов: оловянистые > 70% олова и свинцовистые > 80% свинца; Б83 оловянистые 83% олова, Б16 - баббиты свинцовистые 16% олова (буква, далее содержание олова в %). Баббиты - лучшие антифрикционные материалы. Применяются для заливки тонким слоем вкладышей подшипников скольжения. В 20 раз и более превышают стоимость качественной стали. Алюминиевые сплавы Силумин - сплав алюминия с кремнием: АЛ 2; АЛ 4 и др. Дюралюминий - сплав алюминия с медью (2,2 ÷ 5%), марганцем (0,1 ÷ 1%), магнием (0,2 ÷ 1,8%). 3 Легкие, γ = 2,65 г/см , довольно твердые и прочные. Используются для деталей не несущих больших нагрузок. 1.3.4 Полимерные материалы Существует два вида пластмасс: пластмассы термореактивные и пластмассы термопластичные.
Термореактивные пластмассы изготавливаются на основе фенолформальдегидных смол: древопластики - дерево пропитанное смолой, текстолит - ткани пропитанные смолой, стеклопластики. Детали изготавливаются резанием или штамповкой в специальных формах. Детали называются необратимыми, т.е. в случае поломки не 3 переплавляются. Удельный вес - γ = 1,3...1,4 г/см . Применяются для бесшумной работы зубчатых колес и подшипников всегда в паре с металлическими. Термопластичные пластмассы: плексиглас, винипласт, полиэтилен, фторопласт и др. - из них изготавливают стекла, трубы, защитные пленки. Полиамиды: капрон, нейлон и др. - изготавливают зубчатые колеса, 3 подшипники скольжения, γ = 1,0...1,1 г/см . Обратимые. Недостаток: большая деформация со временем под влиянием влажной среды. Резины: материал на основе натурального или искусственного каучука имеет высокую упругую податливость, хорошо гасит колебания, сопротивляется истиранию: шины, амортизаторы, ремни, уплотнительные элементы. 1.3.5 Пути экономии материалов Затраты на материалы составляют значительную часть стоимости машины (85% в редукторах общего назначения). Основные пути экономии материалов следующие: 1) Уточнение расчетов и снижение коэффициентов безопасности. 2) Выбор оптимальных типов деталей и конструктивных выполнений. Замена клепаных конструкций сварными дает экономию 15-20%. 3) Повышение прочности не во всем объеме детали, а в местах наибольшей напряженности, т.е. применение методов поверхностного упрочнения и химико-термическая обработка - цементация - насыщение поверхностного слоя углеродом, азотирование - азотом, цианирование углеродом и азотом, борирование- насыщение бором. Глубина насыщения обычно 0,2...1 мм. 4)Применение биметаллов - материалов, состоящих из двух слоев (подшипники скольжения - стальной вкладыш покрывают тонким слоем баббита). 5)Снижение массы заготовок, приближение к оптимальным формам, применение заготовок в виде труб или др. чисто тянутого материала.
1.4 Основы взаимозаменяемости Взаимозаменяемость, как принцип конструирования и производства деталей, предложен и реализован впервые в конце 19 века в производстве винтовок. Она обеспечивает правильную сборку и замену при ремонте независимо изготовленных деталей и узлов без дополнительной их обработки с соблюдением требований качества и экономичности. Геометрические параметры деталей количественно оценивают размерами. Размер - числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т.д.) в выбранных единицах измерения. Размеры, проставляемые на чертежах деталей или соединений, называют номинальными. Их получают из расчетов (на прочность, жесткость и т.д.) или принимают из конструкционных соображений, округляя до значений по ГОСТ 6636-69 «Нормальные линейные размеры». Установлено, что для обеспечения правильной сборки (геометрической взаимозаменяемости) и нормальной работы детали могут иметь некоторое рассеяние размеров относительно номинальных значений. Максимальный и минимальный размеры, между которыми может находиться действительный размер детали, называют предельными размерами. Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называют допуском, например, допуск размера вала: IT = dmax - dmin = es - ei, допуск размера отверстия: IT = Dmax - Dmin = ES - EI. Зону между наибольшим и наименьшим предельными размерами называют полем допуска. При увеличении допуска на размер требования к точности снижаются, и производство детали упрощается и удешевляется. При одном и том же допуске деталь большего размера изготовить сложнее, чем деталь меньшего размера. Поэтому размер допуска назначают в зависимости от диаметра, вводя единицу допуска: 3 __ i = 0,45 √d + 0,001 d, мкм, где d - в мм, тогда размер допуска IT = a⋅i. В зависимости от числа «а» единиц допуска i в допуске IT cтандартом ЕСДП (ГОСТ 25346-82 и ГОСТ 25347-82) установлено 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2, 3... 17, расположенных в порядке убывания точности. При этом допуски в квалитетах 01...4 предназначены для калибров и измерительных инструментов, а квалитеты 5...13 дают допуски для сопрягаемых деталей, в остальных квалитетах даются допуски для несопрягаемых (свободных) размеров. При назначении конкретного квалитета учитывают: характер сопряжения (посадки с зазором, переходные или с натягом); эксплуатационные условия (нагрузка, температура, срок службы и т.п.); стоимость изготовления; возможность обеспечения взаимозаменяемости. Характер сопряжения двух соосных деталей (охватываемой - вала и охватывающей - отверстия) называют посадкой, которая зависит от их действительных размеров. Если диаметр отверстия больше диаметра вала, то в
соединении между ними будет зазор, обеспечивающий свободное осевое и окружное перемещение одной детали относительно другой. Если размер отверстия меньше размера вала, то в соединении образуется натяг. Посадки, которые в зависимости от соотношения действительных размеров отверстия и вала могут быть как с зазором, так и с натягом называют переходными. В ЕСДП различают две равноценных системы образования посадок: система основного отверстия и система основного вала. В системе отверстия расположение поля допуска отверстия неизменно, и нижнее отклонение равно нулю EI = 0. Различные посадки образуются изменением расположения поля допуска вала (Рисунок 1.7). Поле допуска основного отверстия обозначают прописной буквой с указанием квалитета Н7 (Н8).Поля допусков валов обозначаются строчными буквами латинского алфавита с указанием квалитета f7, k6. Поля допусков валов от а до h - предназначены для образования посадок с зазором в системе основного отверстия. Поля допусков j, js, k, m, n предназначены для образования переходных посадок. Поля допусков валов от p до z предназначены для образования посадок с натягом. В некоторых случаях для точной механики положение допуска обозначают двумя буквами: cd, еf, za, zb. В системе вала постоянно расположение поля допуска вала, причем верхнее отклонение равно нулю, es = 0. Различные посадки образуются изменением расположения поля допуска отверстий (Рисунок 1.7). Отклонение отверстий в системе вала обозначается - h. Поля допусков отверстия обозначаются прописными буквами латинского алфавита. От А до Н - посадки с зазором; от J до N - переходные; от Р до Z - с натягом. Система отверстия более распространена в машиностроении, т.к. при ее использовании сокращается ассортимент требуемых инструментов для обработки отверстий. Систему вала применяют лишь при: использовании деталей из пруткового калиброванного материала без обработки резанием сопрягаемых поверхностей; необходимости расположения на длинных валах постоянного диаметра нескольких деталей с разными посадками; применении стандартных деталей и сборочных единиц с посадочными размерами, выполненными по системе вала.
Рисунок 1.7 1.4.1 Обозначение допусков и посадок На чертежах (деталировочных и сборочных) указывают допуски и посадки тремя способами: +0,02 а) числовыми значениями: ∅ 20-0,01 ; б) условными буквенными обозначениями; в) смешанными способами.
При буквенном обозначении указывают знак, обозначающий вид поверхности, например, диаметр (∅), номинальный размер, буквы, характеризующие расположение полей допусков, числа - номера квалитетов, характеризующие величину допуска (Рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 1.4.2 Посадки основных деталей Зубчатые и червячные колеса в редукторах - с натягом: Н7 - r6; Н7 - р6. Распорные втулки, манжеты - с зазором: Н9 - h9; Н9 - f9; Н7 - h6. Муфты, шкивы, звездочки - по переходным посадкам: Н7 - k6; Н7 - m6; Н7 - n6. Мазеудерживающие кольца - по переходным или комбинированным посадкам: Н7 - k6; F7 - k6. Крышки прижимные - с зазором: Н7 - h9. Внутренние кольца подшипников - по переходным посадкам L0/k6. Наружные - с зазором H7/l0. 1.4.3 Отклонения и допуски формы расположения поверхностей Точность деталей характеризуется не только отклонениями размеров, но и отклонениями геометрической формы и расположения поверхностей. Стандартами установлены следующие виды отклонений от формы: отклонения от: прямолинейности ; плоскостности ; круглости О; цилиндричности / /; профиля продольного сечения . Отклонения расположения поверхностей и частей деталей: отклонения от: параллельности // ; перпендикулярности ⊥; наклона ; соосности ; симметричности ; пересечения осей . А также суммарные отклонения формы и расположения: радиальное торцевое биение ; полное радиальное и торцевое биение ; отклонение от формы заданного профиля ; отклонение от формы заданной поверхности .
Для записи отклонений на чертежах используют выносную прямоугольную рамку, разделенную на две или три части. В первой (слева) части записывают знак отклонения, во второй - числовое значение в мм, а в третьей - буквенное обозначение базы или другой поверхности. Базы обозначают прописной буквой или зачерченным треугольником. Направление линии измерения отклонений указывается отрезком линии со стрелкой, например 0,1 А 1.4.4 Шероховатость поверхности Характеризует шероховатость поверхности по величине выступов и впадин с относительно малыми шагами образующих рельеф поверхности в пределах определенной базовой длины - l (Рисунок 1.9). Для количественной оценки шероховатости установлен комплекс параметров по ГОСТ 2789-73. Базовая длина l - длина участка поверхности, выбираемого для измерения шероховатости в зависимости от эксплуатационных требований, предъявляемых к данной поверхности: l = 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25.
Рисунок 1.9 Средняя линия профиля - m - называется базовой линией, имеет форму номинального профиля поверхности, и делит профиль таким образом, чтобы в пределах базовой длины, площади контуров профиля, расположенные по обеим сторонам от этой линии, были равны между собой (Рисунок 1.9). Rа - среднее арифметическое отклонение точек профиля от средней линии в пределах базовой длины
n
Rа = (1/n) Σ hi = (1/n) (h1 + h2 + ... + hn). i=1
Rz - высота неровностей профиля - среднее значение абсолютных высот пяти наивысших выступов hi max и глубины пяти наибольших впадин hi min профиля в пределах базовой длины 5
5
Rz = (1/5) [(Σ hi max) + (Σ hi min)]. i=1
i=1
Rmax - наибольшая высота неровностей профиля, расстояние между наивысшей точкой выступов и наинизшей точкой впадин профиля в пределах базовой длины. Обозначение шероховатости поверхности на чертежах. Шероховатость поверхностей деталей указывается числовым значением параметров над одним из следующих знаков:
,
,
.
Знаком - обозначают поверхности, вид обработки которой конструктором не предопределяется (основной знак). Знаком - обозначают шероховатость поверхности, если слой материала необходимо удалить (точение, фрезерование, травление). Знаком - обозначают поверхности без удаления слоя материала (литье, ковка, волочение). С основным знаком проставляются следующие параметры (Рисунок 1.10): 1 - параметры шероховатости Rz или Ra; 2 - вид обработки; 3 - базовая длина; 4 - условное обозначение направления неровностей.
Рисунок 1.10 При выполнении рабочих чертежей обязательным является простановка допусков и чистоты обработки отдельных поверхностей. Выбор параметров для нормирования шероховатости следует производить с учетом назначения и эксплуатационных свойств поверхности. Ориентировочно шероховатость поверхности можно назначить согласно таблице 1.2.
Таблица 1.2 деталей Шероховатость ГОСТ 2789-73
Примеры назначения шероховатости поверхностей Базовая длина, мм
Rz
80
8,0
Rz
40
2,5
после (Н8, h9) Rz
20
2,5
Rа 2,5 соедиВалы в тру(h9, h11). подшипники Rа 1,25 Rа Rа
Нерабочие поверхности деталей не выше 12 квалитета точности (Н12, h13) Точно прилегающие поверхности. Нетрущиеся отверстия черновой развертки
0,8
0,8
0,63
0,8
0,32
0,25
Характеристика поверхности
Отверстия в трущихся соединениях (Н10). Боковые поверхности зубьев колес. Отверстия в трущихся нениях (Н7, Н8). щихся соединениях Отверстия под качения. Валы в трущихся соединениях (h6, h8). Валы под подшипники качения (h7). То же для более ответственных деталей. Валы под подшипники качения (h6). Весьма ответственные трущиеся поверхности валов и других охватываемых деталей.
1.5. Механические передачи 1.5.1 Назначение и классификация передач В большинстве случаев параметры режима работы двигателя не совпадают с параметрами режима работы машины, орудия. Согласование этих режимов работы осуществляется с помощью передач. Передачами называются механизмы, служащие для передачи механической энергии и согласования режимов движения между как угодно расположенными валами. Передавая механическую энергию, передачи одновременно могут выполнять следующие функции: 1)Понижать (или повышать) угловые скорости рабочего вала соответственно повышая (или понижая) вращающие моменты. 2) Преобразовывать один вид движения в другой. 3) Реверсировать движение. 4) Распределять работу двигателя между несколькими исполнительными органами. Все механические передачи разделяются на две основные группы: 1) Передачи трением - фрикционные, ременные. 2) Передачи зацеплением - зубчатые, червячные, цепные. В зависимости от способа соединения ведущего и ведомого звеньев бывают: а) передачи непосредственного контакта - фрикционные, зубчатые, червячные; б) передачи гибкой связью - ременные, цепные. 1.5.2 Основные характеристики передач В каждой передаче различают два основных вала - входной или ведущий и выходной или ведомый. Между ними могут располагаться промежуточные валы. Параметры ведущего вала обозначаются индексом 1, ведомого - 2, промежуточного - 3. Особенности каждой передачи и ее применение определяется основными характеристиками (Рисунок 1.11): 1) Мощностью на ведущем - Р1 и ведомом - Р2 валах, Вт; 2) Угловой скоростью ведущего - ω1 и ведомого ω2 валов, 1/с или частотой вращения n1 = 30 ω1/π, n2 = 30ω2/π, об/мин. Это две основные характеристики, необходимые для выполнения проектного расчета любой передачи. Характеристиками передачи также являются: а) механический КПД передачи: η = Р2 / Р1, для многоступенчатых передач: η = η1⋅η2⋅η3⋅...ηn, где η1, η2, η3, ηn - КПД каждой передачи. б) окружная скорость - V ведущего и ведомого звена:
V1 = ω1⋅d1/2⋅1000, м/с, где d1 - диаметр, мм; в) окружная сила в передаче: Ft1 = Ft2 = 2T1/d1 = 2T2/d2, Н, где Т1 - вращающий момент, Н⋅мм; г) вращающий момент: Т = P/ω, Н⋅мм.
Рисунок 1.11 Вращающий момент ведущего вала является моментом движущих сил, его направление совпадает с направлением вращения вала. Момент на ведомом валу - Т2 является моментом сил сопротивления движению, его направление противоположно направлению вращения вала. Направление окружных сил Ft1 и Ft2 взаимно противоположно. Связь между вращающими моментами: Т2 = Т1 ⋅ i 1,2 . η1,2; д) передаточное отношение - i1,2- отношение угловых скоростей ведущего вала к ведомому, взятое с алгебраическим знаком: i1,2 = ± ω1/ω2. Знак «+» указывает на направление вращения ведомого колеса относительно ведущего : «+» - для внутреннего зацепления; «-» - для внешнего зацепления; е) передаточное число - u1,2, отношение чисел зубьев ведомого колеса к ведущему (или диаметров): u1,2 = z2/z1 = d2/d1.
1.5.3 Зубчатые передачи
Зубчатые передачи широко применяются в различных отраслях машиностроения и приборостроения. Достоинства: компактность, высокий КПД, большая долговечность и надежность в работе, постоянство передаточного числа, возможность применения в широком диапазоне мощностей, небольшая нагрузка на валы, простота в обслуживании и др. Недостатки: шум при работе с большими скоростями, высокие требования к точности изготовления и монтажа, невозможность осуществления бесступенчатого изменения передаточного числа и др. Классификация зубчатых передач. К зубчатым передачам относятся: а) цилиндрические прямозубые передачи; о б) цилиндрические косозубые передачи β = (8...25) ; в) шевронные передачи, т.е. сдвоенные косозубые колеса с o противоположным наклоном зубьев β = (25...40) ; г) цилиндрические передачи с внутренним зацеплением; д) реечные передачи; е) конические передачи с пересекающимися осями валов. Зубья колес получают нарезанием по двум основным способам: 1) Способы, при которых копируется форма профиля инструмента - это нарезание зубьев специальными дисковыми или пальцевыми модульными фрезами. 2) Способы, при которых используется метод обкатки инструмента относительно заготовки (нарезание долбяками, гребенками, червячными фрезами). Режущий инструмент профилируется на основе исходного контура (инструментальной рейки). При изготовлении зубчатых колес неизбежны погрешности: отклонение вала, биение колес и др. Все эти погрешности приводят к повышенному шуму во время работы и преждевременному разрушению. Точность зубчатых передач регламентируется стандартами, в которых 12 степеней точности, расположенных в порядке убывания точности. Наибольшие распространения в общем машиностроении имеют 6, 7, 8 и 9 степени точности: 6-я степень точности соответствует скоростным высокоточным передачам (изготавливают червячными фрезами или зубодолблением); 7-я - точным передачам; 8-я передачам средней точности (дисковыми или пальцевыми фрезами); 9-я тихоходным передачам пониженной точности (литье или штамповка). Во избежание заклинивания зубьев в зацеплении должен быть гарантированный боковой зазор. Стандартом предусмотрено 6 видов сопряжения: Н - нулевой зазор; Е - малый зазор; С, Д - уменьшенный зазор; А увеличенный зазор. Стандарт устанавливает допуски на межосевые расстояния, перекос валов и другие параметры.
1.5.4 Условия работы, повреждения и критерии расчета зубчатых передач В процессе зацепления на зуб действует нагрузка, передаваемая зацеплением, действуют и силы трения. Циклическое изменение напряжений от сил зацепления может быть причиной поломки зубьев и усталостного выкрошивания их поверхностей, а трение в зацеплении вызывает износ и заедание зубьев. Поломка зубьев. Является следствием возникновения больших изгибных напряжений у основания зуба от силы Ft. Усталостные трещины образуются на той стороне зуба, где от изгиба возникают большие напряжения растяжения. Усталостную поломку предупреждают расчетом на прочность по напряжениям изгиба. Усталостное выкрошивание рабочих поверхностей зубьев является основным видом разрушения зубьев закрытых передач. Выкрошивание рабочих поверхностей происходит под действием силы нормального давления Fn, которая вызывает появление значительных поверхностных или контактных напряжений. Эти напряжения - причина появления микроскопических трещин на поверхности зуба. В эти трещины под давлением попадает масло, что является причиной дальнейшего развития трещин и выкрошивания частиц поверхности, которое прогрессивно возрастает. Усталостное выкрошивание зубьев предупреждают расчетом на прочность по контактным напряжениям. В открытых передачах выкрошивания не наблюдается, т.к. процесс износа поверхности зубьев опережает процесс развития усталостных трещин. Износ зубьев является основным видом разрушения зубьев открытых передач. Появляется вследствие попадания на рабочие поверхности зубьев абразивных частиц, пыли, грязи. Износ можно уменьшить защитой зубчатых передач от попадания пыли, периодической чисткой передач, повышением твердости и уменьшением шероховатости рабочей поверхности зубьев. Заедание зубьев - процесс наслоения металла на рабочей поверхности. Под действием трения и тепла более мягкий зуб колеса как бы намазывается на более твердый зуб шестерни. Появляются так называемые задиры, которые способствуют износу.Заедание зубьев предупреждают выбором соответствующих материалов и термической обработки, повышением твердости и класса чистоты рабочей поверхности зуба. 1.5.5 Материалы и обработка зубчатых колес Основным материалом для зубчатых колес служат термически обрабатываемые стали. В зависимости от твердости стальные зубчатые колеса делятся на две группы. Первая группа - колеса с твердостью ≤ НВ 350. Относятся к пластичным материалам с большой вязкостью. Применяются в мало- или средненагруженных передачах.
Благодаря невысокой твердости зубья нарезаются после термообработки. Такие зубчатые колеса не требуется дополнительно шлифовать и доводить. Дешевы и проще в изготовлении. Материалами служат среднеуглеродистые стали 35...50 ГОСТ 1050-88 из конструкционных 40Х, 40ХН, 45ХН, 50Х ГОСТ 4543-71. Термообработка (ТО) - улучшение - т.е. закалка с высоким отпуском. Для колес большого диаметра применяется нормализация. Колеса хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению. Для равномерного износа зубьев и лучшей их прирабатываемости твердость шестерни должна быть на (25...50) НВ больше твердости колеса НВ1 ≥ НВ2 + (25...50). Вторая группа - колеса с твердостью > НВ 350. Применяются в тяжелонагруженных передачах. Высокая твердость достигается объемной или поверхностной закалкой, цементацией, азотированием, цианированием. Зубья нарезаются до упрочняющей обработки, после упрочняющей обработки, зубья деформируются. Поэтому обязательно дополнительное шлифование или притирка. Изготовление дороже и сложнее. Но обладают большей нагрузочной способностью при меньших габаритах. При цементации используются стали 15, 20, 15Х, 20Х с последующей поверхностной закалкой. Объемная закалка с низкотемпературным отпуском применяется для среднеуглеродистых сталей: 35, 40 ГОСТ 1050-88. В передачах общего назначения (редукторы) экономически целесообразно применять колеса с твердостью ≤ НВ2 350. В начале назначают материал и термообработку колеса с определенной твердостью НВ2 ≤ 350. Тогда твердость материала шестерни НВ1 ≈ НВ2 + (25...50). 1.5.6 Определение допускаемых напряжений Допускаемые контактные напряжения: [σ]н = (σн lim b/Sн)⋅KHL, σН lim b - предел контактной выносливости материала зубьев при базовом числе циклов переменных напряжений. 2 При НВ < 350, σн lim b = 2 НВ + 70, Н/мм , SН = 1,1 ... 1,2 - коэффициент безопасности, КHL - коэффициент долговечности. Для редукторостроения КHL=1,0. Допускаемые контактные напряжения необходимо найти для обоих колес [σН1] и [σН2]. При расчете прямозубых колес принимается меньшее из двух значений, чаще [σН2]. Для косозубых и конических - среднее. 1,25 [σН2] - косозубые
[σН] = ([σН1] + [σН2]) / 2 ≤
1,15 [σН2] – конические. 2
При твердости > НВ 350; [σН] = 24,1 НRС, Н/мм . Допускаемые напряжения изгиба: [σF] = (σF lim b/SF)⋅KFL⋅KFC , числе σF lim b - предел выносливости материала зубьев при базовом циклов переменных напряжений изгиба. Определяется экспериментально. 2 Ориентировочно σF lim b ≈ 1,8 НВ, Н/мм . SF = 1,7...1,8 - коэффициент безопасности, KFL = 1,0 - коэффициент долговечности (аналогично КHL); KFC - коэффициент, учитывающий реверсивное движение: KFC = 1,0 - нереверсивное; KFC = 0,8...0,7- реверсивное движение. Ориентировочно для редукторов: [σo]F ≤ НВ - нереверсивное движение; [σ-1]F = 0,75 НВ - реверсивное движение.
1.6 Цилиндрические зубчатые передачи Достоинства зубчатой передачи: высокая нагрузочная способность, надежность, долговечность; высокий КПД; постоянство передаточного отношения; малые силы. Недостатки зубчатой передачи: высокие требования к точности изготовления и монтажа; отсутствие компенсации динамических нагрузок; шум при работе с большими скоростями; отсутствие предохранения при перегрузках. Передаваемые мощности зубчатой передачи до 10000 кВт, линейная скорость до 150 м/c; размеры от долей мм до десятков метров. На зубчатые передачи установлены 12 степеней точности по ГОСТ 164381, характеризующие кинематическую точность колес, плавность их работы, пятно контакта и боковой зазор. Выбор степени точности зависит от назначения и условий работы зубчатой передачи. Так для редукторов общего назначения назначают 6...9 степени точности, для металлорежущих станков 5...6; легковых автомобилей - 5...8; грузовых - 7...9. Зубчатая передача, в которой образующие боковых поверхностей зубьев параллельны образующим делительного цилиндра шестерни и колеса, называется прямозубой цилиндрической передачей. Наиболее важным элементом зубчатых колес являются боковые рабочие поверхности зубьев, воспринимающие нагрузки при работе передачи, когда зубья одного колеса входят во впадины другого. 1.6.1 Геометрия прямозубых зубчатых колес (основные параметры Основные параметры зубчатых колес представлены на рисунке 1.12. Окружности, касающиеся друг друга в полюсе зацепления (т. П, рисунок 1.12), имеющие общие с зубчатыми колесами центры и перекатывающиеся одна по другой без скольжения называют начальными: dw. Окружность, на которой шаг Р и угол зацепления αw соответствуют шагу и углу профиля инструментальной рейки называется делительной: d. Для зубчатого зацепления без смещения dw = d.
Рисунок 1.12 Шаг зубьев - расстояние между одноименными профилями двух соседних зубьев, взятое по дуге делительной окружности: Рi= lw + Sw, где lw - длина впадины, Sw - толщина зуба. На делительной окружности толщина зуба Sw равна ширине впадины lw. Длина делительной окружности должна быть такой, чтобы на ней умещалось целое число зубьев z, т.е. откуда di = (z ⋅ Pi)/π = m ⋅ z. πdi = z Р, Линейная величина, в π раз меньшая шага, называется окружным модулем зубчатого зацепления: m - основной параметр зубчатой передачи; согласно ГОСТ 9563-80 m = 1,5...11 мм. Диаметры начальных и делительных окружностей: dw2 = d2 = m ⋅ z2. dw1 = d1 = m ⋅ z1, На делительной окружности толщина зуба Sw равна ширине впадины lw. Межосевое расстояние: dw = (dw1 + dw2)/2 = (d1 + d2)/2, мм. Делительная окружность рассекает зуб по высоте на головку ha и ножку h f: ha = m; hf = 1,25 m. Высота зуба: h = ha + hf = 2,25 m. Радиальный зазор: с = hf - ha = 1,25 m - m = 0,25 m. Диаметры окружностей вершин или выступов: da1 = d1 + 2ha = d1 + 2 m; da2 = d2 + 2ha = d2 + 2 m. Окружности впадин: df1 = d1 - 2hf = d1 - 2,5 m; df2 = d2 - 2hf = d2 - 2,5 m.
Основные окружности: db1 = d1 cos α; o
db2= d2 cos α ,
где α = 20 - угол зацепления - угол, образованный линией зацепления А1А2 и общей касательной, проведенной через полюс зацепления к делительным (начальным) окружностям шестерни и колеса. Линия зацепления А1А2 - это линия, по которой направлена сила давления зуба ведущего колеса на точку боковой поверхности зуба ведомого колеса в процессе зацепления их. В настоящее время широкое распространение получили косозубые передачи, у которых зубья расположены по винтовой линии на делительном цилиндре. В отличие от прямозубой передачи в косозубой зубья входят в зацепление не сразу по всей длине, а постепенно, что значительно снижает шум и динамические нагрузки, повышая нагрузочную способность передачи. Для нарезания косых зубьев используют тот же инструмент, что и прямых. Наклон зуба образуют поворотом инструмента относительно заготовки на угол β - угол наклона зубьев (8° - 15° ). В этой передаче различают нормальный стандартный модуль mn - модуль в нормальном сечении и торцевой (окружной) модуль mt = mn/cos β, который определяют с точностью до 3 знаков. При определении основных параметров косозубой передачи необходимо учесть, что диаметры начальных (делительных) окружностей определяют по формулам: dw1 = d1 = mt ⋅ z1 = mn ⋅ z1/cos β; dw2 = d2 = mt ⋅ z2= mn ⋅ z2/cos β. Остальные геометрические размеры прямозубым.
определяют
аналогично
1.6.2 Силы, действующие в зацеплении Пренебрегают силами трения и считают, что сила нормального давления Fn приложена в полюсе зацепления и направлена по линии зацепления, как общей нормали к рабочим поверхностям зубьев. Эта сила является равнодействующей окружной Ft и радиальной Fr сил (Рисунок 1.13). Σ Мox = 0, т.е. Ft1⋅d1/2 - T1 = 0, откуда Ft1 = Ft2 = 2T1/d1 = 2T2/d2; Fr1 = Fr2 = Ft ⋅ tg α ; Fn1 = Fn2 = Ft/cos α.
Недостатком косозубых колес является наличие осевой силы Fа в зацеплении. Прочность зуба определяют его размеры и форма в нормальном сечении, причем форму косого зуба в нормальном сечении принято определять через параметры приведенного (эквивалентного) прямозубого колеса, диаметр которого: dv = mn ⋅ zv, (Рисунок 1.14).
Рисунок 1.13
Рисунок 1.14
3
zv = z/cos β эквивалентное число зубьев приведенного колеса. Окружная сила приведенного колеса: Ftv = Ft/cos β . Силы в косозубом зацеплении: Ft1= Ft2 = 2T1/d1 = 2T2/d2 ; Fa1 = Fa2 = Ft ⋅ tg β; Fr1 = Fr2 = Ftv ⋅ tg α = Ft ⋅ tg α/cos β; Fn1 = Fn2 = Ftv/cos α = Ft/(cos α ⋅ cos β). 1.6.3 Расчет цилиндрических передач на выносливость по контактным напряжениям Основным критерием работоспособности закрытых передач является контактная прочность рабочих поверхностей зубьев. Поэтому основные размеры этих передач определяются из проектного расчета по контактным напряжениям. Цель расчета: предупредить выкрошивание рабочих поверхностей зубьев. При расчете контактных напряжений рассматривают соприкосновение зубьев в полюсе, где происходит их зацепление. Напряжения в высшей кинематической паре распределены по эллиптическому закону аналогично контакту двух цилиндров радиусами ρ1 и ρ2 (Рисунок 1.15).
Рисунок 1.15 σНmax - для цилиндрических поверхностей определяются по формуле Герца-Беляева ___________________ ________ 2 σН = √(q/ρпр)⋅[Eпр/2π (1 - µ )] = 0,418 √q(Eпр/ρпр) , где µ = 0,3 - коэффициент Пуассона для стали. q = (Fn/lК) КН - интенсивность нормальной силы (удельная нагрузка на единицу длины). Сила нормального давления: Fn = Ft/cos α. LК - суммарная длина контактных линий; lК = b ⋅ Кe ⋅ εα , b - длина зуба; Кe - коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей; εα - коэффициент торцевого перекрытия. Епр = (2E1 ⋅ E2)/(E1 + E2) - приведенный модуль упругости, учитывающий материал обоих колес. ρпр = (ρ1 ⋅ ρ2)/(ρ1 ± ρ2) приведенный радиус кривизны. Подставив в формулу Герца выражение, определяющее интенсивность нормальной силы, а также коэффициенты, учитывающие форму сопряженных поверхностей зубьев, коэффициенты учитывающие механические свойства материала и суммарную длину контактных линий для стальных цилиндрических зубчатых колес получим формулу проверочного расчета передач на выносливость по контактным напряжениям: _______________ 3 σН = [C/(aw ⋅ u)] √(T2 ⋅ KН/b) (u ± 1) ≤ [ σН ], где С = 310 - для прямозубых колес, и С = 270 для косозубых колес. КН - коэффициент нагрузки, учитывающий реальные условия работы колес: КН= КНα ⋅ КНβ ⋅ КНv ,
КНα- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между зубьями, зависит от точности изготовления, для прямозубых колес КНα= 1, для косозубых выбирают по таблицам. КНβ - коэффициент неравномерности нагрузки по ширине колеса, зависит от прогиба валов и перекоса зубчатых колес; КНβ = 1,05 - 2,5 из таблиц или графиков; КНv- коэффициент динамической нагрузки, выбирают из таблиц в зависимости от окружной скорости, точности изготовления и твердости колес: КНv= 1,02 ÷ 1,32. Для предварительных расчетов принимают КН = 1,2...1,5. Величина расчетных контактных напряжений одинакова для шестерни и колеса. Расчет выполняется для того из колес, у которого меньше допускаемое напряжение [σ]Н (в большинстве случаев для колеса) [ σ]Н2 = (σН lim b/SН) ⋅ KНL , KНL - коэффициент долговечности = 1 для общего редукторостроения; SН - коэффициент безопасности = 1,1...1,2; σН lim b= 2 НВ + 70 - предел контактной выносливости при базовом числе циклов. При проектном расчете необходимо определить размеры передачи - aw. Исключим из формулы линейный параметр b . Обозначим b/aw = ψba - коэффициент ширины колеса относительно межосевого расстояния, для редукторов ψba = 0,2...0,4, тогда b = aw ψba, возведем в квадрат вышеприведенное неравенство 3
2
[C/(aw ⋅ u)]2 (T2 ⋅ KН/aw ⋅ ψba) (u ± 1) ≤ [ σН ] , отсюда межосевое расстояние aw равно: 3 ________________________ 2 aw ≥ (u ± 1) √[C/(u ⋅ [σ]Н)] (T2 ⋅ KН/ψba ), мм - формула для проектного расчета цилиндрических передач на выносливость по контактным напряжениям. Величина aw уточняется по ГОСТ 2185-66. Знак «+» для внешнего зацепления, «-» для внутреннего. Основной параметр m - для зубчатых колес выбирается: m = (0,01...0,02) ⋅ aw, мм и уточняется по ГОСТ 9563-80, для редукторов m ≥ 2...1,5 мм. Суммарное число зубьев колес: zΣ = 2 aw. соs β/mn; число зубьев шестерни: z1 = zΣ/(u + 1), число зубьев колеса: z2 = zΣ - z1; zΣ < 200.
1.6.4 Расчет цилиндрических передач на выносливость по напряжениям изгиба Если расчет зубчатых закрытых передач на контактную прочность выполняется как проектный, то расчет на выносливость зубьев по напряжениям изгиба выполняется как проверочный. Для открытых зубчатых передач расчет зубьев на изгиб является основным. Цель - предотвращение усталостных поломок зубьев. 1) Примем, что в зацеплении находится одна пара зубьев. 2) Сила нормального давления приложена к вершине зуба. 3) Силами трения пренебрегают, т.к. они малы. В этом случае зуб можно представить как балку, защемленную по дуге АВ. От силы Ft волокна в точке В растягиваются. В точке А - сжимаются. От силы Fr - волокна во всех точках сжимаются (Рисунок 1.16). Усталостные трещины возникают на растянутой стороне - у точки В. Зубья рассчитываются по результирующему напряжению σF, возникающему на рабочей грани зуба, и равному разности между изгибающим и сжимающим напряжениям: σF = σиз - σсж ≤ [ σF ]. Напряжения изгиба: 2 σиз = Миз/W = (Ft ⋅ h)/W = (2T2/d2) ⋅ (6/bS ), 2
где Ft = 2T2/dw2 ; W =bS /6. Напряжения сжатия можно не учитывать, σcж