14 мая, группа № 11″Тракторист-машинист сельскохозяйственного производства», 2 урока, предмет- Техническая механика.

Тема урока: "Детали и сборочные единицы общего и специального назначения. Классификация деталей общего назначения."

2.2. Классификация деталей машин

2.2.1. Соединение деталей машин

Для выполнения своих функций детали машин соответствующим образом соединяются между собой. При этом детали образуют подвижные (различного рода шарниры, подшипники, зацепления и др.) и неподвижные (болтовые, сварные, шпоночные и др.) соединения. Наличие подвижных соединений в машине обеспечивает относительное перемещение деталей, предусмотренное её кинематической схемой, таким образом, взаимное положение между соединяемыми деталями может изменяться во время работы. При неподвижных соединениях взаимное расположение соединяемых деталей и узлов остается неизменным. Неподвижные соединения позволяют расчленить машину на узлы и детали для того, чтобы упростить производство, облегчить сборку, ремонт, транспортировку и т.п.

Детали соединений образуют наиболее распространенную группу деталей машин; работоспособностью соединений, как показывает практика, определяется надежность конструкции в целом. В машиностроении термин "соединение" принято относить только к неподвижным соединениям деталей машин.

По форме сопрягаемых поверхностей различают плоское, цилиндрическое, коническое, сферическое, винтовое соединения.

Соединения по признаку возможности разборки делят на разъемные и неразъемные.

2.2.1.1. Разъемные соединения разбираются без разрушения деталей. К этому типу относятся резьбовые, шпоночные, штифтовые, зубчатые (шлицевые) и др. соединения.

Рис.1. Резьбовые соединения

Резьбовыми называют такие соединения (рисунок 1), в которых сопряженные детали соединяются с помощью резьбы или резьбовых крепежных деталей (болты, обычные и специальные гайки, винты, шпильки и др.)

Болт 1 представляет собой стержень с резьбой для гайки на одном конце и головкой на другом (рисунок 1, а). За головку болт вращают или, наоборот, удерживают от вращения при соединении деталей. Между гайкой 2 и соединяемыми деталями, как показано на рисунке 1, ставят шайбу 3.

Шайба – диск с отверстием, подкладывается под гайку или, головку болта для увеличения опорной поверхности. Это позволяет предотвратить повреждение детали вращающейся гайкой.

Винт 4 – это стержень обычно с головкой на одном конце и резьбой на другом конце, которым он ввинчивается в резьбовое отверстие одной из соединяемых деталей (рисунок 1, б).

Шпилька 5 представляет собой стержень, имеющий резьбу с обоих концов. При соединении шпилькой её ввёртывают в одну из скрепляемых деталей, а на другой конец шпильки навинчивают гайку (рисунок 1, в).

Гайка 2 – это деталь с резьбовым отверстием, навинчиваемая на болт (рисунок 1, а) или на шпильку (рисунок 1, в) и служащая для замыкания скрепляемых с помощью болта или шпильки деталей соединения.

Соединение болтом применяют для деталей сравнительно малой толщины, а также при многократной разборке и сборке соединений. Возможны варианты установки болтов с зазором (рисунок 1, а) и без зазора (рисунок 1, г) между болтом и соединяемыми деталями. При большой толщине соединяемых деталей предпочтительны соединения с помощью шпилек. Из всех видов соединений, применяемых в машиностроении, резьбовые – самые распространенные. До 60% деталей имеют резьбу, так как они наиболее надежны и удобны для сборки и разборки, имеют небольшие габариты и возможность фиксированного зажима в любом положении, просты в изготовлении.

В нашей стране и за рубежом существуют стандарты на наиболее распространенные виды резьбовых крепежных деталей.

Шпоночным называют соединение зацеплением с помощью шпонки двух соосных цилиндрических (конических) деталей (рисунок 2, 3, 4). Шпонкой 1 называют деталь в виде призматического (рисунок 2, б, в), круглого (рисунок 2, г) или клинового (рисунок 3) стержня, устанавливаемого в пазах вала и ступицы и препятствующего относительному повороту или сдвигу этих деталей. Шпонки преимущественно применяют для взаимного соединения и передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот.

Рис.2. Шпоночные соединения

Шпоночные соединения делятся на две группы: ненапряженные и напряженные. Ненапряженные соединения осуществляются призматическими и сегментными шпонками (рисунок 2, б, в), которые не вызывают деформации ступицы и вала при сборке. Напряженные соединения осуществляются клиновыми (рисунок 3) и круглыми шпонками (штифтами рисунок 2, г), устанавливаемыми с натягом и вызывающими деформацию вала и ступицы при сборке. Применяют также штифты для точной ориентации одной детали относительно другой (рисунок 4).

Шпонки этих типов регламентированы, их размеры выбирают по стандартам.

Рис.3. Клиновые шпонки Рис.4. Штифты

Достоинства этих соединений состоят в простоте конструкции, невысокой стоимости изготовления, удобстве сборки и разборки. Однако канавки для шпонок существенно снижают прочность вала, так как создают значительную концентрацию напряжений.

Зубчатое (шлицевое) соединение условно можно рассматривать как многошпоночное, у которого шпонки, называемые шлицами (зубьями), выполнены как одно целое с валом 1 и они входят в соответствующие пазы ступицы 2 детали (рисунок 5, а). В шлицевом соединении профиль сечения зубьев имеет прямоугольную, эвольвентную или треугольную форму (рисунок 5, б). Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными имеют некоторые преимущества: возможность передачи больших вращающих моментов в связи с большей поверхностью контакта соединяемых деталей, лучшее центрирование ступицы на валу, удобство сборки и разборки, большая усталостная прочность вала.

Недостаток шлицевых соединений – высокая трудоемкость и стоимость их изготовления.

Все размеры зубчатых (шлицевых) соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Рис.5. Шлицевые соединения

2.2.1.2. Неразъемные соединения – это соединения, при разборке которых элементы, связывающие их, разрушаются, и тем самым становятся непригодны для дальнейшей работы. К соединениям такого типа относятся: заклепочные, сварные, прессовые, клеевые и др.

Заклёпки представляют собой сплошной или полый цилиндрический стержень (рисунок 6). Заклепочные соединения образуются постановкой заклепок в совмещенные отверстия соединяемых деталей и последующей расклепкой их. Геометрические размеры заклепок стандартизованы. Основные типы заклепок, различаемых по форме головок, изображены на рисунке 6; а – с полукруглой головкой; б – с потайной; в – с полупотайной; г – трубчатая.

Рис.6. Типы заклепок

Заклёпочные соединения применяют для изделий из листового, полосового материала или профильного проката при небольшой толщине соединяемых деталей; для скрепления деталей из разных материалов; деталей из материалов, не допускающих нагрева или несвариваемых; в конструкциях, работающих в условиях ударных или вибрационных нагрузок (авиация, водный транспорт, металлоконструкции мостов и т.д.). Заклёпочные соединения вытесняются более экономичными и технологичными сварными и клеевыми соединениями, так как отверстия под заклёпки ослабляют сечения деталей на 10 – 20%, а трудоёмкость изготовления и масса клёпаной конструкции обычно больше.

Заклёпки изготавливают из низкоуглеродистых сталей, цветных металлов или их сплавов. При выборе материалов желательно, чтобы коэффициенты линейного расширения заклёпок и соединяемых деталей были примерно равными.

Сварные соединения – это неразъемные соединения (рисунок 7, а), основанные на использовании сил молекулярного сцепления между частями свариваемых деталей при их нагревании или пластическом деформировании. Сварные соединения являются наиболее совершенными неразъемными соединениями, так как лучше других приближают составные детали к целым и позволяют изготовлять детали неограниченных размеров. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла. Освоена сварка всех конструкционных сталей, цветных сплавов и пластмасс. Замена клепаных конструкций сварными уменьшает их массу до 25%, а замена литых конструкций сварными экономит до 30% и более металла. Высокая производительность сварочного процесса и хорошее качество соединений обеспечили широкое распространение сварки в технике. Основные недостатки: наличие остаточных напряжений из-за неоднородности нагрева и охлаждения; возможность коробления деталей при сваривании; возможность существования скрытых (невидимых) дефектов (трещин, непроваров), снижающих прочность соединений.

В зависимости от расположения соединяемых частей различают следующие виды сварных соединений: угловые (рисунок 7, б), тавровые (рисунок 7, в), стыковые (рисунок 7, г), нахлесточные (рисунок 7, д).

Условные изображения и обозначения швов сварных соединений стандартизованы.

Рис.7. Сварные соединения

2.2.2. Передачи вращательного движения

Механические устройства, применяемые для передачи энергии от её источника к потребителю на расстояние, обычно, с изменением угловой скорости или вида движения, называют механическими передачами. В технике наиболее распространено вращательное движение, поэтому передачи для преобразования этого движения применяются весьма широко. Преобразование скорости вращательного движения сопровождается изменением вращающего момента.

Применение передач связано с тем, что стандартные двигатели с целью снижения массы, габаритов и стоимости выполняют быстроходными с узким диапазоном регулирования скорости, а исполнительные органы должны иметь малые скорости, причем часто требуется разветвление потоков энергии и одновременная передача движения с различными параметрами к нескольким исполнительным органам.

Кроме основной функции передачи движения, они обеспечивают:

- согласование угловых скоростей исполнительных органов машины и двигателя;

- регулирование и реверсирование (изменение направления) скорости исполнительного органа машины при постоянной угловой скорости двигателя;

- преобразование вращательного движения двигателя в поступательное или другое движение исполнительного органа;

- приведение в движение нескольких исполнительных органов (с различными скоростями движения) от одного двигателя.

Механические передачи по физическим условиям передачи движения различают:

передачи на основе зацепления (зубчатые, рисунок 8, б; червячные, рисунок 8, в; цепные, рисунок 8, д; винт-гайка, рисунок 8, е; зубчато-ременные, рисунок 12, е);

передачи трением, передающие энергию за счет трения, вызываемого прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи, рисунок 8, а) или начальным натяжением ремня (ременные передачи, рисунок 8, г).

Рис.8. Механические передачи

В зубчатых передачах усилие от одного элемента сцепляющейся пары к другому передается посредством зубьев, последовательно вступающих в зацепление. Зубчатая передача состоит из двух колес или колеса и рейки с зубьями. Зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называют шестерней, с большим числом зубьев – колесом (рисунок 8, б). Термин “зубчатое колесо” является общим.

Зубчатые передачи (рисунок 9) можно классифицировать по многим признакам, например: по расположению осей валов (с параллельными, пересекающимися, скрещивающимися осями, соосные); по условиям работы (закрытые – работающие в масляной ванне и открытые – работающие всухую или смазываемые периодически); по числу ступеней (одноступенчатые, многоступенчатые); по взаимному расположению колес (с внешним и внутренним зацеплением); по изменению частоты вращения валов (понижающие – редукторы, повышающие – мультипликаторы); по форме поверхности, на которой нарезаны зубья (цилиндрические, конические); по окружной скорости колес (тихоходные – при скорости до 3 м/с, среднескоростные – при скорости до 15 м/с, быстроходные - при скорости выше 15 м/с); по расположению зубьев относительно образующей колеса (прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейными зубьями); по форме профиля зуба (эвольвентные, круговые, циклоидальные); по характеру движения валов (неподвижные и подвижные оси – планетарные передачи).

Для преобразования вращательного движения в поступательное служат: передача винт-гайка и разновидность зубчатой – реечная передача (рисунок 9, д). Рейка представляет собой колесо бесконечно большого диаметра.

Рис.9. Зубчатые передачи

Открытые зубчатые передачи применяются редко, только в закрытых, относительно чистых помещениях, или же при небольших скоростях. Наибольшее распространение нашли зубчатые передачи, закрытые в корпусе – редукторы (сравните англ. reduce – уменьшать, сокращать); т.е. понизители скорости.

Основными преимуществами зубчатых передач в сравнении с другими видами механических передач являются: малые габариты, высокий кпд, большая долговечность и надежность, постоянство передаточного отношения, возможность применения в широком диапазоне скоростей, моментов, мощностей.

Недостатки: повышенные требования к точности изготовления и монтажа, шум при больших скоростях.

Планетарной называется передача, имеющая колеса с перемещающимися геометрическими осями. Простейшая планетарная зубчатая передача (рисунок 10) состоит из центрального вращающегося колеса 1 с неподвижной геометрической осью; сателлитов 2, оси которых перемещаются; неподвижного колеса 3 с внутренними зубьями; вращающегося водила 4, на котором установлены сателлиты.

Рис.10. Планетарная передача

Ведущим в планетарной передаче может быть либо центральное колесо, либо водило.

Достоинства: малая масса и габариты конструкции, возможность получения больших передаточных чисел (до 1000 и более), а также способность распределять мощность на несколько потоков. Недостатки: повышенные требования к точности изготовления и сборки конструкции, а также сравнительно низкий к.п.д. Планетарные передачи широко применяют в машиностроении и приборостроении.

Червячная передача относится к зубчато-винтовым передачам (рисунок 11). Винтом является червяк, а зубчатым колесом – червячное колесо. Преимущество червячной передачи перед винтовой зубчатой проявляется в том, что начальный контакт звеньев происходит по линии, а не в точке. Червячная передача относится к передачам с перекрещивающимися осями валов. Угол перекрещивания обычно равен 90°. Зубья червячного колеса имеют дуговую форму. Это способствует большему охвату червяка и увеличению, соответственно, линии контакта.

Различают два основных типа червячных передач: цилиндрические червячные передачи (цилиндрический червяк) (рисунок 11, а) и глобоидные червячные передачи (глобоидный червяк) (рисунок 11, б).

Рис.11. Червячные передачи

Глобоидный червяк имеет большую поверхность контакта с зубьями червячного колеса, т.к. число зубьев колеса и витков червяка, находящихся в зацеплении, больше по сравнению с цилиндрическим червяком, то и несущая способность ее значительно выше (в 1,5… 4 раза). Однако глобоидные червячные передачи требуют повышенной точности изготовления и монтажа.

Ведущим звеном червячной передачи в большинстве случаев является червяк, ведомым – червячное колесо.

Червячные передачи широко применяют в приборостроении, подъемно-транспортном оборудовании, транспортных машинах, также в металлорежущих станках.

К основным преимуществам червячных передач можно отнести: компактность конструкции, бесшумность и плавность работы, возможность получения очень большого передаточного числа в одной сцепляющейся паре (до 1000).

К недостаткам большинства червячных передач относится: повышенная стоимость, большие потери на трение и соответственно низкий кпд, необходимость использования дорогостоящих антифрикционных цветных металлов.

Цепной называют передачу зацеплением с помощью цепи. На ведущем и ведомом валах передачи устанавливаются звездочки (рисунок 8, д), которые огибаются гибкой связью – цепью.