Основы расчета деталей машин

Тема 4

Основы расчета деталей машин

План лекции

• Особенности проектирования изделий общемеханического назначения, классификация изделий по видам, конструкторские и технологические требования к изделиям, методы проектирования, стадии разработки. Основные принципы инженерных расчетов,. Технические измерения, допуски и посадки в машиностроении. Типовые сопряжения деталей. Соединения вал-втулка .

• Определим базовые понятия в самом начале работы для систематизации учебного материала и во избежание двусмысленного толкования.
• Расположим понятия по степени сложности.
• ДЕТАЛЬ – ( франц. detail – кусочек ) – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций (ГОСТ 2.101-68).

• ЗВЕНО – группа деталей, образующая подвижную или неподвижную относительно друг друга механическую систему тел.
• СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА – изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (ГОСТ 2.101-68).
• УЗЕЛ – законченная сборочная единица, состоящая из деталей общего функционального назначения.

• МЕХАНИЗМ – система деталей, предназначенная для передачи и преобразования движения.
• АППАРАТ – прибор, техническое устройство, приспособление, обычно некая автономно-функциональная часть более сложной системы.
• АГРЕГАТ – унифицированный функциональный узел, обладающий полной взаимозаменяемостью.
• МАШИНА – система деталей, совершающая механическое движение для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения труда. Машина характерна наличием источника энергии и требует присутствия оператора для своего управления..

• , работающая по заданной программе без оператора.

• РОБОТ – ( чешск. robot – работник ) машина, имеющая АВТОМАТ – ( греч. "аутомотос" – самодвижущийся ) машина систему управления, позволяющую ей самостоятельно принимать исполнительские решения в заданном диапазоне

Процесс разработки машин имеет сложную, разветвлённую неоднозначную структуру и обычно называется широким термином ПРОЕКТИРОВАНИЕ – создание прообраза объекта, представляющего в общих чертах его основные параметры. Под КОНСТРУИРОВАНИЕМ некоторые авторы понимают весь процесс от идеи до изготовления машин, некоторые – лишь завершающую стадию его подготовки. Но в любом случае цель и конечный результат конструирования – создание рабочей документации , по которой можно без участия разработчика изготавливать, эксплуатировать, контролировать и ремонтировать изделие .

.

• Здесь также требуется дать базовые понятия:

• ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ – документ, составляемый совместно заказчиком и разработчиком, содержащий общее представление о назначении, технических характеристиках и принципиальном устройстве будущего изделия.
• ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ – дополнительные или уточнённые требования к изделию, которые не могли быть указаны в техническом задании (ГОСТ 2.118-73).
• ТВОРЧЕСТВО – специфическая материальная или духовная деятельность, порождающая нечто новое или новую комбинацию известного.

• И ЗОБРЕТЕНИЕ – новое решение технической задачи, дающее положительный результат.

• ЭСКИЗИРОВАНИЕ – процесс создания эскиза ( франц. es quisse – из размышлений ), предварительного рисунка или наброска, фиксирующего замысел и содержащего основные очертания создаваемого объекта.
• КОМПОНОВКА – расположение основных деталей, узлов, сборочных единиц будущего объекта.

• РАСЧЁТ – численное определение усилий, напряжений и деформаций в деталях, установление условий их нормальной работы; выполняется по мере необходимости на каждом этапе конструирования.

• ЧЕРТЁЖ – точное графическое изображение объекта, содержащее полную информацию об его форме, размерах и основных технических условиях изготовления.
• ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА – текстовый документ (ГОСТ 2.102-68), содержащий описание устройства и принципа действия изделия, а также технические характеристики, экономическое обоснование, расчёты, указания по подготовке изделия к эксплуатации.
• СПЕЦИФИКАЦИЯ – текстовый табличный документ, определяющий состав изделия .

• ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ – первый этап проектирования (ГОСТ 2.119-73), когда устанавливаются принципиальные конструктивные и схемные решения, дающие общие представления об устройстве и работе изделия.
• ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ – заключительный этап проектирования (ГОСТ 2.120-73), когда выявляются окончательные технические решения, дающие полное представление об изделии.
• РАБОЧИЙ ПРОЕКТ – полный комплект рабочей документации (текстовой и графической ГОСТ 2.102-68; 2.106-68), в которой содержится полная информация о конструкции, изготовлении, эксплуатации и ремонте машины.

• ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ МАШИН

• Машины, как и другие изделия, изготавливаются только по проекту, который, в любом случае , является совокупностью графических и текстовых документов. Правила и порядок разработки, оформления и обращения этих документов устанавливается комплексом стандартов – Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), разработанной в 70-е годы XX в [15].
• Проектирование машин выполняют в несколько стадий, установленных ГОСТ 2.103-68. Для единичного производства это:
• Разработка технического предложения по ГОСТ 2.118-73.
• Разработка эскизного проекта по ГОСТ 2.119-73.
• Разработка технического проекта по ГОСТ 2.120-73.
• Разработка документации для изготовления изделия.
• Корректировка документации по результатам изготовления и испытания изделия.

• Стадии проектирования при серийном производстве те же, но только корректировку документации приходится повторять несколько раз: сначала для опытного экземпляра, затем для опытной партии, затем по результатам изготовления и испытаний первой промышленной партии.
• В любом случае, приступая к каждому этапу конструирования, как и вообще к любой работе, необходимо чётко обозначить три позиции:
• Исходные данные – любые объекты и информация, относящиеся к делу ("что мы имеем?").

• Цель – ожидаемые результаты, величины, документы, объекты ("что мы хотим получить?").
• Средства достижения цели – методики проектирования, расчётные формулы, инструментальные средства, источники энергии и информации, конструкторские навыки, опыт ("что и как делать?").
• Деятельность конструктора-проектировщика обретает смысл только при наличии заказчика – лица или организации, нуждающихся в изделии и финансирующих разработку.

• Теоретически заказчик должен составить и выдать разработчику Техническое Задание – документ, в котором грамотно и чётко обозначены все технические, эксплуатационные и экономические параметры будущего изделия. Но, к счастью, этого не происходит, поскольку заказчик поглощён своими ведомственными задачами, а, главное, не имеет достаточных навыков проектирования. Таким образом, инженер не остаётся без работы.

• Работа начинается с того, что заказчик и исполнитель совместно составляют (и подписывают) Техническое Задание. При этом исполнитель должен получить максимум информации о потребностях, пожеланиях, технических и финансовых возможностях заказчика, обязательных, предпочтительных и желательных свойствах будущего изделия, особенностях его эксплуатации, условиях ремонта, возможном рынке сбыта.
• Тщательный анализ этой информации позволит проектировщику правильно выстроить логическую цепочку "Задание – Цель – Средства" и максимально эффективно выполнить проек т.

• Разработка Технического Предложения начинается с изучения Технического Задания. Выясняются назначение, принцип устройства и способы соединения основных сборочных единиц и деталей. Всё это сопровождается анализом научно-технической информации об аналогичных конструкциях. Выполняются кинематический расчёт, проектировочные расчёты на прочность, жёсткость, износостойкость и по критериям работоспособности. Из каталогов предварительно выбираются все стандартные изделия – подшипники, муфты и т.п. Выполняются первые эскизы, которые постепенно уточняются. Необходимо стремиться к максимальной компактности расположения и удобства монтажа-демонтажа деталей .

• На стадии Эскизного Проекта выполняются уточнённые и проверочные расчёты деталей, чертежи изделия в основных проекциях, прорабатывается конструкция деталей с целью их максимальной технологичности, выбираются сопряжения деталей, прорабатывается возможность сборки-разборки и регулировки узлов, выбирается система смазки и уплотнения. Эскизный проект должен быть рассмотрен и утверждён, после чего он становится основой для Технического Проекта. При необходимости изготавливаются и испытываются макеты изделия.

Технический проект

Технический Проект должен обязательно содержать чертёж общего вида, ведомость технического проекта и пояснительную записку. Чертёж общего вида должен дать сведения о конструкции, взаимодействии основных частей, эксплуатационно-технических характеристиках и принципах работы .

Требования к машинам и критерии их качества

• Степень соответствия требованиям характеризуют критерии качества ( греч. "крит эрион" – узкое место ) – некие конкретные параметры ( греч. "пара мэтрос" – измеряемый ), т.е. измеряемые или вычисляемые величины.
• Однако известно, что полное удовлетворение всех требований – абсолютно невыполнимая задача, поэтому всегда приходится идти на компромисс, обозначая главные требования и обеспечивая соответствующие им критерии качества. Отметим поэтому лишь основные требования к деталям и машинам.

Технологичность , экономичность , работоспособность , надежность

• ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ – изготовление изделия при минимальных затратах труда, времени и средств при полном соответствии своему назначению.
• ЭКОНОМИЧНОСТЬ – минимальная стоимость производства и эксплуатации.
• РАБОТОСПОСОБНОСТЬ – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции.
• НАДЁЖНОСТЬ – свойство объекта сохранять во времени способность к выполнению заданных функций (ГОСТ 27.002-83).

Основные принципы инженерных расчетов

• Чаще всего конструктор имеет дело с расчётами на прочность .
• Различают проектировочные и проверочные расчёты.
• Проектировочный расчёт выполняется, когда по ожидаемым нагрузкам, с учётом свойств материала определяются геометрические параметры деталей.
• Проверочный расчёт выполняют, когда известна вся "геометрия" детали и максимальные нагрузки, а с учётом свойств материала определяются максимальные напряжения, которые должны быть меньше допускаемых.

• Математическая формулировка условия прочности любой детали очень проста:
•   [  ],   [  ] .
• НАПРЯЖЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ ДЕТАЛИ

• ДОЛЖНЫ БЫТЬ МЕНЬШЕ ДОПУСКАЕМЫХ

• Или, говоря техническим языком:
• Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых

Допуски и посадки в машиностроении ( определения )

• Допуск размера – разность между наибольшим и наименьшими предельными размерами, регламентируется ГОСТ.
• Посадкой называется характер сопряжения двух деталей, определяющий большую или меньшую свободу их относительного перемещения, или степень сопротивления их взаимному смещению.

  Посадки неподвижные и подвижные. Посадки, при которых должна быть обеспечена прочность соединения сопряженных деталей, называются неподвижными.

• Посадками для свободного движения, или (кратко) подвижными, называются такие, при которых предусматривается постоянное относительное движение сопряженных деталей во время их работы.

В нашем машиностроении установлен и применяется ряд посадок, которые регламентируются ГОСТ .

Сопряжения деталей машин

• В зависимости от характера взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей деталей различают сопряжения подвижные и неподвижные. Подвижные сопряжения характеризуются взаимными перемещениями сопряженных точек* и поверхностей контакта, обусловленными деформациями деталей и кинематикой узла. Подвижные сопряжения встречаются в конструкциях машин довольно часто, например, в зубчатых (рис.1, а) и винтовых (рис.1, б) передачах, подшипниках качения (рис. 1, в), муфтах (рис.21, г) и др.

Сопряжения деталей машин

Рис.1,а),б) :

Рис.1, в),г) :

Неподвижные сопряжения

• Они тоже широко распространены в узлах машин. Их образуют путем фиксации взаимного положения сопрягаемых деталей также формозапиранием или сцеплением, которую реализуют в узлах различными конструктивными способами .

Соединение вал - втулка

• Муфта – устройство для соединения валов, тяг, труб, канатов и т.п . Они , как правило, воспринимают осевые силы. Ее выполняют

• в виде втулки с резьбой. Муфты для передачи вращающего момента выполняют нерасцепляемой постоянной, компенсирующей или подвижной, а также сцепной.

• Постоянная муфта представляет собой втулку , надетую на концы соединяемых валов , или жестко соединенные детали, закрепленные на концах валов.

Контрольные вопросы

1.Что означают понятия : эскиз, компоновка, чертеж, пояснительная записка ?

2.Содержание технического задания ?

3.Требования к машинам и критерии их качества ?

4.В чем состоят основные принципы инженерных расчетов ?

5.Что понимают под допусками и посадками в машиностроении ?

6.Какие силы воспринимает соединение вал-втулка ?