Курс лекций по Прикладной механике ЛЕКЦИЯ 1 Теория механизмов и машин

«ТЮМЕНСКИЙ государственный НЕФТЕГАЗОВЫЙ университет»

Филиал ТюмГНГУ в г. Нижневартовске

(название подразделения)

Кафедра « Общетехнические дисциплины»

 

Курс лекций по «Прикладной механике»

Для направлений НДб, ЭТМб, УТТб, ХТб

 

 

Нижневартовск 2011г.

 

ЛЕКЦИЯ 1

Краткое содержание

Введение. Цель и задачи курса ТММ. Краткая историческая справка. Основные определения курса ТММ. Машина. Классификация машин. Механизм. Классификация механизмов. Машинный агрегат. Элементы механизма: звено, кинематическая пара, кинематическая цепь. Их классификация.

Цель и задачи курса

Теория механизмов и машин - это наука, изучающая структуру, кинематику и динамику механизмов и машин в связи с их анализом и синтезом.

К основным задачам теории механизмов и машин относятся:

· изучение строения (структуры) механизма;

· определение положений механизмов и траекторий, описываемых отдельными точками;

· определение скоростей и ускорений отдельных точек и звеньев механизма;

· исследование и проектирование различных механизмов: рычажных, зубчатых, кулачковых;

· определение сил, действующих на звенья механизма (внешних, реакций, трения, инерции);

· изучение способов уравновешивания сил инерции в машинах, балансировка роторов;

· изучение энергетического баланса машин (к.п.д. и др.);

· изучение истинного закона движения машин под действием заданных сил и способов регулирования скорости машины.

Краткая историческая справка

1-й период до начала XIX века - период эмпирического машиностроения, в течении которого изобретается большое количество простых машин и механизмов:… 2-й период от начала до середины XIX века - период начала развития ТММ. В это… 3-й период от второй половины XIX века до начала XX века - период фундаментального развития ТММ. За этот период…

Основные определения курса ТММ

Машина

По мере развития машин содержание термина "машина" изменялось. Для современных машин дадим следующее определение:

Машина есть устройство, создаваемое человеком для преобразования энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности и частичной или полной замены человека в его трудовых и физиологических функциях.

Классификация машин

1.Энергетические машины (электродвигатели, ДВС, компрессоры и т.д.);

2.Транспортные машины (краны, конвейеры, автомобили и т.д.);

3.Технологические машины (металлорежущие станки, полиграфические, горнодобывающие, швейные машины и др.);

4.ЭВМ.

Механизм

Существует несколько определений. Дадим одно из них.

Механизм есть система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других тел.

Все механизмы можно разделить на плоские и пространственные.

У плоского механизма точки его звеньев описывают траектории, лежащие в параллельных плоскостях.

У пространственного механизма точки его звеньев описывают неплоские траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях.

Классификация механизмов (по конструктивным признакам)

Рычажные механизмы (рис.1.1).

Рычажные механизмы являются основными в различных машинах. Например, в строгальных станках они выполняют основную рабочую операцию - строгание заготовки, преобразуя вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение резца; в ДВС - преобразуют возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение главного вала, в штамповочной машине - осуществляют срез материала.

а). б). в).

Рис.1.1

Среди этого типа механизмов наибольшее распространение получили плоские рычажные четырехзвенные механизмы (рис.1.1,а, б, в). На рис.1.1,а показан кривошипно-ползунный механизм, который используется для преобразования вращательного движения кривошипа ОА в возвратно-поступательное движение ползуна В. Ползун и кривошип соединяются с помощью звена АВ (шатуна), совершающего плоскопараллельное движение.Механизм, показанный на рис.1.1,б, называют кривошипно-коромысловым механизмом. Его ведущее звено О₁А кривошип совершает полнооборотное вращение, звено АВ шатун - плоскопараллельное движение, а ведомое звено ВО₂ коромысло – неполнооборотное вращение. На рис.1.1,в показан кривошипно-кулисный механизм, состоящий из кривошипа О₁А, кулисы АО₂, представляющей собой подвижное направляющее звено, по которому движется кулисный камень.

Кулачковые механизмы (рис. 1.2).

Кулачковые механизмы образуются путем силового замыкания кулачка и толкателя. Кулачок 1 обычно представляет собой диск, профиль которого очерчен определенной кривой, которая задает движение толкателю 2. Для уменьшения потерь на трение толкатель снабжают цилиндрическим роликом.

Механизмы используют для преобразования вращательного (рис.1.2,а) или возвратно-поступательного (рис.1.2,б) движения кулачка в возвратно-поступательное движение толкателя. Применяют также сложные пространственные механизмы (рис.1.2,в).

Используются: в строгальных и долбежных станках для поперечного перемещения стола с обрабатываемой деталью, в ДВС - для открытия клапанов (распределительный вал).

 

а). б). в).

Рис.1.2

Зубчатые механизмы (рис.1.3).

Зубчатые механизмы образуются зубчатыми колесами. Передача нагрузки и движение осуществляется за счет воздействия зубьев друг на друга.

Их используют в большинстве механизмов для передачи энергии от двигателя к ведущим валам.

 

Рис.1.3

 

Фрикционные механизмы (рис.1.4).

Во фрикционных механизмах движение передается за счет сил трения, возникающих при контакте звеньев. Простейшая фрикционная передача (рис.1.4,а) состоит из двух цилиндрических катков 1 и 2 и стойки 3. Один каток прижимается к другому с помощью пружины. Используются в кинематических цепях приборов для обеспечения плавности движения, бесшумности и безударного включения. К фрикционным механизмам относятся и вариаторы (рис.1.3,б), которые обеспечивают плавное изменение угловой скорости ведомого звена 2 при равномерном вращении ведущего звена 1 и его перемещения вдоль оси.

 

а). б).

Рис.1.4

 

Гидравлические, пневматические механизмы (рис.1.5).

В этих механизмах для преобразования движения кроме твердых тел участвуют жидкие или газообразные тела. На рис.1.5 приведена схема гидравлического механизма, предназначенного для привода в движение поршня 1 с помощью распределителя 2. Жидкость в цилиндр 5 поступает из распределителя в результате поочередного включения электромагнитов 3 и 4. Гидравлическая схема включает в себя также насос 6, бак 7 и клапан 8. В пневматических механизмах насос заменяют источником сжатого воздуха.

Рис.1.5 Рис.1.6

 

Механизмы с гибкими звеньями (рис.1.6).

Данные механизмы применяют для передачи вращательного движения на большие расстояния с преобразованием параметров вращения. Передача движения осуществляется за счет сил трения между шкивами 1, 2 и гибким звеном 3. В качестве гибких звеньев применяют ремни, канаты, цепи, нити.

 

7.Клиновые механизмы (рис.1.7).

 

 

Рис.1.7

 

Простейший клиновой механизм состоит из клиньев 2, 3 и стойки 1. Он служит для преобразования одного прямолинейного движения в другое. Эти механизмы применяются различного вида прессов, поглощающих аппаратов железнодорожных автосцепок, зажимов, механизмов подачи деталей и т.д..

Машинный агрегат – это совокупность взаимосвязанных механизмов.

 

Рис.1.8 Блок-схема машинного агрегата

Звено

Звено - это одна или несколько деталей механизма, соединенных между собой жестко.

  1.Неподвижное звено - стойка. Стойка в механизме может быть только одна, так…  

Кинематическая пара

Кинематическая пара - это соединение двух звеньев, обеспечивающее перемещение одного звена относительно другого.

Кинематические пары передают нагрузку и движение и часто определяют работоспособность и надежность механизма и машины в целом. Поэтому правильный выбор вида пары, ее формы и размеров, а также конструкционных материалов и условий смазывания имеет большое значение при проектировании и эксплуатации машин.

Кинематические пары классифицируются по следующим признакам:

 

А). По числу степеней подвижности Н

Возможные независимые движения одного звена относительно другого называются степенями подвижности кинематической пары H.

Ограничения, накладываемые на относительные движения звеньев, называются условиями связи в кинематических парах.

Число степеней подвижности кинематической пары определяется зависимостью

H=6-S (1.1)

где 6-максимальное число степеней свободы твердого тела в пространстве (3 поступательных и 3 вращательных движения относительно осей координат XYZ);

S-число условий связи, наложенных кинематической парой на относительное движение каждого звена.

Кинематические пары делятся на: одноподвижные (поступательные, вращательные, винтовые), двухподвижные, (кулачек-толкатель, зуб-зуб), трехподвижные, (сферические), четырёхподвижные, (цилиндр-плоскость), пятиподвижные (шар-плоскость). Примеры приведены в таблице1.1.

 

Б). По характеру соприкосновения звеньев

кинематические пары делятся на низшие и высшие

Низшими кинематическими парами называются такие, в которых соприкосновение звеньев происходит по поверхности.

Например, одноподвижные поступательная и вращательная кинематические пары,

Высшими называются такие кинематические пары, у которых соприкосновение звеньев происходит по линии или точке.

Например, кинематические пары зуб-зуб, кулачек-толкатель (рис.1.2, 1.3).

Так как в низших кинематических парах звенья соприкасаются по поверхностям, то удельное давление в них невелико, вследствие чего износ в низших кинематических парах невелик.

В местах контакта высших кинематических пар удельное давление очень велико, что вызывает их повышенный износ. Это большой недостаток высших кинематических пар по сравнению с низшими.

Однако они имеют и большое преимущество: если количество низших пар ограничено, то высших пар большое разнообразие, их количество практически не ограничено. Поэтому при помощи высших кинематических пар значительно проще создать механизмы, обеспечивающие заданный закон движения.

В). По характеру относительного движения

Виды кинематических пар приведены в таблице 1.1.

В – вращательная (Н=1), П – поступательная (Н=1), ВП – цилиндрическая (Н=2); ВВВ – сферическая (Н=3), ВВП – шар-цилиндр с прорезью (Н=3), ВПП – плоскостная (Н=3), ВВВП – шар-цилиндр (Н=4), ВВПП – цилиндр-плоскость (Н=4), ВВВПП – шар-плоскость (Н=5). Здесь буква «В» обозначает возможное вращательное движение, «П» -возможное поступательное движение.

Таблица 1.1

Кинематические цепи

Кинематическая цепь - это система звеньев, соединённых с помощью кинематических пар.

Классификация кинематических цепей

Незамкнутые - это такие кинематические цепи, которые имеют звенья, входящие только в одну кинематическую пару (рис.1.10).

Замкнутые - это кинематические цепи, в которых каждое звено входит не менее, чем в две кинематические пары (рис.1.11).

Простые - это кинематические цепи, в которых каждое звено входит не более, чем в две кинематические пары (рис.1.10, 1.11).

Сложные - это кинематические цепи, в которых имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (рис.1.12).

Большинство используемых механизмов образованы замкнутыми кинематическими цепями.

Рис.1.10 Рис.1.11 Рис.1.12

ЛЕКЦИЯ 2

Краткое содержание

Структурная схема механизма. Кинематическая схема механизма. Определения степени подвижности механизма. Структурный принцип образования механизмов. Начальный механизм. Группы Ассура. Структурный анализ механизма. Примеры.

Структурная схема механизма – это безмасштабное графическое изображение механизма с применением условных обозначений звеньев и кинематических пар.

Кинематическая схема механизма – это структурная схема, выполненная в масштабе.

Степень подвижности механизма

Степень подвижности механизма W - это количество независимых движений, которые нужно подвести к механизму, чтобы на выходе получить одно или наоборот.

Для плоских механизмов применяется формула Чебышева:

W = 3n - 2p₁ - p₂,(2.1)

где n – число подвижных звеньев механизма;

p₁ - число одноподвижных кинематических пар;

p₂ - число двухподвижных кинематических пар.

В пространственных механизмах степень подвижности определяется по формуле Сомова-Малышева:

W = 6n - 5p₁ - 4p₂ - 3p₃ - 2p₄ - p₅,(2.2)

где р₃ - число трёхподвижных кинематических пар;

р₄ - число четырёхподвижных кинематических пар;

р₅ - число пятиподвижных кинематических пар.

Большинство механизмов имеют степень подвижности W=1. Их называют рациональными. Эти механизмы не чувствительны к погрешностям монтажа, изготовления и деформирования. Такие механизмы не требуют приработки.

У дифференциальных зубчатых механизмов W=2, у роботов и манипуляторов W=4-8, у основного механизма экскаватора W=4. Если W=0, то получим неподвижную конструкцию – ферму.

Структурный принцип образования механизмов. Группы Ассура

Используя приведенные определения, можно сказать, что любой механизм образуется присоединением к начальному механизму групп Ассура.

Виды групп Ассура II класса

Рассмотрим кинематические цепи, в состав которых входят только одноподвижные кинематические пары .

Для группы Ассура

или (2.3)

Так как количество кинематических пар должно быть целыми, то количество звеньев группы Ассура может быть только чётными числом. Следовательно, равенству (2.1) может удовлетворить следующий ряд чисел:

n (количество подвижных звеньев ) 2 4 6

p₁ (число одноподвижных пар ) 3 6 9

Класс группы Ассура II III IV и т.д.

В группу Ассура II класса может входить: 2 подвижных звена и 3 кинематические пары, которые необходимы для присоединения звеньев к стойке или к другим звеньям. Если обозначить вращательную кинематическую пару В, а поступательную П, то возможны следующие виды групп Ассура II класса:

1.ВВВ (рис.2.2); 2. ВВП (рис.2.3); 3.ВПВ (рис.2.4); 4.ППВ (рис.2.5); 5.ПВП (рис. 2.6).

Рис.2.2 Рис.2.3 Рис.2.4

Рис.2.5 Рис.2.6.

Казалось бы, что, следуя по пути замены вращательных пар поступательными, можно было бы заменить все три вращательные пары поступательными (ППП). Но в этом случае при присоединении к стойке эта группа Ассура будет переходить в плоский механизм с одними поступательными парами - клиновой механизм (рис.1.7).

В группах Ассура различают внутренние и внешние кинематические пары.

Число внешних кинематических пар, которыми группа Ассура присоединяется к не относящимся к ней звеньям механизма или стойке, называют порядком группы Ассура.

Все группы Ассура П класса являются группами второго порядка.

Класс механизма определяется наивысшим классом Ассура, которая входит в его состав.

Структурный анализ механизма

Задачей структурного анализа механизма является - определение параметров структуры заданного механизма: числа звеньев, числа и вида кинематических пар, определение степени подвижности механизма, разбиение механизма на группы Ассура и начальный механизм, определение класса всего механизма.

Алгоритм проведения структурного анализа

ПРИМЕР 2.1

Выполнить структурный анализ механизма.

Структурная схема механизма.

Звенья механизма

Кинематические пары

Степень подвижности механизма

Строение групп Асcура

А).Последняя группа Асcура

Б).Предпоследняя группа Асcура

Строение начального механизма

Структурная формула всего механизма

8.Класс всего механизма II, так как наивысший класс группы Ассура, входящей в данный механизм II.

ЛЕКЦИЯ 3

Краткое содержание

Определение скоростей и ускорений точек звеньев при поступательном, вращательном и плоскопараллельном движениях. Планы скоростей и ускорений. Принцип подобия в планах скоростейи ускорений. Примеры кинематического исследования механизмов.

Теоретические предпосылки определения скоростей и ускорений

Основные формулы для определения скоростей и ускорений точек звеньев механизмов приведены в таблице 3.1.

Планы скоростей и ускорений

Планом скоростей (ускорений) называется диаграмма, на которой от некоторого центра (полюса) в масштабе отложены векторы скоростей (ускорений) точек тела.

Рассмотрим тело, совершающее плоскопараллельное движение (рис.3.1).

Для плоскопараллельного движения скорости точек определяются по формулам:

, , (3.1)

где , , - абсолютные скорости точек А, В, С;

, - относительные скорости.

Необходимо найти относительные скорости , .

План скоростей получим, если в выбранном масштабе () отложим от полюса отрезки , и , параллельные векторам скоростей ,,. Отрезки находятся по формулам: , , .

В результате построения плана скоростей получен треугольник авс (рис.3.2), который подобен треугольнику АВС. Найдем относительные скорости и по формулам:

, .

Рис.3.1 Рис.3.2

Сформулируем принцип подобия в плане скоростей:

Следствие.

Пользуясь принципом подобия, достаточно на плане скоростей построить векторы скоростей только двух точек жесткого звена. Скорость же любой третьей точки определится путем построения фигуры или линии подобной данному звену.

Аналогично формулируется принцип подобия в плане ускорений.

Основные формулы для определения скоростей и ускорений точек звеньев

Пример 3.1

Кинематический расчёт кривошипно-ползунного механизма. Определение скоростей точек звеньев для заданного положения механизма.

Дано:

1.Угловая скорость кривошипа является постоянной и равна .

2.Размеры звеньев:

ОА = 20мм, АВ = 76мм, АС = 26мм.

План скоростей

1. Определение скорости точки А.

.

Вектор скорости перпендикулярен кривошипу ОА.

Выбираем масштаб плана скоростей.

Найдём отрезок, изображающий вектор скорости на плане:

.

Из полюса плана скоростей откладываем данный отрезок в направлении, перпендикулярном ОА в направлении угловой скорости .

2. Определение скорости точки В.

Запишем векторное уравнение:

. Уравнение решаем графически.

Направления векторов скоростей: , .

Продолжим строить план скоростей, используя правило сложения векторов.

Из конца вектора (точка ) проводим направление вектора . Из полюса (точка ) проводим направление вектора . На пересечении двух проведённых направлений получим точку . Измеряя длины полученных отрезков и умножая их на масштаб , получим значения скоростей:

3. Определение скорости точки С.

Воспользуемся следствием из теоремы подобия. Составим пропорцию:

мм

Данный отрезок откладываем на продолжении отрезка от точки а. Точку соединяем с полюсом .

Величина скорости точки С:

4. Определение угловой скорости шатуна АВ.

с^-1

Для определения направления переносим вектор в точку В шатуна АВ и смотрим как она движется относительно точки А. Направление этого движения соответствует . В данном случае угловая скорость направлена против часовой стрелки.

Исследуемая величина	Отрезок на плане	Направление	Величина отрезка на плане, мм	Масштабный коэффициент μv	Значение величины, м/с

Пример 3.2

Кинематический расчёт кривошипно-ползунного механизма. Определение ускорений точек звеньев для заданного положения механизма.

Дано:

1.Угловая скорость кривошипа является постоянной и равна , .

2.Размеры звеньев: ОА = 20мм, АВ = 76мм, АС = 26мм, AS₂ = 25 мм.

Решение:

1.Определение ускорения точки А.

Так как угловая скорость является постоянной, то .

.

Вектор ускорения направлен параллельно кривошипу ОА от точки А к точке О.

Выбираем масштаб плана ускорений . Найдём отрезок, изображающий вектор ускорения на плане: . Из полюса плана ускорений откладываем данный отрезок в направлении, параллельном АО.

План ускорений

2.Определение ускорения точки В.

Запишем векторное уравнение: . Уравнение решаем графически.

Вектор относительного ускорения раскладываем на нормальную и касательную составляющие: .

Нормальное относительное ускорение равно:

.

Найдём отрезок, изображающий вектор ускорения на плане:

Продолжаем строить план ускорений, используя правило сложения векторов. Вектор ускорения направлен параллельно АВ. Откладываем отрезок из точки плана ускорений в указанном направлении от точки В к точке А.

Вектор ускорения направлен перпендикулярно АВ. Проводим это направление из точки плана ускорений. Вектор ускорения направлен параллельно оси x – x. Проводим это направление из полюса . Две прямые линии, проведённые из точек и в указанных направлениях, пересекаются в точке .

Найдем величины ускорений. Измеряя длины полученных отрезков и умножая их на масштаб , получим:

Определение ускорения точки С.

ЛЕКЦИЯ 4

Краткое содержание

Силовой анализ механизмов. Основные задачи. Силы, действующие на звенья механизма. Реакции в кинематических парах. Принципы и последовательность силового расчёта. Типовые расчёты групп Ассура .

Задачи силового анализа

Основными задачами силового анализа являются:

1.Определение реакций в кинематических парах. Знание этих реакций позволяет путём проведения расчетов на прочность и жесткость выбрать оптимальные размеры и форму звеньев механизма.

2.Определение уравновешивающих сил или моментов сил , которые нужно приложить к ведущим звеньям для удержания механизма в заданном положении либо для обеспечения требуемого движения ведущих звеньев. При этом считаются известными массы всех звеньев, все внешние силы и моменты, действующие на звенья, а также законы движения звеньев.

Силы, действующие на звенья механизма

Движущие силы и моменты движущих сил

Силы тяжести (веса) звеньев

Прикладываются в центре масс звена направлены вертикально вниз. Вычисляются по формуле:

(4.3)

где m – масса звена; 9,81 - ускорение свободного падения.

Реакции в кинематических парах

Реакция– это усилие, с которым одно звено i воздействует на другое звено j в местах их соприкосновения или наоборот. При этом .

Реакция в кинематической паре характеризуется величиной, направлением и точкой приложения.

Реакция во вращательной кинематической паре (рис. 4.3)

Известна точка приложения реакции и неизвестны направление и числовое значение реакции. Реакцию раскладывают на нормальную и касательную составляющие. При этом составляющая направлена вдоль звена, составляющая – перпендикулярно к звену.

Рис. 4.3

Реакция в поступательной кинематической паре (рис.4.4).

Известно направление реакции , неизвестны её числовое значение и точка приложения.

Рис.4.4

Принципы и последовательность силового расчета

При силовом расчете механизма в число известных внешних сил, приложенных к его звеньям, входит инерционная нагрузка на звенья. Такой силовой расчет механизма называется кинетостатическим.

При этом используется следующие принципы:

1.Принцип Даламбера:

В применении к механизмам, сущность принципа заключается в следующем:

если ко всем внешним нагрузкам, действующим на звено механизма, присоединить силы инерции и моменты инерции, то под действием всех этих нагрузок звено можно рассматривать условно находящимся в равновесии.

2.Принцип освобождаемости от связей:

Не нарушая движения или покоя системы, можно отбрасывать отдельные связи и прикладывать к системе соответствующие этим связям реакции.

Группа Ассура является статически определимой кинематической цепью.

Силовой расчет начального механизма

Пример 4.1

Дано:

Масса звена: . Ускорения центра масс звена:

м/с².

1.Определение силы тяжести звена:

= н.

2.Определение силы инерции:

= н.

Сила инерции направлена в противоположную сторону ускорению .

Построим начальный механизм в масштабе 1:1.

Покажем все действующие на него силы ,,, неизвестную реакцию и уравновешивающую силу F_ур, которую приложим перпендикулярно кривошипу АО в точке А.

Здесь . (По величине реакции равны, по направлению противоположны).

Начальный механизм План сил для начального механизма 0,05

(масштаб1 :1)

1.Найдем величину уравновешивающей силы F_ур.

Запишем уравнение моментов всех сил относительно точки О.

Уравновешивающая сила F_ур равна:

. Длины плеч h₁ и h₂ измерены на расчетной схеме.

2.Найдем реакцию R₄₁.

Составим векторное уравнение равновесия всех сил, действующих на начальный механизм.

.

Выберем масштаб плана сил m_F=0,05 .

Вычислим величины отрезков, соответствующих векторам сил. Данные занесем в таблицу 2:

Таблица 2

Обозначение силы
Величина силы, н
Отрезок на плане, мм

Строим план сил. В соответствии с векторным уравнением откладываем отрезки, соответствующие векторам ,,,. Векторы можно откладывать в любом порядке. Соединяя начало первого вектора и конец последнего, получим многоугольник сил и отрезок, определяющий реакцию . Измеряя его длину и умножая на масштаб m_F, получим величину реакции . Данные занесены в таблицу 2.

ЛЕКЦИЯ 5

Краткое содержание

Цель и задачи курса. Основные определения курса. Деталь. Сборочная единица. Узел. Машина. Классификация деталей. Требования к машинам и деталям и критерии их качества. Общие принципы расчётов на прочность Материалы, используемые в машиностроении. Режимы нагружения деталей машин.

Целью курса «Детали машин и основы конструирования» является изучение основ расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения.

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 (ГОСТ 2.102-68), по которой можно без участия разработчика изготавливать, эксплуатировать, контролировать и ремонтировать изделие.

Проектирование машин выполняют в несколько стадий, установленных ГОСТ 2.103-68. Для единичного производства это:

1. Разработка технического предложения по ГОСТ 2.118-73.

2. Разработка эскизного проекта по ГОСТ 2.119-73.

3. Разработка технического проекта по ГОСТ 2.120-73.

4. Разработка документации для изготовления изделия.

5. Корректировка документации по результатам изготовления и испытания изделия.

Основные определения

Требования к машинам и критерии их качества

Требования к машинам многообразны и часто противоречивы, однако их можно условно разделить на основные взаимосвязанные группы:

Технологические требования;

Экономические требования;

Эксплуатационные требования.

Условия работы деталей и машин

Успешная работа деталей и машин заключается в обеспечении работоспособности и надёжности.

Работоспособность деталей и машин определяется, как свойство выполнять свои функции с заданными показателями.

Критерии работоспособности

прочность – способность детали сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы (деформации);

жесткость – способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой;

износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении, проявляющемся в постепенном изменении размеров или формы;

теплостойкость – способность сохранять свои свойства при действии высоких температур;

виброустойчивость – способность работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Надежность определяется как свойство детали и машины выполнять свои функции, сохраняя заданные показатели в течение заданного времени и, по существу, выражает собой перспективы сохранения работоспособности.

В процессе работы детали и машины подвергаются не только расчётным нагрузкам, которые конструктор ожидает и учитывает, но и попадают во внештатные ситуации , которые очень трудно предусмотреть, как, например, удары, вибрация, загрязнение, экстремальные природные условия и т.п. При этом возникает отказ – утрата работоспособности вследствие разрушения деталей или нарушения их правильного взаимодействия. Отказы бывают полные и частичные; внезапные (поломки) и постепенные (износ, коррозия); опасные для жизни; тяжёлые и лёгкие; устранимые и неустранимые; приработочные (возникают в начале эксплуатации) и связанные с наличием дефектных деталей; отказы по причине износа, усталости и старения материалов.

Надёжной можно считать машину, имеющую следующие свойства:

безотказность– способность сохранять свои эксплуатационные показатели в течение заданной наработки без вынужденных перерывов.

долговечность– способность сохранять заданные показатели до предельного состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и технического обслуживания.

ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей посредством техобслуживания и ремонта.

сохраняемость– способность сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения и транспортирования.

Надёжность трудно рассчитать количественно, она обычно оценивается как вероятность безотказной работы на основании статистики эксплуатации группы идентичных машин.

При всей значимости всех описанных критериев, нетрудно заметить, что прочность является важнейшим критерием работоспособности и надежности.

Невыполнение условия прочности автоматически делает бессмысленными все другие требования и критерии качества машин.

Общие принципы расчётов на прочность

Все этапы проектирования, каждый шаг конструктора сопровождается расчётами. Это естественно, т.к. грамотно выполненный расчёт намного проще и в сотни раз дешевле экспериментальных испытаний.

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.

Условие прочности при действии нормальных и касательных напряжений:

,

.

Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых.

Допускаемые напряжения определяются в зависимости от механических характеристик материала и ответственности детали.

Для пластичных материалов:

,

,

где - предел текучести материала;

n - коэффициент запаса (обычно 1,2 < n < 2,5).

В разных обстоятельствах коэффициент запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин.

Для хрупких и малопластичных материалов:

,

,

где - предел прочности материала.

Номинальные значения напряжений определяются по известным формулам сопротивления материалов в зависимости от вида деформации.

Материалы, используемые в машиностроении

Конструкционные стали.

Стали углеродистые обыкновенного качества ГОСТ 380-71.

Назначение – сварные, клепаные и болтовые конструкции из сортового и листового проката, а также для малонагруженных деталей типа валов, осей, втулок и др.

Качественные углеродистые конструкционные стали ГОСТ 1050-74.

Назначение – валы, оси, шестерни, болты и другие детали мелких и средних размеров высокой прочности.

Легированные стали ГОСТ 4543-71.

Назначение – валы, оси, шестерни, болты и другие детали средних и больших размеров высокой прочности.

Сплавы цветных металлов.

ЛЕКЦИЯ 6

Краткое содержание

Механические передачи. Основные характеристики передач. Классификация зубчатых передач. Основные параметры прямозубой цилиндрической передачи. Точность зубчатых передач. Материалы для зубчатых колес

Механические передачи

Основные характеристики передач

В каждой передаче различают входной (ведущий) и выходной (ведомый) валы, соединяемые одной или несколькими передачами (рис.2.1). Если передача одна – одноступенчатая, если передач несколько – многоступенчатая.

Входной вал

Выходной вал

Зубчатые передачи

Классификация зубчатых механизмов

По взаимному расположению осей

· цилиндрические (имеют параллельные оси) рис.2.3, а;

· конические (оси пересекаются) рис. 2.3, б;

· гиперболоидные, червячные и винтовые (оси скрещиваются) рис. 2.3, в.

По относительному расположению поверхностей вершин и впадин зубьев колёс

· передачи внешнего зацепления (рис.2.3, а, б, в);

· передачи внутреннего зацепления (рис. 2.3 ,г).

По характеру движения осей

· обычные передачи - имеют неподвижные геометрические оси всех колёс;

· планетарные передачи - оси одного или нескольких колёс подвижны.

По направлению зубьев

· прямозубые (рис. 2.3, а, б);

· косозубые (рис. 2.3, д).

По профилю зубьев

· с эвольвентным зацеплением - профили зубьев очерчены по эвольвенте;

· с циклоидным зацеплением - профили зубьев очерчены по дугам эпи- и гипоциклоид;

· с зацеплением Новикова - профили зубьев очерчены по окружностям.

а). б). в). г). д).

Рис.2.3

Геометрические характеристики эвольвентного

Зубчатого колеса

Точность зубчатых передач

Выбор материалов зубчатых передач и вида термообработки

ЛЕКЦИИ 7

Краткое содержание

Кинематика зубчатых передач. Силы в зацеплении. Критерии работоспособности. Расчет цилиндрических зубчатых передач на прочность. Выбор модуля и числа зубьев.

Кинематика зубчатых передач

Силы в зацеплении

Критерии работоспособности и расчета зубчатых передач

Выбор модуля и числа зубьев

ЛЕКЦИЯ 8

Краткое содержание

Сварные соединения.Расчёт на прочность сварных швов.Заклёпочные соединения. Резьбовые соединения. Шпоночные соединения. Шлицевые соединения.

Соединения деталей машин

Детали объединяются в машину посредством соединений.

Соединения состоят из соединительных деталей и прилегающих частей соединяемых деталей, форма которых подчинена задаче соединения. В отдельных конструкциях специальные соединительные детали могут отсутствовать. Все соединения делятся на:

· Неразъёмные, разборка которых возможна лишь при разрушении соединяющих или соединяемых деталей;

· Разъёмные, позволяющие разборку без разрушения.

Неразъемные соединения

Сварные соединения

Эти виды швов в различных сочетаниях применяются в разных соединениях.

Расчет заклепок

Разъемные соединения

Резьбовые соединения

Расчет прочности стержня болта при различных случаях нагружения

Болт установлен в отверстие соединяемых деталей с зазором

Соединение нагружено продольной силой . Болт растянут.

Условие прочности на растяжение запишется в виде:

Напряжения растяжения в резьбе

.

Из условия прочности на растяжение находим внутренний диаметр резьбы болта

Найденный внутренний диаметр резьбы округляют до ближайшего большего по ГОСТ 9150-59. Там же указан конкретный типоразмер-номер (наружный диаметр резьбы) болта.

Болт установлен в отверстие соединяемых деталей без зазора

Соединение нагружено поперечной силой Р.

При этом болт работает на срез. Внутренний диаметр резьбы рассчитывается аналогично случаю с растяжением:

Порядок назначения номера болта также аналогичен предыдущему случаю.

Болт установлен в отверстие соединяемых деталей с зазором.

Штифтовые соединения

Недостатком штифтовых соединений

· является ослабление соединяемых деталей отверстием.

Штифты работают на срез и смятие. Соответствующие расчёты выполняют обычно как проверочные

Штифты с канавками рассчитывают также, как гладкие, но допускаемые напряжения материала занижают на 50%.

Шпоночные соединения

Расчет шпонок

Призматические и сегментные шпонки всех форм испытывают смятие боковых поверхностей и срез по средней продольной плоскости:

;

,

где h – высота сечения шпонки, d – диаметр вала, b – ширина сечения шпонки, l – рабочая длина шпонки (участок, передающий крутящий момент).

Исходя из статистики поломок, расчёт на смятие проводится как проектный. По известному диаметру вала задаются стандартным сечением призматической шпонки и рассчитывают её рабочую длину.

Расчёт на срез – проверочный. При невыполнении условий прочности увеличивают рабочую длину шпонки.

Шлицевые соединения

ЛЕКЦИЯ 9

Краткое содержание

Резьбовые соединения. Шпоночные соединения. Шлицевые соединения.

Резьбовые соединения

Расчет прочности стержня болта при различных случаях нагружения

Болт установлен в отверстие соединяемых деталей с зазором

Соединение нагружено продольной силой . Болт растянут.

Условие прочности на растяжение запишется в виде:

Напряжения растяжения в резьбе

.

Из условия прочности на растяжение находим внутренний диаметр резьбы болта

Найденный внутренний диаметр резьбы округляют до ближайшего большего по ГОСТ 9150-59. Там же указан конкретный типоразмер-номер (наружный диаметр резьбы) болта.

Болт установлен в отверстие соединяемых деталей без зазора

Соединение нагружено поперечной силой Р.

При этом болт работает на срез. Внутренний диаметр резьбы рассчитывается аналогично случаю с растяжением:

Порядок назначения номера болта также аналогичен предыдущему случаю.

Болт установлен в отверстие соединяемых деталей с зазором.

Штифтовые соединения

Недостатком штифтовых соединений

· является ослабление соединяемых деталей отверстием.

Штифты работают на срез и смятие. Соответствующие расчёты выполняют обычно как проверочные

Штифты с канавками рассчитывают также, как гладкие, но допускаемые напряжения материала занижают на 50%.

Шпоночные соединения

Расчет шпонок

Призматические и сегментные шпонки всех форм испытывают смятие боковых поверхностей и срез по средней продольной плоскости:

;

,

где h – высота сечения шпонки, d – диаметр вала, b – ширина сечения шпонки, l – рабочая длина шпонки (участок, передающий крутящий момент).

Исходя из статистики поломок, расчёт на смятие проводится как проектный. По известному диаметру вала задаются стандартным сечением призматической шпонки и рассчитывают её рабочую длину.

Расчёт на срез – проверочный. При невыполнении условий прочности увеличивают рабочую длину шпонки.

Шлицевые соединения