Техническая механика: детали машин

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - МАГИСТРАТУРА




серия основана в 1 996 г.




В.Э. ЗАВИСТОВСКИЙ





                ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА




            ДЕТАЛИ МАШИН


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки (квалификация (степень) «магистр») (протокол № 12 от 24.06.2019)



znanium.com

Москва ИНФРА-М 2023

УДК 621.81(075.8)
ББК 34.44я73

     З13



     Рецензенты:
        Чигарев А.В., доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической механики Белорусского национального технического университета;
        Соколовская В.П., преподаватель высшей категории Минского государственного политехнического колледжа



      Завистовский В.Э.
З13 Техническая механика: детали машин : учебное пособие / В.Э. Зави       стовский. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 350 с. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_5d199463a99d77.06586963.

          ISBN 978-5-16-015257-8 (print)
          ISBN 978-5-16-107727-6 (online)

         Структура учебного пособия приближена к порядку работы обучающихся над проектом по деталям машин. Содержит справочные данные.
         Предназначено для студентов вузов, обучающихся по техническим направлениям подготовки.


                                                    УДК 621.81(075.8) ББК 34.44я73






















ISBN 978-5-16-015257-8 (print)
ISBN 978-5-16-107727-6 (online)

© Завистовский В.Э., 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Учебное пособие написано в соответствии с типовой программой по технической механике для технических специальностей высших учебных заведений. В связи с ограниченным объемом книги автор не ставил целью дать подробную разработку всех вопросов проектирования деталей машин и механизмов, предполагая, что при решении этих вопросов студенты должны пользоваться соответствующими справочниками и атласами. Оно рассчитано на студентов, знакомых с инженерной графикой, технологией материалов и другими общетехническими дисциплинами, на базе которых и ведутся расчеты и проектирование деталей машин.
   В книге рассмотрены важнейшие вопросы расчетов и проектирования механизмов современной техники, а также физические основы процессов, протекающих в механических передачах и соединениях. Даны основы расчета и проектирования наиболее распространенных механических передач (ременных, фрикционных, зубчатых, червячных, цепных, винт-гайка), соединений (сварных, заклепочных, штифтовых, паяных, клеевых, шпоночных, шлицевых, профильных, резьбовых, с натягом), валов и осей, подшипников качения и скольжения, муфт, упругих элементов, корпусных деталей и направляющих, смазочных систем и уплотнений; приведены конструкции редукторов.
   Особое внимание уделено общим вопросам проектирования деталей машин; рассмотрены основные принципы стандартизации и унификации, взаимозаменяемости и точности, метрологии и технических измерений; приведены понятия о надежности машин и краткие сведения о сертификации.
   Структура учебного пособия, содержание и методика в значительной мере приближена к порядку работы студента над курсовым проектом и поэтому содержит материал о структуре, кинематическом и силовом расчетах механических приводов.
   Автор выражает искреннюю признательность рецензентам - доктору физико-математических наук, профессору А.В. Чигареву (Белорусский национальный технический университет) и преподавателю высшей категории В.П. Соколовской (Минский государственный политехнический колледж) за внимательный просмотр рукописи и ценные замечания, направленные на улучшение содержания книги, а также большую благодарность С.В. Жаворонок за техническую помощь при подготовке рукописи.


3

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

   Машиной называют устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов, движения или накопления и передачи информации с целью повышения производительности, замены и облегчения физического и умственного труда человека.
   Машины делят на 2 группы: машины - двигатели и рабочие машины. Машины - двигатели - энергетические машины, предназначенные для преобразования энергии любого вида в энергию движения исполнительных органов рабочих машин. Рабочие машины предназначены для облегчения и замены физического труда человека по изменению формы, размеров, свойств, состояния и положения обрабатываемых материалов, перемещения различных грузов, а также для облегчения выполнения расчетных операций, операций контроля и управления производственными процессами.
   Машины, механизмы, аппараты и другие изделия состоят из деталей. Деталью называется элемент конструкции, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций, например, вал, зубчатое колесо и т.д.
   Совокупность совместно работающих деталей, представляющих собой конструктивно обособленные единицы, объединенные одним назначением, называют сборочными единицами, жш узлами. Простейший узел является составной частью более сложного узла, который, в свою очередь, оказывается узлом машины, аппарата и т.п.
   Все детали, из которых собираются различные машины и аппараты, отличаются друг от друга формой, размерами, материалом, назначением и т.п.; однако, среди этого многообразия деталей можно встретить такие, которые в различных машинах выполняют одно и то же назначение, например, такая распространенная деталь, как болт, входит в конструкцию авиационного двигателя, велосипеда, насоса, причем всюду с помощью болта соединяются какие-либо детали. Такие детали, которые, входя в состав самых различных машин и аппаратов, выполняют одну и ту же роль, называются деталями общего назначения.
   Есть и такие детали, которые встречаются только в определенных машинах и аппаратах, например, лопатки турбины реактивного двигателя можно встретить только на реактивном двигателе, крыльчатка центробежного насоса или решетчатая тарелка встречаются только на

4

определенных машинах и аппаратах. Такие детали называются деталями специального назначения.
   Изготовление конструкций машин и аппаратов из деталей позволяет использовать различные материалы, облегчает их изготовление, эксплуатацию и ремонт, обеспечивает возможность их стандартизации и т.д.

1.1. Общая классификация деталей машин

   Все детали и узлы общего назначения могут быть разделены на 4 основные группы:
   1. Детали соединений, которые делятся:
•  на детали неразъемных соединений (сварные, заклепочные, паяные, клеевые соединения, соединения с натягом);
•  на детали разъемных соединений (штифтовые, шпоночные, шлицевые, профильные и резьбовые соединения);
   2.    Детали передач (ременных, цепных, зубчатых, червячных, фрикционных передач, передач винт - гайка);
   3. Детали валопроводов (валы, оси, подшипники и муфты);
   4.    Детали для установки и обслуживания (корпуса, станины, пружины, смазочные, защитные и предохранительные устройства).

1.2. Требования, предъявляемые к деталям машин

   К современным машинам предъявляется много общих требований, главными из которых являются:
•  высокая производительность;
•  высокий коэффициент полезного действия;
•  удобство и простота изготовления и обслуживания;
•  надежность, долговечность и безопасность работы;
•  низкая энергоемкость, малые массы и габаритные размеры;
•  технологичность, взаимозаменяемость и унификация узлов и деталей;
•  эстетичность.
   В соответствии с этим определяются основные требования к деталям машин :
•  прочность - деталь не должна разрушаться или получать остаточные деформации под влиянием действующих на нее сил;

5

•  жесткость - упругие деформации элементов детали должны быть весьма малыми и нс превышать допустимых величин;
•  устойчивость - способность аппаратов сохранять в рабочем состоянии свою первоначальную форму;
•  герметичность - способность аппарата или машины не пропускать находящуюся в них под давлением рабочую среду;
•  износостойкость - в течение заданного срока работы износ не должен вызывать нарушение характера сопряжения детали и приводить к недопустимому уменьшению прочности;
•  надежность - деталь должна выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени;
•  технологичность - форма и размеры детали должны быть такими, чтобы при ее изготовлении были наименьшие затраты труда, материала и времени;
•  малая масса - деталь должна быть прочной, жесткой и износостойкой при минимальной массе и габаритных размерах;
•  транспортабельность - деталь по возможности должна иметь такие размеры и вес, которые обеспечивали бы ее транспортировку современными транспортными средствами;
•  экономичность - правильно выбранный технологический процесс изготовления детали, правильно выбранный материал (по возможности недорогостоящий), правильно определенные размеры и форма детали обуславливают ее экономичность;
•  эстетичность - красота формы и отделки придают деталям приятный внешний вид и влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала.

1.3. Критерии работоспособности

   В зависимости от функционального назначения и условий работы деталей их работоспособность оценивается одним или несколькими показателями, основными из которых являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость и вибрационная устойчивость.
   Прочность - способность детали сопротивляться разрушению или возникновению остаточных деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Прочность оценивается несколькими способами, но наибольшее распространение получил метод расчета по


6

допускаемым напряжениям, и условие прочности по этому методу имеет вид

(1-1)
где [о] - допускаемое напряжение.
   Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или потери сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений в детали превышает установленную допускаемую величину. Для деталей, изготовленных из пластичных материалов (малоуглеродистая сталь и др.), опасным напряжением является предел текучести и величина допускаемого напряжения находят по формуле

Н = —                              (1.2)
sr

где: оТ~ предел текучести; $г=1,2-1,5 - коэффициент запаса прочности по пределу текучести.
   Для хрупких материалов (серый чугун и др.) опасным напряжением является предел прочности при растяжении оЬр и сжатии оЬсж и допускаемое напряжение в этом случае определяется по формулам

                   г  1 И.   г -I СТ.
[<Д=—;kL=—.                        о-³)
'  sh         8.
ь         ь
где sb = 2,5-4,0 - коэффициент запаса прочности по пределу прочности.
   Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала ст г Условие сопротивления усталости можно записать в виде

        О-⁴)

где: оа - амплитуда переменного напряжения; от - среднее напряжение цикла; коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла.
   Прочность детали обеспечивается правильным выбором материала и размеров детали на основании расчетов на прочность.
   Жесткость - способность деталей сопротивляться изменению формы и размеров под действием сил. Упругие деформации деталей

7

не должны превышать пределов, допустимых для данных условий эксплуатации. Нормы жесткости устанавливаются на основе опыта эксплуатации и требований к конструкции. Для многих деталей жесткость имеет определяющее значение при определении их размеров и формы, например, для быстроходных валов.
   Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляющим собой отношение силы, приложенной к конструкции, к максимальной деформации, вызываемой этой силой.
    Жесткость деталей зависит от правильного выбора материала и определенных расчетом на жесткость размеров и формы деталей.
   Износостойкость - способность материала рабочих поверхностей деталей сопротивляться изнашиванию. Износостойкость деталей оценивается интенсивностью изнашивания, определяемой как отношение износа к пути, на котором происходило изнашивание. Линейная интенсивность изнашивания представляет собой толщину изношенного слоя Ah , приходящуюся на единицу пути трения L ,


   Она может быть определена по изменению объема или массы изношенного слоя. Линейная интенсивность изнашивания величина безразмерная и для большинства реальных физических тел Iₕ = 1О ‘-1О В.
   Для уменьшения изнашивания используют смазку трущихся поверхностей, специальные виды обработки сопряженных поверхностей, а также защиту от попадания загрязнений и абразивных частиц. Практика показала, что около 90% деталей, имеющих подвижные сопряжения, выходят из строя именно из-за износа.
   Теплостойкость - способность изделий сохранять работоспособность при изменении температуры. Работа большинства машин сопровождается тепловыделением, вызываемым рабочим процессом машин и трением в сопряженных рабочих поверхностях. Теплостойкость ограничивает работоспособность машин, поскольку снижается несущая способность деталей, понижается защитная способность масляного слоя, изменяются зазоры в подвижных соединениях и понижается точность вследствие обратимых температурных деформаций.
   Подавляющее большинство аппаратов на нефтеперерабатывающих заводах работает при повышенных температурах.
   Коррозионная стойкость - сопротивление металлов химическому или электрохимическому разрушению поверхностных слоев и

8

коррозионной усталости. В конструкциях машин и аппаратов, особенно работающих на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности или в химически активных средах, следует предусматривать эффективные средства защиты, применяя гальванические покрытия, осаждение химических пленок, нанесение полимерных пленок. Наилучшим решением является применение коррозионно-стойких материалов. Малонагруженные детали, соприкасающиеся с химически активными агентами, целесообразно изготавливать из химически стойких пластиков. Одним из современных методов защиты от коррозии является пассивация, основанная на образовании на поверхности деталей тонкой оксидной пленки, защищающей основной металл и создающей пассивные к воздействию внешней среды поверхности.
   Вибрационная устойчивость - способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний. Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и приводят к усталостному разрушению деталей.
   Расчеты на колебания являются обязательными при проектировании высокоскоростных передач и приводов.

1.4. Стандартизация и унификация

   Стандартизация - деятельность, направленная на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и многократного использования в отношении реально существующих или потенциальных задач.
   Стандарт - это нормативный документ, разработанный на основе консенсуса, утвержденный признанным органом, направленный на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области.
   Главной задачей стандартизации является создание прогрессивной системы нормативно-технической документации и ее внедрение и применение при разработке, производстве и эксплуатации продукции, удовлетворяющей потребностям народного хозяйства, населения, обороны страны и экспорта. Требования, устанавливаемые в государственных стандартах, направлены на выпуск самой современной высококачественной продукции, соответствующей мировому уровню по всем потребительским показателям: надежности и точности, материале- и энергоемкости, трудоемкости, требованиям эргономики и технической эстетики [1,2].


9

   Стандартизуемые показатели промышленных объектов обычно имеют числовое выражение и образуют в определенных диапазонах последовательность чисел. В результате стандартизации всю совокупность показателей представляют в виде математических рядов, что способствует сокращению номенклатуры, типоразмеров, выбору рациональных режимов работы машин, экономии ресурсов. Наиболее удобными являются геометрические прогрессии, включающие число 1 и имеющие знаменатель <pₙ=ⁿV10. В соответствии с рекомендациями ИСО установлены следующие четыре основных десятичных ряда предпочтительных чисел со знаменателем <р:
⁵V10 = 1,5849 ~ 1,6 для ряда R5;
                 ¹⁰л/10 = 1,2589 ~ 1,25 для ряда R10;
                 W10 = 1,1220 ~ 1,12 для ряда R20;
                 N10 = 1,0593 « 1,06 для ряда R40.
   Предпочтительные числа стандартизованы. На базе рядов предпочтительных чисел построены ряды нормальных линейных размеров (диаметров, длин, высот). Ряды предпочтительных чисел нужно применять не только при стандартизации, но и при выборе нормальных значений параметров в процессе проектирования. Только при такой единой закономерности построения параметров изделия можно согласовать между собой параметры связанных с ними комплектующих изделий, полуфабрикатов и материалов.
   Для рационального сокращения номенклатуры изделий необходима разработка стандартов на их параметрические ряды. Стандарты данного вида направлены на сокращение до целесообразного минимума конкретных типов, видов и моделей изделий. Как правило, эти стандарты являются перспективными, и их требования направлены на внедрение в производство прогрессивных, технически более совершенных и производительных машин, оборудования, приборов и других видов продукции. Параметрические ряды строятся по основным параметрам.
   Для рационального сокращения номенклатуры изготавливаемых изделий проводят их унификацию и разрабатывают стандарты на параметрические ряды изделий, что повышает серийность, способствует специализации производства и улучшению качества.
   Унификация — это научно-технический метод отбора и регламентации оптимальной и сокращенной номенклатуры объектов одинакового функционального назначения.
   Унифицированные изделия, их составные части и детали должны обладать полной взаимозаменяемостью по показателям качества

10