Особенности расчета деталей машин

Для того чтобы составить математическое описание объекта расчета и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции за­меняют идеализированными моделями или расчетными схемами. Например, при расчетах на прочность, по существу, несплошной и неоднородный материал деталей рассматривают как сплошной и однородный, идеализируют опоры, нагрузки и форму деталей. При этом расчет становится приближенным. В приближенных расчетах большое значение имеют правильный выбор расчетной модели, умение оценить главные и отбросить второстепенные фак­торы.

Погрешности приближенных расчетов существенно снижаются при использовании опыта проектирования и эксплуатации анало­гичных конструкций. В результате обобщения предшествующего опыта вырабатывают нормы и рекомендации, например нормы допускаемых напряжений и коэффициентов запасов прочности, ре­комендации по выбору материалов, расчетной нагрузки и пр. Эти нормы и рекомендации в приложении к расчету конкретных деталей приведены в соответствующих разделах учебника. Здесь отметим, что неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма ответственным этапом расчета. За­ниженное значение запаса прочности приводит к разрушению дета­ли, а завышенное — к неопределенному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает ве­сьма важное значение.

Факторы, влияющие на запас прочности, многочисленны и раз­нообразны: степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул и определения расчетных нагрузок, влияние качества технологии, условий эксплуатации и пр. Если учесть все разнообразие условий работы современных машин и деталей, а также методов их производства, то станут очевидными большие трудности в раздельной количественной оценке влияния перечисленных фак­торов на величину запасов прочности. Поэтому в каждой отрас­ли машиностроения, основываясь на своем опыте, вырабатыва­ют свои нормы запасов прочности для конкретных деталей. Нормы запасов прочности не являются стабильными. Их периодиче­ски корректируют по мере накопления опыта и роста уровня тех­ники.

В инженерной практике встречаются два вида расчета: проект­ный и проверочный. Проектный расчет — предварительный, упро­щенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения ее размеров и материала. Проверочный расчет — уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.

При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому некоторыми неизвестными параметрами задаются, принимая во внимание опыт и рекомен­дации, а некоторые второстепенные параметры просто не учитыва­ют. Такой упрощенный расчет необходим для определения тех размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции. В процессе проектирования расчет и чертежную про­работку конструкции выполняют параллельно. При этом ряд раз­меров, необходимых для расчета, конструктор определяет по эскиз­ному чертежу, а проектный расчет приобретает форму провероч­ного для намеченной конструкции. В поисках лучшего варианта конструкции часто приходится выполнять несколько вариантов рас­чета. В сложных случаях поисковые расчеты удобно выполнять на ЭВМ. То обстоятельство, что конструктор сам выбирает расчетные схемы, запасы прочности и лишние неизвестные параметры, приво­дит к неоднозначности инженерных расчетов, а следовательно, и конструкции. В каждой конструкции отражаются творческие спо­собности, знание и опыт конструктора. Внедряются наиболее совер­шенные решения.

Особенности расчета деталей машин

· выбор критерия работоспособности (КР);

· составление расчетного условия (РН).

· получение расчетного уравнения (РУ);

· вывод расчетной формулы (РФ).

Для того, чтобы составить математическое описание объекта расчета и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции заменяют идеализированными моделями или расчетными схемами. Например, при расчетах на прочность, по существу несплошной и неоднородный материал деталей рассматривают как сплошной и однородный, идеализируют опоры, нагрузки и форму деталей. При этом расчет становится приближенным. В приближенных расчетах большое значение имеют правильный выбор расчетной модели, умение оценить главные и отбросить второстепенные факторы.

Неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма ответственным этапом расчета. Заниженное значение запаса прочности приводит к разрушению детали, а завышенное—к неоправданному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает весьма важное значение.

В инженерной практике встречаются два вида расчета: проектный и проверочный.

Проектный расчет —предварительный, упрощенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения ее размеров и материала.

Проверочный расчет —уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.

При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому некоторыми неизвестными параметрами задаются, принимая во внимание опыт и рекомендации, а некоторые второстепенные параметры просто не учитывают. Такой упрощенный расчет необходим для определения тех размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции. В процессе проектирования расчет и чертежную проработку конструкции выполняют параллельно. При этом ряд размеров, необходимых для расчета, конструктор определяет по эскизному чертежу, а проектный расчет приобретает форму проверочного для намеченной конструкции. В поисках лучшего варианта конструкции приходится выполнять несколько вариантов расчета.

Расчетные нагрузки. При расчетах деталей машин различают расчетную и номинальную нагрузку. Расчетную нагрузку, например вращающий момент , определяют как произведение номинального момента на динамический коэффициент режима нагрузки К:

. (14)

Номинальный момент соответствует паспортной (проектной) мощности машины. Коэффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением. Значение этого коэффициента зависит от типа двигателя, привода и рабочей машины

Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество и стоимость детали и машины в целом.

Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы: соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, износостойкость и др.); требования к массе и габаритам детали и машины в целом; другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т. д.); соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.); стоимость, дефицитность материала.

Пути повышения прочности деталей

Конструктивные мероприятия

Основные принципы образования конструктивных форм деталей машин:

1Форма детали должна обеспечивать, по возможности, равнопрочность всех ее сечений. Поскольку построение таких конструкций связано с технологическими сложностями, то «равнопрочные» детали заменяют более технологичными – ступенчатыми, которые описывают их теоретические контуры.

2Не следует допускать резких изменений форм и размеров сечений. В противном случае в зоне сопряжения смежных участков детали наблюдается значительная концентрация напряжений. Следует выбирать эффективные формы переходных кривых.

3Для равномерного распределения силового потока по объему детали следует отводить его из зон возможной концентрации напряжений, придавая деталям соответствующую форму.

4С целью достижения равномерного распределения нагрузки в местах возможной концентрации напряжений деталям придают такую форму, чтобы под нагрузкой, из-за деформации, контакт был оптимальным.

5Объемная прочность тесно связана с поверхностной прочностью. В большинстве случаев поверхностный слой является более нагруженным и причиной разрушения детали служит повреждение поверхности. В связи с этим следует стараться уменьшить неравномерность распределения нагружения и увеличивать сопротивляемость контактных поверхностей внешним силам.

6Подбирая формы контактирующих поверхностей, можно достигнуть более равномерного распределения давления. Например, в неподвижных соединениях большую площадь контакта целесообразно разделить на несколько участков. В других случаях контактирующим поверхностям заранее придается расчетное отклонение от правильной формы для компенсации изменения взаимного их положения при деформации под нагрузкой.

Технологические пути

Используют два основных вида технологических методов увеличения прочности деталей:

Ø повышение твердости поверхностных слоев с помощью термической и химико-термической обработки;

Ø увеличение объемной прочности за счет механической, термической и химико-термической обработки.

Особенности расчета деталей машин

Для того чтобы составить математическое описание объекта расчета и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции за­меняют идеализированными моделями или расчетными схемами. Например, при расчетах на прочность, по существу, несплошной и неоднородный материал деталей рассматривают как сплошной и однородный, идеализируют опоры, нагрузки и форму деталей. При этом расчет становится приближенным. В приближенных расчетах большое значение имеют правильный выбор расчетной модели, умение оценить главные и отбросить второстепенные фак­торы.

Погрешности приближенных расчетов существенно снижаются при использовании опыта проектирования и эксплуатации анало­гичных конструкций. В результате обобщения предшествующего опыта вырабатывают нормы и рекомендации, например нормы допускаемых напряжений и коэффициентов запасов прочности, ре­комендации по выбору материалов, расчетной нагрузки и пр. Эти нормы и рекомендации в приложении к расчету конкретных деталей приведены в соответствующих разделах учебника. Здесь отметим, что неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма ответственным этапом расчета. За­ниженное значение запаса прочности приводит к разрушению дета­ли, а завышенное — к неопределенному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает ве­сьма важное значение.

Факторы, влияющие на запас прочности, многочисленны и раз­нообразны: степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул и определения расчетных нагрузок, влияние качества технологии, условий эксплуатации и пр. Если учесть все разнообразие условий работы современных машин и деталей, а также методов их производства, то станут очевидными большие трудности в раздельной количественной оценке влияния перечисленных фак­торов на величину запасов прочности. Поэтому в каждой отрас­ли машиностроения, основываясь на своем опыте, вырабатыва­ют свои нормы запасов прочности для конкретных деталей. Нормы запасов прочности не являются стабильными. Их периодиче­ски корректируют по мере накопления опыта и роста уровня тех­ники.

В инженерной практике встречаются два вида расчета: проект­ный и проверочный. Проектный расчет — предварительный, упро­щенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения ее размеров и материала. Проверочный расчет — уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.

При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому некоторыми неизвестными параметрами задаются, принимая во внимание опыт и рекомен­дации, а некоторые второстепенные параметры просто не учитыва­ют. Такой упрощенный расчет необходим для определения тех размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции. В процессе проектирования расчет и чертежную про­работку конструкции выполняют параллельно. При этом ряд раз­меров, необходимых для расчета, конструктор определяет по эскиз­ному чертежу, а проектный расчет приобретает форму провероч­ного для намеченной конструкции. В поисках лучшего варианта конструкции часто приходится выполнять несколько вариантов рас­чета. В сложных случаях поисковые расчеты удобно выполнять на ЭВМ. То обстоятельство, что конструктор сам выбирает расчетные схемы, запасы прочности и лишние неизвестные параметры, приво­дит к неоднозначности инженерных расчетов, а следовательно, и конструкции. В каждой конструкции отражаются творческие спо­собности, знание и опыт конструктора. Внедряются наиболее совер­шенные решения.

Дата добавления: 2015-01-26 ; просмотров: 1735 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

2.1. ВИДЫ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Машина или ее составляющие элементы (двигатель, передача, исполнительный механизм, корпус, система управления) не рассчитываются на прочность как таковые, а рассматриваются как состоящие из отдельных деталей, которые могут рассчитываться на прочность, жесткость, износостойкость и по другим критериям.

В машиностроении существует два метода расчета: проектный и проверочный. Основу составляет проектный расчет, так как конструктору в первую очередь необходимо знать размеры деталей, которые выдержали бы действующие нагрузки и обеспечили необходимую жесткость. Последовательность проектного расчета следующая:

− определяются нагрузки, которые будут действовать в конструируемом элементе машины;

− выбирается материал для изготовления детали с учетом основного критерия работоспособности и, если необходимо, упрочняющие технологии;

− определяются допускаемые напряжения или запасы прочности;

− назначается основной конструктивный размер, на основании которого будут определены все размеры детали;

− иногда в расчетное выражение может входить несколько конструктивных параметров, тогда они могут быть выражены через безразмерные коэффициенты и основной параметр;

− рассчитывается основной размер, и определяются другие конструктивные размеры детали или узла, и приводятся к стандартным размерам.

После разработки конструкции должен быть произведен проверочный

расчет, так как при конструировании могут произойти изменения размеров, формы детали и т.д. Порядок проверочного расчета примерно следующий:

− реальная конструкция заменяется расчетной схемой;

− определяются места приложения нагрузок, если необходимо, распределенные нагрузки заменяются сосредоточенными, приводятся к определенным точкам;

− намечаются опасные сечения, то есть сечения в которых может произойти поломка;

− определяется расчетное значение напряжения или коэффициента запаса усталостной прочности и их значения сравниваются с допускаемыми.

2.2. ВЫБОР МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конструирование любого элемента машины начинается с выбора материала, так как он во многом определяет надежность, срок службы и экономические показатели машины. Следует иметь в виду, что стоимость материалов составляет значительную часть стоимости машины (в станках стоимость материалов составляет 65…70%, в грузоподъемных машинах – 70…75%). Металлоемкость отечественных машин и оборудования выше зарубежного на 30…200%. На единицу продукции машиностроения в среднем расходуется материальных ресурсов в 1,5 раза больше, чем в ведущих капиталистических странах. В некоторых случаях на предприятиях до 40% металла уходит в стружку. При изготовлении деталей необходимо стремиться к малой металлоемкости, для чего применять профильный прокат, штампованные или сварные заготовки, чтобы до минимума свести операции резанием.

Уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости изготовления. Это особенно важно при массовом производстве. Но уменьшение массы конструкции не должно стать самоцелью – не должны снижаться прочность, жесткость и надежность машины. Сравнительные весовые качества машин одинакового назначения принято оценивать показателем удельного веса, представляющего собой отношение массы машины к основному параметру. Этот показатель учитывает степень конструктивного совершенства машины, степень применения легких сплавов и неметаллических материалов.

Основными машиностроительными материалами являются сталь, чугун, сплавы цветных металлов, пластмассы, композитные материалы. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые, содержащие углерод до 0,25%, среднеуглеродистые — 0,25…0,6%, высокоуглеродистые — 0,6…2%. Легированные стали различают по содержанию легирующих присадок на низколегированные до 2…2,5%, среднелегированные с содержанием присадок 2,5…10% и высоколегированные с содержанием присадок более 10%. Присадки придают особые свойства: жаропрочность, коррозионную стойкость и т.д.

Чугуны подразделяется на:

− серый, в котором углерод находится в виде графита;

− белый, в котором углерод находится в виде цементита;

− ковкий, полученный из белого чугуна путем отжига.

Все чугуны обладают хорошими литейными свойствами.

Из сплавов цветных металлов применяется бронза – сплав меди с оловом, свинцом, алюминием и др. Они обладают высокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами и поэтому применяются в узлах трения, а также в паровой, водяной и масляной арматуре. Л атунь – сплав меди с цинком. Они обладают хорошей коррозионной стойкостью, электропроводностью и находят широкое применение в машиностроении.

Композитные материалы обладают уникальными физико-механическими свойствами: прочностью, жесткостью, долговечностью, инертностью к агрессивным средам. Возможно создать рациональную структуру, адекватную силовым и другим воздействиям на конструкцию или деталь. При этом существенно упрощается технология изготовления деталей, что позволяет экономить энергетические, трудовые и материальные ресурсы, снизить эксплуатационные расходы. Значения прочности и жесткости представляют собой отношения сопротивления разрушению и модуля упругости к плотности

Композитные материалы состоят из матрицы и наполнителя. Высокопрочные композитные материалы состоят из металлической матрицы армированной различными волокнами из нитей бора, карбида кремния, бериллия, титана, вольфрама и т.д. механические характеристики зависят от доли волокон, их расположения и связи с матрицей и свойств матричного вещества.

Композитные материалы керамического типа на основе оксидов, нитридов, карбидов обладают тепло – и эрозионной стойкостью и применяются в виде покрытий и защитных слоев.

Выбор конкретных материалов при конструировании зависит от способа получения заготовки и критерия работоспособности детали. При выборе

материалов следует руководствоваться следующими соображениями. Детали, размеры которых определяются условиями прочности, выполняются из материалов с высокими прочностными характеристиками с применением упрочняющих технологий (легированные стали). Для деталей с большими упругими перемещениями (пружины, рессоры) применяют закаливаемые до высокой твердости стали. Если детали подвержены контактным напряжениям и износу, то их рекомендуется изготавливать из качественных сталей, закаливаемых до высокой твердости (подшипники качения, зубчатые колеса). Детали, размеры которых определяются из условия жесткости, изготавливаются из материалов с высоким модулем упругости, термически не обрабатываются.

Из двух сопряженных деталей, для которых основным критерием является износостойкость в условиях скольжения, одну деталь выполняют с возможно более твердой поверхностью, а другую – из антифрикционных материалов, с низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, хорошей прирабатываемостью (подшипники скольжения, направляющие).

В некоторых случаях сопряженные детали в паре скольжения должны обладать высоким и постоянным коэффициентом трения, высокими износо- и теплостойкостью в условиях работы всухую или со смазкой (тормоза, фрикционные муфты и передачи). Тогда они изготавливаются из металлокерамики, пластмасс на основе асбеста, белого чугуна.

Сложные по форме детали, например корпусные, изготавливают из материалов, которые хорошо льются. Детали в форме листов, тонкостенных труб, профильных балок – из материалов, допускающих обработку давлением. Детали ферм, рам, подвергаемых резке, гибке, пробивке отверстий в холодном состоянии