2.3. Зменшення маси та металомісткості

Маса має важливе значення у транспортному машинобудуванні. Зменшення маси – це зменшення витрат матеріалу і вартості виготовлення.

Можливості економії металу закладені у зменшені маси машин. Зменшення маси конструкції не повинно бути самоціллю.

Витрати на матеріал складають незначну частину вартості машини і мало впливають на економічний ефект за період експлуатації машини, який головним чином залежить від надійності машини. Якщо зменшення маси веде до зменшення надійності машини, тоді прагнути до цього не доцільно. Краще мати більш важку машину, але надійну.

Порівняльні якості машини однакового призначення оцінюють показниками питомої маси:

, (2.4)

де N – потужність агрегату.

Даний показник враховує степень конструктивної досконалості машини.

Слід відрізняти поняття «маса» та «металомісткість», які не є рівно значущими.

Металомісткість прийнято оцінювати об’ємом металевих деталей. Так як машини зазвичай виготовлюють з металу різної щільності, то у загальному випадку оцінку досконалості проводять за показником питомої металомісткості:

, (2.5)

де m_i - сумарні маси деталей, які виготовлені з матеріалів із щільністю _і.

Зменшення маси зі зниженням металомісткості можна досягти за рахунок надання їм раціональних форм, усунення надлишкових запасів міцності, заміною металевих конструкцій на неметалеві.

Максимального зменшення маси можна досягти наданням деталям рівноміцності.

Ідеальний випадок, коли напруження у кожному перерізі деталі вздовж поздовжньої осі у кожній точці є однаковими, можливий лише за умови дії деяких видів навантажень, коли навантаження сприймають всі перерізи деталей.

За умови неможливості досягнення рівноміцності деталей з причини їхньої складної конфігурації, рекомендується видаляти метал з мало навантажених ділянок, які віддалені від силового потоку.

На рис. 2.10, 1 зображено шестерню, яка була облегшена за рахунок виборок матеріалу (2.10, поз.2). Фланцевий вал 3 можна облегшувати за рахунок видалення матеріалу під буртиками для фіксації болтів 4, також за рахунок заміни конфігурації спряження фланцю з валом 5.

Рис. 2.10. Схеми облегшення деталей

Значного зменшення маси можна досягти за рахунок зміни круглої форми фланцю на багатогранну 6 або форму 7.

Виграш у масі машини дає облегшення кріпильних деталей. Надання раціональних форм кріпильним деталям супровод-жується технологічними вигодами.

У машинах, де зменшення маси відіграє значну роль, застосовують облегшені гайки і головки болтів зі зменшеними радіальними розмірами.

Масу деталей можна зменшити за рахунок збільшення радіусів спряження стінок деталей, тобто за рахунок надання їм плавних обрисів.

Дійсним засобом зменшення маси є застосування листових штампованих конструкцій.

Масу корпусних деталей можна зменшити за рахунок запровадження скелетної конструкції. Литвом отримують лише ті елементи деталі, які потребують точного взаємного розташування. Ці елементи з’єднують облегшеними литими зв’язками. Утворюється скелет, який покривають шаром листового матеріалу.

У рамних конструкціях і фермах значного зменшення маси можливо досягти застосуванням облегшених холодногнутих профілів з листового матеріалу.

Великі можливості зменшення маси забезпечує процес екструзії. Екструзія – це видавлювання з циліндру нагрітого до пластичного стану металу через отвір матриці. В отвір матриці вводять профільні дорни, які дозволяють надати деталям будь якої складної форми (рис. 2.11). Довжина деталей обмежується об’ємом робочого циліндру екструдера.

Один з основних способів зменшення маси – раціональне навантаження деталей з максимальним використанням їхнього матеріалу.

Удосконалення конструктивної схеми також дає можливість зменшити масу. Одним із напрямків удосконалення конструктивної схеми є зменшення числа ланок (рис. 2.12).

Рис. 2.11. Профілі, які отримані екструзією

Рис. 2.12. Схеми зменшення ланок

На рис. 2.12, а крейцкопф у поршневому двигуні встановлено з метою розвантаження стінок циліндру. Функцію крейцкопфа може виконувати поршень, за умови збільшення його висоти і покращення мащення. Безкрейцкопфні двигуні мають майже вдвічі меншу висоту (рис. 2.12, б).

У конструкції кулачкового привода (рис. 2.12, в) кулачок діє на коромисло через штовхач 1. У ряді випадків можна застосовувати більш раціональну схему приводу безпосередньо кулачком (рис. 2.10, г), яка забезпечує зменшення числа деталей, габаритних розмірів, інерційних навантажень.

У вузлі приводу валів (рис. 2.12, д) проміжний валик 3 шляхом зменшення діаметру конічних коліс 4 (рис. 2.12, е) було усунено, що дало можливість облегшати та спростити кон-струкцію.

Прикладом раціонального розміщення деталей з метою зменшення об’єму і габаритних розмірів є двоступінчатий редуктор. Початкова конструкція (рис. 2.13, а) виконана за звичайною схемою. Її можна зробити більш компактною.

Рис. 2.13. Схеми двоступеневого редуктора

На рис. 2.13, в зменшення розмірів та маси здійснено за рахунок зменшення діаметру зубчастих коліс (рис. 2.13, в).