1.4. Расчёт и проектирование деталей машин

КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ, МЕТОДЫ И ТИПЫ РАСЧЁТОВ ДЕ­ТАЛЕЙ МАШИН. При проектировании машин и их деталей необходимо соблю­дать общие требования к ним: прочность, жёсткость, малая масса, доступность материалов, технологичность конструкций, точность изготовления, удобство эксплуатации, красота формы и отделки.

Важным положением, которое относится ко всем машинам и механиз­мам, является то, что в классических науках (теоретической механике, ТММ, сопротивлении материалов) звенья механизма считают абсолютно жёсткими и неизменяемыми. Иными словами, при исследовании машин и механизмов идеализируют те условия, в которых протекает их работа. В действительности же детали механизмов изготовляют из реальных материалов, они имеют ту или иную упругость, а в результате изнашивания изменяют свои размеры.

Абсолютная точность изготовления деталей также является недостижи­мой — размеры детали изготовляют в пределах допуска, зазоры в кинематиче­ских парах с течением времени изменяются, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации механизма. Поэтому более глубокий подход состоит в том, что машину нельзя изолировать от влияния среды, в которой она работает, и от влияния процессов, которые протекают в ней самой при осуще­ствлении рабочих функций. К сожалению, в инженерной практике нет ещё об­щей схемы расчёта машины на надёжность и долговечность с учётом указан­ных факторов.

Работоспособность детали характеризуется рядом критериев (от грече­ского criterion - признак, на основании которого производится оценка, опреде­ление или классификация чего-либо), применяемых с учётом условий её рабо­ты и характера нагружения. Детали машин выходят из строя по различным причинам, которые определяются условиями эксплуатации машины. Причины отказа — это и есть критерии работоспособности. Основными критериями работоспособности и расчёта деталей машин являются: прочность, жёсткость, надёжность, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость и точность.

Понятие критерия работоспособности является очень важным для изуче­ния курса, так как определяет специфику расчётов машин и их элементов.

Критерии работоспособности деталей машин являются центральным понятием этой темы, так как они являются неотъемлемыми параметрами расчё­тов деталей машин. Другой важный элемент почти любого расчёта деталей машин - расчётная схема. Студенты, как правило, недооценивают роль рас­чётных схем. Между тем правильно выполненная или выбранная расчётная схема обеспечивает успешное усвоение методики расчёта. И, наконец, весьма важными являются допущения при расчёте и расчётная формула. Поэтому при изучении курса рекомендуется особое внимание уделять этим понятиям.

Применительно к нашему курсу, прочность — способность детали вы­держивать нагрузки (постоянные, переменные или ударные) без разрушения. Жёсткость - способность деталей и узлов сопротивляться изменению формы под нагрузкой. Износостойкость — способность материала рабочих поверхно­стей деталей сопротивляться изнашиванию. Теплостойкость — способность машины работать при повышенных температурах. Виброустойчивость — спо­собность машины сопротивляться появлению вредных вынужденных колебаний или автоколебаний. Точность — свойство деталей и машин работать в за­данных пределах возможных отклонений параметров, например, размеров. Это один из важнейших показателей качества, влияющий на работоспособность и надёжность машин и механизмов.

МЕТОДЫ РАСЧЁТОВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН. Детали машин во время их ра­боты под действием приложенных сил испытывают различные по форме и величине напряжения и деформации. Величины действительных напряжений и деформаций в сечениях детали надо ограничивать, чтобы деталь не потеряла работоспособности. Следует иметь в виду, что пластичные материалы (мяг­кая углеродистая сталь, медь, алюминий и др.) разрушаются при больших оста­точных деформациях вследствие нарушения сопротивления сдвигу. Хрупкие материалы (закалённая сталь, чугун, стекло, бетон и др.) разрушаются при ма­лых остаточных деформациях в результате нарушения сопротивлению отрыва частиц.

Для определения механических характеристик материалов (прочности, упругости, пластичности и др.) производят их испытания. Характеристикой прочности материала является предел прочности σ_в, характеристиками упруго­сти являются предел упругости σ_у и модуль упругости Е, характеристикой пластичности - предел текучести σ_т.

Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (рис. 18) строится в координатах напряжение - относительная деформация, то есть σ = f(ε). На диаграмме прямолинейный участок 0 - 1 свидетельствует о том, что материал до определённого предела относительного удлинения подчиняется закону Гука.

Точка 1 соответству­ет пределу пропорциональ­ности σ _пц) а точка 1' - пре­делу упругости σ_у, то есть наибольшему напряжению, при котором в материале ещё нет остаточных де­формаций: σ_у = F_y / S₀, где F_y — нагрузка, соответст­вующая пределу упругости;

Рис. 18. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

(справа - образец для испытаний)

S_o — первоначальная площадь сечения образца. При этом относительное удлинение ε достигает - 0,1%.

В точке 2 диаграммы материал переходит в область пластичности - на­ступает явление текучести материала - и на участке 2-3 (площадка текучести) деформации растут при постоянном напряжении, называемом пределом теку­чести: σ _т = F_т/S_o, где F_т - усилие, соответствующее пределу текучести. На уча­стке 3-4 наблюдается упрочение материала и вблизи точки 4 появляется так называемая «шейка» - местное сужение поперечного сечения образца. На­пряжение σ_в = F_max / S_o называется пределом прочности.

На участке 4 — 5 происходит быстрое уменьшение сечения «шейки» и в точке 5 образец разрывается при разрушающей нагрузке F_paзp. Напряжение, при котором образец из данного материала разрушается, называется предельным. Предельные напряжения зависят от свойств материала и вида деформации.

Расчёт деталей машин на прочность и жёсткость осуществляется двумя методами: