72248

Детали машин и основы конструирования (Лекция №1)

Лекция

Производство и промышленные технологии

Весьма сложные зависимости работоспособности реальных элементов машин от величины и характера нагрузки, размеров и формы деталей, материалов и их обработки, требуемого срока службы и др. вызывают необходимость введения допущений и поправочных коэффициентов при их расчетах.

Русский

2014-11-19

798.5 KB

3 чел.

2

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Детали машин

и основы конструирования

Лекция №1

1.1. Задачи и содержание курса «Детали машин и основы конструирования»

1.2. Особенности курса и его изучения

1.3. Тенденции современного машиностроения.

1.4. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин.

1.5. Общая классификация деталей машин.

1.6. Передачи

1.6.1. Основные направления развития механических передач.

1.6.2. Зубчатые передачи. Основные достоинства.

1.6.3. Недостатки зубчатых передач.

1.6.4. Пути совершенствования зубчатых передач.

1.6.5. Классификация зубчатых передач.

1.6.6. Нормы точности изготовления зубчатых колес.

1.7. Особенности геометрии цилиндрических косозубых передач.

1.7.1. Преимущества применения косозубых передач.

1.7.2. Недостатки применения косозубых передач.

1.8. Силы в зацеплении косозубой передачи.

Лектор проф. В.Ф. Водейко

Группы 4ВА1, 4ВА2.

1.1. Задачи и содержание курса

«Детали машин и основы конструирования»

Основная задача курса — изучение методов инженерных расчетов и проектирования типовых элементов машин.

Типовыми называются детали и узлы, входящие в состав большинства машин. Это:

соединения (сварные, резьбовые, шлицевые);

передачи (зубчатые, червячные, ременные, цепные и др.);

элементы передач (валы, подшипники, муфты).

Специальные элементы машин, применяемые в отдельных группах машин и определяющие их специфику работы (двигатели внутреннего сгорания, гидравлические машины) изучаются в специальных курсах, но общие методы расчета и проектирования, изучаемые в курсе «Детали машин и основы конструирования», распространяются и на специальные элементы машин. Только в базовом курсе возможна отработка единого метода расчета типовых и специальных элементов машин и устранение недопустимого многообразия форм и методов расчета.

1.2. Особенности курса и его изучения.

1.2.1. Весьма сложные зависимости работоспособности реальных элементов машин от величины и характера нагрузки, размеров и формы деталей, материалов и их обработки, требуемого срока службы и др. вызывают необходимость введения допущений и поправочных коэффициентов при их расчетах. В этом - основное отличие инженерных методов расчета от общетеоретических.

1.2.2. Многовариантность конструкторских решений и различные методы расчета вызывают необходимость находить оптимальную конструкцию в соответствие с заданными условиями работы не только механико — математическим путем, но и эстетически. Проектирование не только наука, но и искусство.

1.2.3. При расчете число неизвестных может превосходить число уравнений, поэтому расчет приходится вести методом последовательных приближений. Это обязывает уметь выбирать исходные величины близкие к действительным, уметь использовать современные компьютерные программы, облегчающие нахождение оптимального варианта.

1.2.4. Преемственность и место курса в системе обучения.

В курсе «Детали машин и основы конструирования» используются знания студентов по предшествующим курсам: «Сопротивление материалов», «Технология металлов», «Теория механизмов и машин», «Инженерная графика», «Прикладная математика», «Экономика» и др., составляющим общеинженерную ступень высшего образования.

1.2.5. Метод изучения курса.

Основа метода — самостоятельность, ритмичность, научно — исследовательский характер изучения.

Без самостоятельной работы нельзя научиться составлять расчетные схемы, оценивать условия работы, обосновать поправочные коэффициенты и допущения, нельзя овладеть методом совершенствования конструкции.

Без ритмичной работы нельзя освоить огромное многообразие приемов конструирования и разновидностей методов расчета. Несовременная проработка материала прогрессивно увеличивает время самостоятельной работы. Научно – исследовательский характер изучения складывается из изучения рекомендованной литературы [1], [2], глубокого представления физического смысла изучаемых вопросов, непрерывного стремления к совершенствованию компьютерного программного обеспечения, включая модель 3D.

1.3. Тенденции современного машиностроения.

Общая тенденция — повышение качества машин.

Отдельные тенденции или показатели качества:

— увеличение мощности и скорости, точности работы, удобства ремонта и эксплуатации;

— повышение надежности и автоматизации работы;

— технологичность и экономичность;

— степень стандартизации и унификации;

— эстетические и эргономические показатели.

Все эти показатели связаны между собой, например, степень стандартизации влияет на экономичность, технологичность, надежность, эксплуатацию и ремонт.

Современный конструктор должен сочетать оригинальность конструкции с максимальным использованием стандартных деталей и унифицированных узлов.

Машина — сложная композиция отдельных элементов.

Главный показатель качества — надежность, которая складывается из безотказной работы, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Недостаточная надежность сдерживает развитие автоматизации — цели научно — технического прогресса.

Надежность закладывается при проектировании, обеспечивается высоким уровнем производства и сохраняется грамотной эксплуатацией.

Надёжность – сохранение работоспособности при заданном сроке службы.

Отказ – нарушение работоспособности.

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с установленными параметрами.

1.4. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин.

Работоспособность элементов машин, в зависимости от условий их работы, определяется одним или несколькими из основных критериев.

1.4.1. Прочность и особенно циклическая прочность – главный критерий.

Определяется из сравнения действующих и допускаемых напряжений или запасов прочности.

Точность расчетов не только гарантирует прочность, но и уменьшает габариты и массу деталей, что экономит материалы и снижает динамические нагрузки.

1.4.2. Жесткость. Часто работоспособность механизма определяется жесткостью валов, корпусов и других деталей. Жесткость обеспечивается формой и размерами деталей. Потребность в расчетах на жесткость возрастает по мере увеличения прочности сталей.

1.4.3. Износостойкость. Известно, что 80% деталей выходят из строя из-за износа. Износ вызывает потерю точности, герметичности, снижает прочность и КПД, увеличивает шум и вибрации.

1.4.4. Теплостойкость. Нагрев снижает пределы прочности, текучести, выносливости, повышает ползучесть и релаксацию напряжения, понижает эффектность смазки, уменьшает необходимые зазоры в подвижных соединениях. Все это вызывает необходимость расчетов на нагрев, применения теплостойких материалов и смазки.

1.4.5. Виброустойчивость. Вибрации вызывают шум, дополнительные переменные напряжения и усталость материалов. Они становятся опаснейшим врагом прочности, т.к. с увеличением скоростей опасность вибраций и возможности наступления резонанса колебаний возрастают.

1.4.6. Стойкость к коррозии. Потери от коррозии составляют десятки миллионов тонн стали в год, а убытки исчисляются десятками миллиардов рублей. Действие коррозии ограничивается применением антикоррозионной защиты (покрытия, специальные смазки и др.), применением нержавеющих сталей и др.

1.5. Общая классификация деталей машин.

1.5.1. Передачи – механизмы, предназначенные для передачи энергии с одного вала на другой, как правило, с увеличением или уменьшением их угловых скоростей и соответствующим изменением крутящих моментов.

1.5.2. Детали, обслуживающие вращение (детали передач).

1.5.3. Соединения, т.к. изготовление машин вызывает необходимость соединения различных деталей между собой.

1.6. Передачи

Машина состоит из двигателя, передачи, исполнительного механизма и системы управления.

Двигатели, исполнительные механизмы и элементы управления имеют много специфического и изучаются в специальных курсах. Наиболее общей частью всех машин является передача. Она служит для передачи движения от двигателя к исполнительному механизму, изменения скорости, направления и характер движения, изменения и распределения крутящего момента и др. функций.

В современном машиностроении применяются механические, гидравлические, электрические и пневматические передачи. В курсе «Детали машин и основы конструирования» рассматриваются механические передачи, которые имеют наибольшее распространение. Они широко применяются как отдельно, так и в составе гидромеханических, электромеханических и других сложных передач.

В свою очередь механические передачи разделяются на:

1. Передачи зацеплением.

2. Передачи трением.

Передачи могут быть с постоянным передаточным числом (редукторы, ускорители) и с переменным передаточным числом (коробки перемены передач и др.).

Редукторы более распространены, чем ускорители.

Коробки передач могут быть со ступенчатым и бесступенчатым регулированием передаточного числа (автоматические).

Исходные параметры, характеризующие кинематику и динамику передачи: Nд, nд, u, η.

Другие интересующие конструктора параметры являются производными:

 

 

Рис. 1.    где  .

1.6.1. Основные направления развития механических передач.

Основные направления развития механических передач таковы:

— повышение и расширение диапазона передаваемой мощности и скорости;

— повышение надежности и долговечности;

— повышение КПД, снижение массы и габаритов;

— расширение автоматизации работы и управления.

1.6.2. Зубчатые передачи. Основные достоинства.

Основные достоинства зубчатых передач следующие:

— высокая нагрузочная способность;

— надежность и высокий КПД;

— постоянство передаточного числа и широкий диапазон его изменения;

— возможность передавать большие мощности и иметь большую частоту вращения;

— компактность, малые нагрузки на валы и опоры.

1.6.3. Недостатки зубчатых передач.

К недостаткам зубчатых передач относят:

— потребность в высокой точности изготовления и монтажа для снижения вибраций, шума при больших скоростях вращения;

— большие габариты при больших потребных межосевых расстояниях.

1.6.4. Пути совершенствования зубчатых передач.

Пути совершенствования зубчатых передач, в основном, таковы:

— оптимизация схемы передачи /тип, много поточность и др.;

— высокопроизводительные методы изготовления (накатка, протяжка и др.);

— термохимическое и механическое упрочнение;

— точность доводочных операций;

— новые материалы и новые виды зацеплений;

— точность расчетов и др.

1.6.5. Классификация зубчатых передач.

Зубчатые передачи классифицируют следующим образом:

  1.  По взаимному расположению осей валов: цилиндрические, конические, гипоидные, винтовые. Наиболее распространены цилиндрические как более простые и надежные. Конические, гипоидные и винтовые применяют для передачи вращения между перекрещивающимися или пересекающимися валами.
  2.  По форме зубьев: с прямыми, косыми, шевронными и криволинейными зубьями. Прямые зубья вытесняются косыми, шевронными и криволинейными как более перспективными.
  3.   По перемещению осей валов в пространстве: непланетарные, (простые) и планетарные. Применение планетарных передач расширяется.
  4.   Наибольшее распространение имеет эвольвентное зацепление благодаря простоте нарезания, возможности смещения по профилю, малой чувствительности к некоторому изменению межосевого расстояния.
  5.  Различают передачи также по точности изготовления, скорости, числу ступеней, материалу, наличию корпуса и др. особенностям.

1.6.6. Нормы точности изготовления зубчатых колес.

Точность зубчатых передач регламентируется по ГОСТ 1643-81 для цилиндрических зубчатых передач и ГОСТ 1758-81 для конических зубчатых передач. (таблица 1)

Шероховатость рабочих поверхностей: зубьев шестерен с модулем до 5 мм – не ниже 7-го класса, зубьев колес – не ниже 6-го класса. При большем модуле – на один класс ниже.

Степень точности выбирается в зависимости от назначения и условий работы передач. Основной критерий – окружная скорость. Для общепромышленных передач с прирабатывающимися колесами (H ≤ 350 НВ) степени точности выбираются по табл. 2

Прямозубые передачи можно применять при V < 2 м/с, а так же тогда, когда осевая сила совершенно недопустима. Нужно учитывать, что в равных условиях косозубые передачи передают нагрузку в 1,35 раза большую, чем прямозубые.

Таблица 1 Степень точности изготовления зубчатых колес.

Вид передачи

Вид

зубьев

Степень точности (ГОСТ 1643-81)

6

7

8

9

Окружные скорости, м/с

Цилиндрические

прямые

15

10

5

3

непрямые

30

20

10

5

Конические

прямы

10

5

3

2

непрямые

20

15

8

4

Применение в передачах

различных машин

Станки металлорежущие

Автомобили легковые

Редукторы общего назначения

Автомобили грузовые

Тракторы

Крановые механизмы

Сельскохозяйственные машины

Примечание. Зубчатые передачи редукторов должны изготовляться не ниже степени точности 8 – 7 – 7 – В (ГОСТ 1643 81)

Таблица 2. Значения степени точности

Передачи

Окружная скорость, [м/с]

< 5

5…8

8…12,5

12,5…20

Степень точности

Цилиндрические прямозубые

9

8

7

6

Цилиндрические косозубые

9

9

8

7

Конические прямозубые

8

7

6

-

Каждая степень точности характеризуется тремя нормами:

а) норма кинематической точности;

б) норма плавности работы;

в) норма контакта.

Норму кинематической точности можно принимать по таблице 2, на одну степень грубее. Например, при степени точности 7, норму кинематической точности можно принять 7 или 8.

Норма плавности работы определяет виброакустические характеристики передачи; её надо выбирать не ниже табличной. В редукторах - не грубее 8-й степени.

Пятно контакта определяет несущую способность передачи. Норму контакта принимают по таблице 2 или на одну степень выше. Например, при степени точности 8. норму контакта можно взять 8 или 7. В редукторах норму контакта - не грубее 8-й степени.

В передачах с твердостью шестерни и колеса > НВ 350, с окружной скоростью до 12,5 м/с следует принимать степень точности не ниже 9 – 8 – 7 – В, а со скоростью от 12,5 до 20 м/с - не ниже 8 – 7 – 7 – В.

Независимо от степени точности стандартизирован вид сопряжения колес в порядке увеличения бокового зазора: H, E, D, С, B, A.

В сопряжениях Н – минимальный боковой зазор равен нулю. В передачах рекомендуют сопряжение В.

Примеры обозначения:

а) 9 – 8 – 7 – В ГОСТ 1643-81, где 9 – норма кинематической точности, 8 – норма плавности, 7 – норма контакта, В – вид сопряжения.

б) 8 – В ГОСТ 1643-81, если по всем трём нормам назначена одна степень точности.

1.7. Особенности геометрии цилиндрических косозубых передач.

В отличие от прямых зубьев, косые зубья входят в зацепление не сразу по всей длине, так как отсутствует зона однопарного зацепления, а постепенно в направлении, показанного стрелкой, от 1 к 3 (Рис. 2). В зацеплении находятся три пары зубьев (1, 2, 3).

В прямозубом зацеплении нагрузка с одного зуба на другой передается мгновенно, а в косозубых – постепенно по мере захода зубьев в зацепление.

ширина зуба колеса;

окружной шаг;

нормальный шаг;

осевой шаг;

угол наклона зуба к основному цилиндру;

коэффициент торцевого перекрытия.

Рис. 2.

Рассматривая поле зацепления, ограниченное шириной зуба  и произведением  находим, что  откуда

Нормальный шаг и нормальный модуль   

Для косозубых цилиндрических колёс  является основной расчетной величиной, он уточняется по ГОСТ 13755-81 и по нему рассчитываются все параметры зубчатого колеса.

Обозначив через  число одновременно зацепляющихся зубьев, получим  Наибольшая длина контактной линии пары зубьев,  где  - коэффициент торцевого перекрытия равен  - [для не фланкированных передач - без смещения; для внешнего зацепления необходимо подставлять (+); для внутреннего зацепления - (-)].

При увеличении числа зубьев z1 и z2 коэффициент  увеличивается и, наоборот, с увеличением угла наклона β коэффициент торцевого перекрытия  уменьшается.

Наибольшая длинна контактных линий косозубого зацепления . Учитывая  (коэффициент точности взаимодействия колес и изменения общей длины контактной линии), находим:

мм,          (1)

где .

1.7.1. Преимущества применения косозубых передач.

  1.  Большая нагрузочная способность, большая прочность по контактным и изгибным напряжением по сравнению с прямозубыми.
  2.  Большая продолжительность зацепления и плавность работы, что уменьшает динамические нагрузки, шум и вибрации.
  3.  Снижается неравномерность распределения нагрузки по длине линии контакта зуба.
  4.  Имеется возможность изготовления колес с минимальным числом зубьев без подрезания ножек зубьев - zmin = 14.

1.7.2. Недостатки применения косозубых передач.

Наличие осевых сил требует расчетной и конструкторской проверки подшипниковых узлов, на которых установлены зубчатые колеса. Чем больше угол наклона зуба, тем выше нагрузочная способность и плавность работы передачи, однако при этом возрастают осевые усилия и уменьшается коэффициент торцевого перекрытия зубьев , что ограничивает угол наклона зубьев.

В редукторостроении применяют , а в шевронных передачах .

1.8. Силы в зацеплении косозубой передачи.

а)        б)

Рис. 3

На рис. 3а обозначено: Fn – сила нормального давления, действующая по нормали к профилю зуба, условно приложена в полюсе Р зацепления зубчатых колес, на середине длины зуба.

На рис 3б показано общепризнанное обозначение сил, действующих в цилиндрической косозубой передаче с правым наклоном зубьев, ведущей шестерней и ведомым колесом. В этом случае знак обозначает окружную силу Ft, направленную к наблюдателю, а знак обозначает окружную силу Ft, направленную от наблюдателя. В этом случае зацепления зубчатых колес условно отодвинуты друг от друга.

. Н – окружная сила, где Hм, d1 – диаметр начальной окружности шестерни, Nд, nд – мощность и обороты двигателя.

В сечении n-n радиальная сила , где вспомогательная сила, угол зацепления в нормальном сечении, . Из основного рисунка , откуда . Таким образом,  Н. Осевая сила  Н. Возвращаясь к силе нормального давления, из сечения n-n находим . Окончательно

Н.         (2)

Прямозубая передача является частным случаем косозубой.

Если , то , ,  Н.

В шевронных передачах и передачах с раздвоенным потоком мощности осевые силы уравновешиваются (Рис. 4), что позволяет применять большие углы наклона зуба .

Рис. 4 Силы, действующие в зацеплении шевронной передачи.

Литература

  1.  В.А. Балдин, В.В. Галевко Детали машин и основы конструирования

– М.: ИКЦ Академкнига, 2006. – 330 с.

  1.  М.Н. Иванов, В.А. Финогенов  Детали машин. Учебник для машиностроитель- ных специальностей вузов – М.: Высшая школа, 2005. - 408 с.: ил.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73749. История становления социального партнерства в мире 36.5 KB
  Регулирование социально-трудовых отношений в этот период носит одно сторонник характер. С легитимацией профсоюзов наемные работники получили своего официального представителя в процессе регулирования социально-трудовых отношений.
73750. Організація нормативно-правового забезпечення бухгалтерського обліку 147.5 KB
  Нормативноправову основу організації бухгалтерського обліку; порядок формування і документального оформлення облікової політики підприємства. Після вивчення теми 2 студент повинен вміти: пояснити рівні нормативноправового регулювання бухгалтерського обліку; розробити положення про облікову політику; охарактеризувати організаційні методичні та технічні складові облікової політики. Ключові слова Структура нормативноправового регулювання бухгалтерського обліку облікова політика...
73751. Зародження та розвиток анімаційних форм дозвілля 160.5 KB
  На відміну від сучасної людини, якій не важко відокремити свій вільний час від робочого, первісні люди сприймали життя як єдиний безперервний процес виживання свого роду і племені у ворожому і багато в чому незрозумілому світі.
73752. Социальные тенденции развития социального партнёрства 44 KB
  Тенденции развития социально трудовых отношений в развитых странах Основные результаты социально-трудовых отношений индустриальной эпохи. Социально трудовые отношения несмотря на наличие различных механизмов их регулирования продолжают оставаться противоречивыми. Эти противоречия кроются в самой природе социально-трудовых отношени...
73753. ГЕОЕКОЛОГІЧНЕ, ГІДРОГЕОЛОГІЧНЕ, ГЕОЛОГІЧНЕ ТА ІНЖЕНЕРНО – ГЕОЛОГІЧНЕ КАРТУВАННЯ 27.5 KB
  Загальні принципи і методи картування. Геологічне картування або геологічна зйомка –вивчення геологічної будови земної кори тобто головна мета – це складання різних карт того чи іншого регіону. Також при картуванні використовується аерофотометоди на основі яких можливо з високою точністю встановити на місцевості і відобразити на геологічній карті межі та інші деталі геологічної будови об`єкта картування.
73754. Етапи проведення геоекологічного, гідрогеологічного та інженерно – геологічного картування 36 KB
  Етапи картування зйомочних робіт. Етапи картування зйомочних робіт. Основною задачею тематичних загонів – це ув`язка зйомочних робіт загонів партії та експедиції. У підготовчій період створюються партії виконується проектування робіт та підготовка матеріальної та технічної бази для виконання запроектованих робіт.
73755. Особливості зйомки у різних геолого-географічних умовах 24.5 KB
  Методика польових робіт. Техніка польових робіт. Тип геологічної зйомки і напрямок досліджень визначається геологічною обстановкою і фізикогеографічними умовами району робіт. Полевій метод являється основним і самим відповідальним у циклі геолого – зйомочних робіт.
73756. Охорона навколишнього середовища і вимоги до виконання правил екологічного захисту місцевості, на якій проводились геологозйомочні роботи 38 KB
  Картування гідрогеологічних і інженерногеологічних процесів та явищ. Інженерногеологічні основи рекультивації геологічного середовища. Основними компонентами геологічного середовища формуючи умови будівництва і інженерногосподарського освоєння території являються гірничі породи підземні або ґрунтові води і геодинамічні процеси. Додатковими компонентами прямо або косвенно впливаючи на умови будівництва та експлуятяції споруд які необхідно включати при інженерногеологічних пошуків являються атмосфера гідросфера почви та рослинність.