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

75596. Кіно в Британії. Моє відвідування кінотеатру 58.5 KB
  Обладнання: підручник Keyfcts bout film HO1 Trueorflse H02. T: In your notebook write 9 types of films. I will cll out one type of films t time. If you her one of your type of films put your hnd up nd cross the word out.
75597. Театри в Великобританії. Бесіда по телефону, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 70 KB
  Активізувати у мові учнів ЛО теми «Відвідування театру». Практикувати учнів у читанні тексту з метою отримання загального уявлення (skimming) з метою максимально повного й точного розуміння всієї інформації, що міститься в тексті (scanning). Повторити навчальний матеріал про ведення бесіди по телефону.
75598. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА КОРОТКИХ СИГНАЛОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ СИГНАЛА 140 KB
  Одной из важнейших задач цифровой обработки зашумленных сигналов является обнаружение информативного сигнала в потоке данных искаженных шумами и помехами и определение его параметров. Каждая из этих операций позволяет выполнять преобразования исходного сигнала например переход сигнала из временной области в частотную или наоборот причем при этом производится уменьшение уровня шумов в обработанном сигнале. В задачах обнаружения и определения параметров защумленных сигналов усиление эффекта подавления шумов и...
75599. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА КОРОТКИХ СИГНАЛОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ МЕЖДУ РАДИОИМПУЛЬСАМИ 189.5 KB
  Известный способ измерения расстояния до объекта основан на измерении времени задержки отраженного радиолокационного сигнала от возбуждающего радиоимпульса. По времени задержки отраженного сигнала от зондирующего определяется толщина металла. Однако увеличение количества накоплений позволяет улучшать отношение сигнал шум без искажения формы и уменьшения амплитуды накопленного отраженного сигнала лишь до некоторого предела. При ограничении времени проведения анализа количество возможных...
75600. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА НЕСТАЦИОНАРНЫХ СИГНАЛОВ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГИЛЬБЕРТА-ХУАНГА 140 KB
  Каждый из этих колебательных режимов может быть представлен функцией внутренней моды intrinsic mode function IMF. IMF представляет собой колебательный режим как часть простой гармонической функции но вместо постоянной амплитуды и частоты как в простой гармонике у IMF могут быть переменная амплитуда и частота как функции независимой переменной времени координаты и пр. Любую функцию и любой произвольный сигнал можно разделить на семейство функций IMF. Процесс отсева функций IMF.
75601. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГИЛЬБЕРТА 30.5 KB
  Спектральный анализ Гильберта HS применяется для описания нестационарных сигналов т. Мгновенная частота может быть вычислена по формуле wt = d q t dt Цель применения преобразования Гильберта IMF определенные вышеприведенным способом допускают вычисление физически значимых мгновенных частот что дает возможность создать частотно-временное представление сигнала на основе преобразования Гильберта. ЦОС по методу Гильберта-Хуанга включает последовательное применение нескольких...
75602. ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ 345.5 KB
  Целью обработки может являться также улучшение качества изображения для лучшего визуального восприятия геометрические преобразования масштабирование поворот в общем нормализация изображений по яркости контрастности резкости выделение границ изображений автоматическая классификация и подсчет однотипных объектов на изображении сжатие информации об изображении. К основным видам искажений изображений затрудняющих идентификацию можно отнести: Недостаточную контрастность и яркость связанную с недостаточной освещенностью объекта;...
75603. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЕ ВИЗУАЛЬНОГО КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЙ 1.67 MB
  MTLB предоставляет средства интерактивной работы с изображениями в различных графических форматах включая: Изменение масштаба изображения; Изменение яркости и контрастности; Поворот изображения; Многие виды фильтрации; Конвертирование графического формата...
75604. СРЕДСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ 1.07 MB
  Hассмотрен классический подход к решению задачи обнаружения сигнала приведенный ниже. либо сумму детерминированного сигнала Vt и шума. Будем считать что факт наличия сигнала Vt тоже случаен. Для решения вопроса о наличии сигнала в данный момент можно принять правило: сигнал присутствует если...