Классификация деталей машин

Не существует абсолютной, полной и завершённой классификации всех существующих деталей машин, т.к. конструкции их многообразны и, к тому же, постоянно разрабатываются новые.

Для ориентирования в бесконечном многообразии детали машин классифицируют на типовые группы по характеру их использования [1, 10, 11].

è ПЕРЕДАЧИ передают движение от источника к потребителю.

è ВАЛЫ и ОСИ несут на себе вращающиеся детали передач.

è ОПОРЫ служат для установки валов и осей.

è МУФТЫ соединяют между собой валы и передают вращающий момент.

è СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ (СОЕДИНЕНИЯ) соединяют детали между собой.

è УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ смягчают вибрацию и удары, накапливают энергию, обеспечивают постоянное сжатие деталей.

è КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ организуют внутри себя пространство для размещения всех остальных деталей, обеспечивают их защиту.

Рамки учебного курса не позволяют изучить все разновидности деталей машин и все нюансы проектирования. Однако знание, по крайней мере, типовых деталей и общих принципов конструирования машин даёт инженеру надёжный фундамент и мощный инструмент для выполнения проектных работ практически любой сложности.

31 Принцип действия и классификация зубчатых передач. Применение. Зубчатой передачей называется меха­низм, служащий для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством зубчатых колес и реек.

Зубчатое колесо, сидящее на передающем вращение валу, называется веду­щим, а на получающем вращение — ведомым. Меньшее из двух колес со­пряженной пары называют шестерней; большее — колесом; тер­мин «зубчатое колесо» относится к обеим деталям передачи.

Зубчатые передачи представляют собой наиболее распространенный вид передач в современном машиностроении. Они очень надежны в работе, обеспечивают постоянство передаточного числа, компактны, имеют высо­кий КПД, просты в эксплуатации, долговечны и могут передавать любую мощность (до 36 тыс. кВт).

К недостаткам зубчатых передач следует отнести: необходимость высо­кой точности изготовления и монтажа, шум при работе со значительными скоростями, невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа.

В связи с разнообразием условий эксплуатации формы элементов зубча­тых зацеплений и конструкции передач весьма разнообразны.

Зубчатые передачи классифицируются по признакам, приведенным ниже.

1. По взаимному расположению осей колес: с па­раллельными осями (цилиндрическая передача — рис. 172, I—IV); с пере­секающимися осями (коническая передача — рис. 172, V, VI); со скрещива­ющимися осями (винтовая передача — рис. 172, VII; червячная передача — рис. 172, VIII).

2. В зависимости от относительного вращения колес и расположения зубьев различают передачи с внеш­ним и внутренним зацеплением. В первом случае (рис. 172, I—III) враще­ние колес происходит в противоположных направлениях, во втором (рис. 172, IV) — в одном направлении. Реечная передача (рис. 172, IX) служит для преобразования вращательного движения в поступательное.

3. По форме профиля различают зубья эвольвентные (рис. 172, I, II) и неэвольвентные, например цилиндрическая передача Новикова, зу­бья колес которой очерчены дугами окружности.

4. В зависимости от расположения теоретичес­кой линии зуба различают колеса с прямыми зубьями (рис. 173, I), косыми (рис. 173, II), шевронными (рис. 173, III) и винтовыми (рис. 173, IV). В непрямозубых передачах возрастает плавность работы, уменьшается износ и шум. Благодаря этому непрямозубые передачи большей частью применяют в установках, требующих высоких окружных скоростей и пере­дачи больших мощностей.

5. По конструктивному оформлению различают закры­тые передачи, размещенные в специальном непроницаемом корпусе и обес­печенные постоянной смазкой из масляной ванны, и открытые, работаю­щие без смазки или периодически смазываемые консистентными смазками (рис. 174).

2 Основные требования, предъявляемые к конструкции деталей машин. Основными требованиями, предъявляемыми к деталям, являются простота их форм, экономичность (стоимость материала, затраты на изготовление и эксплуатацию) и надежность (способность сохранять во времени свою работоспособность). Работоспособность же определяют, как по отдельным, так и совместным показателям прочности, износостойкости, теплостойкости, жесткости, устойчивости и виброустойчивости. Значения необходимых показателей зависят от условий работы деталей (для крепежных деталей — прочность, для ходового винта — износостойкость). Однако главным показателем для большинства деталей является прочность — свойство детали сопротивляться изменению формы (разрушению) под воздействием внешних нагрузок.

При расчетах деталей машин на прочность при постоянных или переменных напряжениях в качестве предельного напряжения принимают соответствующие пределы прочности и выносливости (при растяжении, сжатии, изгибе и кручении), а также коэффициенты запаса прочности по табличным данным. Для определения требуемых размеров детали выполняют проектный расчет по допускаемым напряжениям, а затем уточненный проверочный расчет по коэффициентам запаса прочности.

Надежность деталей зависит от изготовления (точность обработки), и качества используемого материала, а также правильного выбора видов и режимов работы деталей.

32 Критерии работоспособности и расчета зубчатых передач.

Размеры зубчатых зацеплений определяют из расчетов на прочность. При этом исходные положения для всех типов зубчатых передач в общем одинаковы. Основными элементами, определяющими работоспособность передачи являются зубья колес.

При передаче вращающего момента T ₁ в зацеплении двух прямозубых колес возникает сила нормального давления F_n, действующая вдоль линии зацепления NN. Перенося F_n по линии ее действия в точку на оси симметрии зуба и раскладывая ее на окружную силу F_t и радиальную F_r, получим:
F_t = 2 T ₁/ d ₁ = F_n cos α, F_r = F_n sin α = F_t tg α.

Кроме того, так как перекатывание зубьев сопровождается скольжением одного профиля по другому, в зацеплении также возникает сила трения F_f = fF_n, где f - коэффициент трения.

Под действием сил F_n и F_f зуб находится в сложном напряженном состоянии. Основными напряжениями, определяющими работоспособность зацепления, являются контактные напряжения σ _H и напряжения изгиба σ _F. Для каждого зуба они изменяются во времени по некоторому пульсирующему циклу. Время действия σ _F за один оборот колеса равно продолжительности зацепления одного зуба. Контактные напряжения σ _H действуют еще меньшее время, равное продолжительности пребывания данной точки зуба в зацеплении.

Переменные напряжения и трение вызывают усталостное разрушение зубьев: поломки, вакрашивание, абразивный износ, заедание.

Выход зубьев из строя предупреждается технологическими и эксплуатационными мерами (повышение точности обработки и монтажа, рациональный выбор материалов и термообработки, подбор смазки и т.д.). Кроме того работоспособность передач зависит от правильного расчета и конструирования зубчатых колес.

Те или иные повреждения и разрушения характерны для определенных условий работы передач. Так, в закрытых передачах, работающих с обильной смазкой, основным видом повреждения является усталостное выкрашивание рабочих поверхностей от контактных напряжений, поэтому закрытые передачи расчитываются на контактную усталость и проверяются на изгиб. Открытые передачи, работающие без смазки и незащищенные от внешней среды, выходят из строя в результате абразивного износа, приводящего к излому зубьев. Поэтому основным критерием работоспособности открытых передач является прочность зубьев на изгиб.

3 Критерии работоспособности деталей машин.

Критериями работоспособности деталей является их прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость. Под надежностью деталей и сборочных единиц понимают их свойство сохранять работоспособность в течение заданного срока эксплуатации.

В зависимости от назначения детали ее расчет ведут по одному или нескольким критериям. Например, валы рассчитывают на прочность, жесткость, виброустойчивость, а для резьбовых и сварных соединений главным критерием является их прочность.

Прочность – важнейший критерий работоспособности детали, характеризует ее способность сопротивляться действию нагрузок без разрушения или пластических деформаций. Непрочные детали не могут работать.

Различают поломки деталей при статическом нагружении и при повторно-переменном нагружении, когда рабочие напряжения достигают соответственно предела прочности σ _в (предела текучести σ _т) и пределов выносливости σ _-1, τ _-1.

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. Упругие перемещения деталей не должны превышать допустимых перемещений, устанавливаемых на основании опытов и расчетов. Например, при больших прогибах валов в редукторе резко ухудшается работа зубчатых колес и подшипников.

Износостойкость. В результате изнашивания выходят из строя большинство подвижно соединенных деталей. При этом происходит увеличение зазоров в соединении, что приводит к потере точности работы механизма, возрастанию динамических нагрузок и даже поломке деталей.

33 Основные требования, материалы и конструкции зубчатых колес. современных машинах преимущественное распространение получили зубчатые колеса с эвольвентным зацеплением.

В зависимости от условий выполняемой работы и назначения к зубчатым передачам предъявляются следующие требования:
а) высокая износостойкость рабочих поверхностей зубьев, достигаемая за счет применения высококачественных легированных сталей, термической и химико-термической обработки, механического упрочнения ППД, отделки поверхности;
б) бесшумность и плавность работы, точность передачи движений, достигаемые точностью изготовления профиля зубьев, их отделкой и устранением эксцентричности зубчатых венцов;
в) достаточный коэффициент полезного действия;
г) высокая усталостная прочность зубьев, достигаемая их тщательной обработкой, термическим, механическим, термомеханическим упрочнением, отделкой.

Перечисленные требования объясняются высокими окружными скоростями, контактными давлениями, изгибающими циклическими нагрузками.

Точность зубчатых передач характеризуют следующие показатели:
1. Кинематическая точность передачи вращения от данного колеса к сопряженному. Нарушение кинематической точности проявляется в несогласованности поворотов колес передачи за каждый оборот.
2. Плавность работы передачи. Нарушение ее вызывает многократно повторяющиеся колебания скорости вращения, сопровождаемые вибрацией и шумом.
3. Пятно контакта боковых поверхностей зубьев. Его уменьшение приводит к увеличению концентрации нагрузки на малых участках поверхности зубьев.
4. Боковой зазор между нерабочими профилями зубьев.
материал- Углеродистые и легированные конструкционные стали.

4Методы изготовления и технологичность деталей машин.

Детали машин — изделия, изготовленные из одно­родного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Изготовление деталей машин производиться на металлообрабатывающих станках. Сборочная единица - изделие, составные детали которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготови­теле сборочными операциями.

Наилучшее решение достигается вы­бором конструкции, которая обеспечивает решение постав­ленной задачи в конкретных условиях при минимальных затратах ресурсов с учетом ограничений производственного, технологического характера при изготовлении и эксплуатации деталей машин.

Технологичность деталей машин в основном зависит от материала, формы и способа получения ее заготовки; требуемой точности изготовления и шероховатости обрабатываемых поверхностей. При проектировании всегда следует предпочитать детали цилиндрической или конической формы, как наиболее простые и дешевые для обработки.

Большое техническое и экономическое значение имеет технологичность машин и их деталей. Технологичной называется такая конструкция, которая обеспечивает заданные эксплуатационные качества и позволяет при данной серийности изготовлять ее с наименьшими затратами труда, материалов, средств и времени. Технологичность деталей машин в основном зависит от формы, материала, требуемой точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей. При выборе формы учитывают условия работы и назначение детали, способы изготовления и тип производства.

34Способы изготовления зубчатых колес.

Метод обкатки
В настоящее время является наиболее технологичным, а поэтому и самым распространённым способом изготовления зубчатых колёс. При изготовлении зубчатых колёс могут применяться такие инструменты, как гребёнка, червячная фреза и долбяк.
Метод обкатки с применением гребёнки
Нарезание зубчатого колеса методом обкатки на зубофрезерном станке с помощью червячной фрезы
Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется гребёнкой. На одной из сторон гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка. Заготовка нарезаемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложное движение, состоящее из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения (на анимации не показано), параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода. Относительное движение гребёнки и заготовки может быть и иным, например, заготовка может совершать прерывистое сложное движение обката, согласованное с движением резания гребёнки. Заготовка и инструмент движутся на станке друг относительно друга так, как будто происходит зацепление профиля нарезаемых зубьев с исходным производящим контуром гребёнки.
Метод обкатки с применением червячной фрезы
Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление.
Метод обкатки с применением долбяка
. Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками. Поскольку срезать сразу весь слой металла обычно невозможно, обработка производится в несколько этапов. При обработке инструмент совершает возвратно-поступательное движение относительно заготовки. После каждого двойного хода, заготовка и инструмент поворачиваются относительно своих осей на один шаг. Таким образом, инструмент и заготовка как бы «обкатываются» друг по другу. После того, как заготовка сделает полный оборот, долбяк совершает движение подачи к заготовке. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет удалён весь необходимый слой металла.
Метод копирования (Метод деления)
Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.
Горячее и холодное накатывание
Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определенной глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определенную глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.
Изготовление конических колёс

5Виды нагрузок и их распределение. Переменные нагрузки (растяжение - г - сжатие) и одновременное действие агрессивной среды вызывают коррозионно-усталостные разрушения металлов. В обычных условиях, ниже определенных значений переменного напряжения (числа циклов N), так называемого предела усталости, металл не разрушается.

Переменные нагрузки, действующие на большинство деталей двигателя, вызывают в них переменные, периодически изменяющиеся напряжения. Период Т изменения этих напряжений равен периоду изменения сил Рг давления газов и сил PJ инерции и зависит от режима работы двигателя.

Переменные нагрузки вызывают развитие усталостных трещин с последующим разрушением труб и других элементов колонны.

Переменная нагрузка изменяется циклически, т.е. увеличивается от определенного значения, проходит через максимум и затем уменьшается до исходного значения. В дальнейшем такой цикл повторяется.

Переменные нагрузки существенно влияют на прочность и износ элементов машин. При оценке статической прочности максимальные значения этих нагрузок входят в суммарную расчетную нагрузку как простые слагаемые, а при расчете на усталостную прочность их влияние является решающим и учитывается различными способами.

Переменные нагрузки при испытаниях создают либо путем возбуждения колебаний в образцах ПС, либо традиционными способами - изгибом вращающихся ПС, изгибом и кручением вращающихся ПС и т.п. Несмотря на общую природу разрушения ПС при переменных нагрузках, не зависящую от способа их создания, в литературе принято отдельно рассматривать прочность ПС при вибрациях и при переменных нагрузках.