Учебный курс для студентов очной и заочной форм обучения
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
За полтора века преподавания курса "Детали машин" лучшие учёные, преподаватели и инженеры написали множество прекрасных учебников (см. Список литературы). Чтобы не потеряться в океане учебной и научной информации, студенту необходим хотя бы простенький компас, которым, надеюсь, послужит предлагаемый конспект лекций. Именно для этого он и создавался. Учитывая же скромный объём, конспект является, образно говоря, путеводителем по незнакомой стране, и не может заменить само путешествие. Для получения глубоких, прочных знаний (и, как результат, положительной оценки на экзамене), кроме чтения этого конспекта необходимо скрупулёзное изучение учебников, хранящихся в достаточном объёме в библиотеке нашего университета. В разделе «Список литературы» приводится список рекомендованной литературы, непосредственно использованной при составлении конспекта, однако этим не исчерпываются все возможности. На тему проектирования и расчёта деталей машин написано множество книг и ни в одной из них не содержится вредных сведений. Не стоит пренебрегать учебниками и справочниками для учащихся техникумов и ПТУ. В них многие сложные вопросы изложены ясным и лаконичным языком. Любая поисковая система найдёт в интернете десятки и сотни сайтов по ключевым словам "Детали", "Машины", "Прочность", "Расчёт", "Проектирование" и т.п. Кроме того, студентам было бы вдвойне полезно чтение новейшей научной периодики, в том числе и на иностранных языках. Самостоятельный поиск помогает студенту развить в себе важнейший и нужнейший навык – способность к добыванию и переработке информации. Во всяком случае, в таком крупном университетском городе, как Уфа студенты найдут любую литературу. Ищите и найдёте. Раздел 1. Введение. Современное общество отличается от первобытного использованием машин. Применение предметов, усиливающих возможности рук (палки, камни), и особенно освоение дополнительных источников энергии (костёр, лошадь) не только позволило человечеству выжить, но и обеспечило в дальнейшем победу над превосходящими силами природы. Жизнь людей, даже самых отсталых племён, теперь немыслима без различных механических устройств и приспособлений (греч. "механа" – хитрость). История использования машин начинается с глубокой древности. Известно применение пружин в луках для метания стрел, катков для перемещения тяжестей. Такие простые детали машин, как металлические цапфы, примитивные зубчатые колеса, винты, кривошипы были известны до Архимеда (3-й век до новой эры). В эпоху возрождения Леонардо да Винчи (в 15 веке) создал новые механизмы: зубчатые колеса с перекрещивающимися осями, шарнирные цепи, подшипники качения. Уже тогда применялись канатные и ременные передачи, грузовые винты, шарнирные муфты. Всерьёз говорить о применении машин можно лишь с эпохи промышленной революции XVIII века, когда изобретение паровой машины дало гигантский технологический рывок и сформировало современный мир в его нынешнем виде. Здесь важен энергетический аспект проблемы. С тех же пор наметились основные закономерности устройства и функционирования механизмов и машин, сложились наиболее рациональные и удобные формы их составных частей - деталей. В процессе механизации производства и транспорта, по мере увеличения нагрузок и сложности конструкций, возросла потребность не только в интуитивном, но и в научном подходе к созданию и эксплуатации машин. Развитие промышленности и, особенно, самой передовой техники того времени – железнодорожного транспорта, потребовало большого количества инженеров-механиков. Поэтому в ведущих университетах Запада уже с 30-х годов XIX века, а в Санкт-Петербургском университете с 1892 года читается самостоятельный курс "Детали Машин". Без этого курса теперь невозможна подготовка инженера-механика любой специальности. Развитие теории и расчета деталей машин связаны с многими именами русских ученных. П.Л.Чебышев, математик и механик, изобретатель более 40 различных механизмов, в том числе и арифмометра. Н.Е. Жуковский, автор исследований по механике твердого тела, гидро- и аэродинамике. Л.В. Ассур, создатель рациональной классификации плоских шарнирных механизмов. В.Л. Кирпичев, автор первого учебника по деталям машин. Исторически сложившиеся в мире системы подготовки инженеров при всех национальных и отраслевых различиях имеют единую четырёхступенчатую структуру: 1. На младших курсах изучаются ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ НАУКИ, которые представляют собой системы знаний о наиболее общих законах и принципах нашего мира. Это - Физика, Химия, Математика, Информатика, Теоретическая механика, Философия, Политология, Психология, Экономика, История и т.п. 2. Далее изучаются ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ, которые изучают действие фундаментальных законов природы в частных областях жизни, таковыми являются Техническая термодинамика, Теория прочности, Материаловедение, Сопротивление материалов, Теория механизмов и машин, Прикладная механика, Вычислительная техника и т.п. 3. На старших курсах (3-й и выше) студенты приступают к изучению ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН, таких как НАШ КУРС, а также "Основы стандартизации", "Технология обработки материалов" и т.п.; отраслевые различия здесь ещё сравнительно невелики. 4. Обучение завершается освоением СПЕЦИАЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН, таких как, например, "Расчет элементов сельскохозяйственных машин" и т.п., которые и составляют квалификацию инженера-механика соответствующей специальности. При этом подлинно высококвалифицированным специалистом, способным решать конкретные инженерно-технические проблемы становится лишь тот, кто усвоит взаимосвязь и преемственность между фундаментальными, прикладными, общетехническими и специальными знаниями. Курс "Детали машин" непосредственно опирается на курсы "Сопротивление материалов" и "Теория механизмов и машин", которыми, мы надеемся, студенты овладели в совершенстве. Кроме того, для успешного выполнения расчётно-графических работ и курсового проекта необходимы хорошие знания правил и приёмов курса "Инженерная графика". Основные понятия и определения курса Определим базовые понятия в самом начале работы для систематизации учебного материала и во избежание двусмысленного толкования. Расположим понятия по степени сложности. ДЕТАЛИ МАШИН– научная дисциплина, занимающаяся изучением, проектированием и расчетом деталей машин и узлов общего назначения. Механизмы и машины состоят из деталей. Встречающиеся почти во всех машинах болты, валы, зубчатые колеса, подшипники, муфты называют узлами и деталями общего назначения. ДЕТАЛЬ – (франц. detail – кусочек) – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций (ГОСТ 2.101-68). ЗВЕНО – группа деталей, образующая подвижную или неподвижную относительно друг друга механическую систему тел. СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА – изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (ГОСТ 2.101-68). УЗЕЛ – законченная сборочная единица, состоящая из деталей общего функционального назначения и выполняющая определенную функцию в изделиях одного назначения только совместно с другими составными частями изделия (муфты, подшипники качения и др.). КОМПЛЕКТ (ремкомплект) – это набор отдельных деталей, служащее для совершения таких операции как сборка, сверление, фрезерование или для ремонта определенных узлов машин. Например, набор накладных или торцевых ключей, отверток, сверл, фрез или ремкомплект карбюратора, топливного насоса и так далее. МЕХАНИЗМ – система подвижно соединенных деталей, предна значенная для преобразования движения одного или нескольких тел в це лесообразные движения других тел (например, кривошипно-ползунный механизм, механические передачи и т. п.). АППАРАТ – (лат. apparatus – часть) прибор, техническое устройство, приспособление, обычно некая автономно-функциональная часть более сложной системы. АГРЕГАТ – (лат. aggrego – присоединять) унифицированный функциональный узел, обладающий полной взаимозаменяемостью. МАШИНА – (греч. "махина" – огромная, грозная) система деталей, совершающая механическое движение для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения труда. Машина характерна наличием источника энергии и требует присутствия оператора для своего управления. Проницательный немецкий экономист К. Маркс заметил, что всякая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов. По характеру рабочего процесса и назначению машины можно разде лить на три класса: I класс — машины-двигатели, преобразующие тот или иной вид энергии в механическую работу (двигатели внутреннего сгорания, турбины и др.); II класс — машины-преобразователи (генераторы), преобразующие ме ханическую энергию (полученную от машины-двигателя) в другой вид энергий (например, электрические машины — генераторы тока); III класс — машины-орудия (рабочие машины), использующие механи ческую энергию, получаемую от машины-двигателя, для выполнения тех нологического процесса, связанного с изменением свойств, состояния и формы обрабатываемого объекта (металлообрабатывающие станки, сель скохозяйственные машины и др.), а также машины, предназначенные для выполнения транспортных операций (конвейеры, подъемные краны, насо сы и т. д.). К этому же классу можно отнести машины, частично заменяю щие интеллектуальную деятельность человека (например, ЭВМ). МАШИННЫМ АГРЕГАТОМ называется техническая система, состоящая из одной или нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций. Обычно в состав машинного агрегата входят: двигатель, передаточный механизм и рабочая или энергетическая машина. В настоящее время в состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Передаточный механизм в машинном агрегате необходим для согласования механических характеристик двигателя с механическими характеристиками рабочей или энергетической машины. КОМПЛЕКС – это тоже сборочная единица отдельных взаимосвязанных машин, автоматов и роботов, управляемые с единого центра для совершения технологических операции в определенной последовательности. Например, РТК – робототехнические комплексы, автоматические линии без участия человека при выполнении технологических операции; поточные линии, где в некоторых операциях участвуют люди, например при удалении оперении птиц. АВТОМАТ – (греч. "аутомотос" – самодвижущийся) машина, работающая по заданной программе без оператора. РОБОТ – (чешск. robot – работник) машина, имеющая систему управления, позволяющую ей самостоятельно принимать исполнительские решения в заданном диапазоне. Механизмы и их классификация Механизмы, применяемые в современных машинах и системах, весьма многообразны и классифицируются по многим признакам. 1. По области применения и функциональному назначению: - механизмы летательных аппаратов; - механизмы станков; - механизмы кузнечных машин и прессов; - механизмы двигателей внутреннего сгорания; - механизмы промышленных роботов (манипуляторы); - механизмы компрессоров; - механизмы насосов и т.д. 2. По виду передаточной функции на механизмы: - с постоянной передаточной функцией; - с переменной передаточной функцией: - с нерегулируемой (синусные, тангенсные); - с регулируемой: - со ступенчатым регулированием (коробки передач); - с бесступенчатым регулированием (вариаторы). 3. По виду преобразования движения: - вращательное во вращательное (редукторы, мультипликаторы, муфты) - вращательное в поступательное; - поступательное во вращательное; - поступательное в поступательное. 4. По движению и расположению звеньев в пространстве: - пространственные; - плоские; - сферические. 5. По изменяемости структуры механизма на механизмы: - с неизменяемой структурой; - с изменяемой структурой. 6. По числу подвижностей механизма: - с одной подвижностью W= 1; - с несколькими подвижностями W> 1: - суммирующие (интегральные); - разделяющие (дифференциальные). 7. По виду кинематических пар (КП): - с низшими КП ( все КП механизма низшие ); - с высшими КП ( хотя бы одна КП высшая ); - шарнирные (все КП механизма вращательные – шарниры). 8. По способу передачи и преобразования потока энергии: - фрикционные (сцепления); - зацеплением; - волновые (создание волновой деформации); - импульсные. 9. По форме, конструктивному исполнению и движению звеньев: - рычажные; - зубчатые; - кулачковые; - планетарные; - манипуляторы. Однако для фундаментального понимания функционирования машин базовым классификационным признаком является структура механизмов − совокупность и взаимоотношения входящих в систему элементов. Изучая плоские рычажные механизмы с низшими кинематическими парами, профессор Петербургского университета Л.В.Ассур в 1914 г. обнаружил, что любой самый сложный механизм фактически состоит не просто из отдельных звеньев, а из простейших структурных групп, образованных звеньями и кинематическими парами − небольших открытых кинематических цепей. Он предложил оригинальную структурную классификацию, в которой все механизмы состоят из первичных механизмов и структурных групп (групп нулевой подвижности или "групп Ассура"). В 1937 г. советский академик И.И. Артоболевский усовершенствовал и дополнил эту классификацию, распространив ее вплоть до пространственных механизмов с поступательными кинематическими парами. Сущность структурной классификации состоит в использовании понятия структурной группы, из которых состоят все механизмы. 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. - ПЕРЕДАЧИ передают движение от источника к потребителю. - ВАЛЫ и ОСИ несут на себе вращающиеся детали передач. - ОПОРЫ служат для установки валов и осей. - МУФТЫ соединяют между собой валы и передают вращающий момент. - СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ (СОЕДИНЕНИЯ) соединяют детали между собой и могут быть неразъемными (заклепочные, сварные и др.) и разъемными (шпоночные, резьбовые и др.). - УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ смягчают вибрацию и удары, накапливают энергию, обеспечивают постоянное сжатие деталей. - 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. В следующих главах мы рассмотрим приёмы расчёта и проектирования типовых деталей машин. Основные принципы и этапы разработки машин Процесс разработки машин имеет сложную, разветвлённую неоднозначную структуру и обычно называется широким термином проектирование – создание прообраза объекта, представляющего в общих чертах его основные параметры. Проектирование (по ГОСТ 22487-77) – процесс составления описания, необходимого для создания еще несуществующего объекта (алгоритма его функционирования или алгоритма процесса), путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на различных языках. Проект (от лат. projectus – брошенный вперед) – совокупность документов и описаний на различных языках (графическом – чертежи, схемы, диаграммы и графики; математическом – формулы и расчеты; инженерных терминов и понятий – тексты описаний, пояснительные записки), необходимая для создания какого-либо сооружения или изделия. Инженерное проектирование – процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания новой системы, устройства или машины, приносящих обществу определенную пользу. Методы проектирования: - прямые аналитические методы синтеза (разработаны для ряда простых типовых механизмов); - эвристические методы проектирования – решение задач проектирования на уровне изобретений (например, алгоритм решения изобретательских задач); - синтез методами анализа – перебор возможных решений по определенной стратегии (на пример, с помощью генератора случайных чисел – метод Монте-Карло) с проведением сравнительного анализа по совокупности качественных и эксплуатационных показателей (часто используются методы оптимизации - минимизация сформулированной разработчиком целевой функции, определяющей совокупность качественных характеристик изделия); - системы автоматизированного проектирования или САПР – компьютерная программная среда моделирует объект проектирования и определяет его качественные показатели, после принятия решения - выбора проектировщиком параметров объекта, система в автоматизированном режиме выдает проектную документацию; - другие методы проектирования. Основные этапы процесса проектирования. 1. Осознание общественной потребности в разрабатываемом изделии. 2. Техническое задание на проектирование (первичное описание). 3. Анализ существующих технических решений. 4. Разработка функциональной схемы. 5. Разработка структурной схемы. 6. Метрический синтез механизма (синтез кинематической схемы). 7. Статический силовой расчет. 8. Эскизный проект. 9. Кинетостатический силовой расчет. 10. Силовой расчет с учетом трения. 11. Расчет и конструирование деталей и кинематических пар (прочностные расчеты, уравновешивание, балансировка, виброзащита). 12. Технический проект. 13. Рабочий проект (разработка рабочих чертежей деталей, технологии изготовления и сборки). 14. Изготовление опытных образцов. 15. Испытания опытных образцов. 16. Технологическая подготовка серийного производства. 17. Серийное производство изделия. Под конструированием некоторые авторы понимают весь процесс от идеи до изготовления машин, некоторые – лишь завершающую стадию его подготовки. Но в любом случае цель и конечный результат конструирования – создание рабочей документации (ГОСТ 2.102-68), по которой можно без участия разработчика изготавливать, эксплуатировать, контролировать и ремонтировать изделие. Здесь также требуется дать базовые понятия: Техническое задание – документ, составляемый совместно заказчиком и разработчиком, содержащий общее представление о назначении, технических характеристиках и принципиальном устройстве будущего изделия. Техническое предложение – дополнительные или уточнённые требования к изделию, которые не могли быть указаны в техническом задании (ГОСТ 2.118-73). Творчество – специфическая материальная или духовная деятельность, порождающая нечто новое или новую комбинацию известного. Изобретение – новое решение технической задачи, дающее положительный эффект. Эскизирование – процесс создания эскиза (от франц.ex quisse – из размышлений), предварительного рисунка или наброска, фиксирующего замысел и содержащего основные очертания создаваемого объекта. Компоновка – расположение основных деталей, сборочных единиц, узлов, и модулей будущего объекта. Расчёт – численное определение усилий, напряжений и деформаций в деталях, установление условий их нормальной работы; выполняется по мере необходимости на каждом этапе конструирования. Чертёж – точное графическое изображение объекта, содержащее полную информацию об его форме, размерах и основных технических условиях изготовления. Пояснительная записка – текстовый документ (ГОСТ 2.102-68), содержащий описание устройства и принципа действия изделия, а также технические характеристики, экономическое обоснование, расчёты, указания по подготовке изделия к эксплуатации. Спецификация – текстовый табличный документ, определяющий состав изделия (ГОСТ 2.102-68). Эскизный проект – первый этап проектирования (ГОСТ 2.119-73), когда устанавливаются принципиальные конструктивные и схемные решения, дающие общие представления об устройстве и работе изделия. Технический проект – заключительный этап проектирования (ГОСТ 2.120-73), когда выявляются окончательные технические решения, дающие полное представление об изделии. Рабочий проект – полный комплект рабочей документации, текстовой и графической (ГОСТ 2.102-68; 2.106-68), в которой содержится полная информация о конструкции, изготовлении Машины, как и другие изделия, изготавливаются только по проекту, который, в любом случае, является совокупностью графических и текстовых документов. Правила и порядок разработки, оформления и обращения этих документов устанавливается комплексом стандартов – Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), разработанной в 70-е годы XX в. Проектирование машин выполняют в несколько стадий, установленных ГОСТ 2.103-68. Для единичного производства это: 1. Разработка технического предложения по ГОСТ 2.118-73. 2. Разработка эскизного проекта по ГОСТ 2.119-73. 3. Разработка технического проекта по ГОСТ 2.120-73. 4. Разработка документации для изготовления изделия. 5. Корректировка документации по результатам изготовления и испытания изделия. Стадии проектирования при серийном производстве те же, но только корректировку документации приходится повторять несколько раз: сначала для опытного экземпляра, затем для опытной партии, затем по результатам изготовления и испытаний первой промышленной партии. В любом случае, приступая к каждому этапу конструирования, как и вообще к любой работе, необходимо чётко обозначить три позиции: Исходные данные – любые объекты и информация, относящиеся к делу ("что мы имеем?"). Цель – ожидаемые результаты, величины, документы, объекты ("что мы хотим получить?"). Средства достижения цели– методики проектирования, расчётные формулы, инструментальные средства, источники энергии и информации, конструкторские навыки, опыт ("что и как делать?"). Деятельность конструктора-проектировщика обретает смысл только при наличии заказчика – лица или организации, нуждающихся в изделии и финансирующих разработку. Теоретически заказчик должен составить и выдать разработчику Техническое Задание – документ, в котором грамотно и чётко обозначены все технические, эксплуатационные и экономические параметры будущего изделия. Но, к счастью, этого не происходит, поскольку заказчик поглощён своими ведомственными задачами, а, главное, не имеет достаточных навыков проектирования. Таким образом, инженер не остаётся без работы. Работа начинается с того, что заказчик и исполнитель совместно составляют (и подписывают) Техническое Задание. При этом исполнитель должен получить максимум информации о потребностях, пожеланиях, технических и финансовых возможностях заказчика, обязательных, предпочтительных и желательных свойствах будущего изделия, особенностях его эксплуатации, условиях ремонта, возможном рынке сбыта. Тщательный анализ этой информации позволит проектировщику правильно выстроить логическую цепочку "Задание – Цель – Средства" и максимально эффективно выполнить проект. Разработка Технического Предложения начинается с изучения Технического Задания. Выясняются назначение, принцип устройства и способы соединения основных сборочных единиц и деталей. Всё это сопровождается анализом научно-технической информации об аналогичных конструкциях. Выполняются кинематический расчёт, проектировочные расчёты на прочность, жёсткость, износостойкость и по критериям работоспособности. Из каталогов предварительно выбираются все стандартные изделия – подшипники, муфты и т.п. Выполняются первые эскизы, которые постепенно уточняются. Необходимо стремиться к максимальной компактности расположения и удобства монтажа-демонтажа деталей. На стадии Эскизного Проекта выполняются уточнённые и проверочные расчёты деталей, чертежи изделия в основных проекциях, прорабатывается конструкция деталей с целью их максимальной технологичности, выбираются сопряжения деталей, прорабатывается возможность сборки-разборки и регулировки узлов, выбирается система смазки и уплотнения. Эскизный проект должен быть рассмотрен и утверждён, после чего он становится основой для Технического Проекта. При необходимости изготавливаются и испытываются макеты изделия. Технический Проект должен обязательно содержать чертёж общего вида, ведомость технического проекта и пояснительную записку. Чертёж общего вида по ГОСТ 2.119-73 должен дать сведения о конструкции, взаимодействии основных частей, эксплуатационно-технических характеристиках и принципах работы изделия. Ведомость Технического Проекта и Пояснительная Записка, как и все текстовые документы должны содержать исчерпывающую информацию о конструкции, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия. Они оформляются в строгом соответствии с нормами и правилами ЕСКД (ГОСТ 2.104-68; 2.105-79; 2.106-68). Таким образом, проект приобретает окончательный вид – чертежей и пояснительной записки с расчётами, называемымирабочей документацией, оформленных так, чтобы по ним можно было изготовить изделие и контролировать их производство и эксплуатацию. |