Иванов К.С., Мисевич Ю.В., Груданова О.В. Детали машин и основы конструирования - файл n1.doc

приобрести
Иванов К.С., Мисевич Ю.В., Груданова О.В. Детали машин и основы конструирования
скачать (2468 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2468kb.13.09.2012 20:58скачать

n1.doc

  1   2


МЧС РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ


К.С. Иванов, Ю.В. Мисевич, О.В. Груданова

ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Курс лекций
специальность 280104.65 - «Пожарная безопасность»

Санкт-Петербург - 2008

Рецензенты:

И.А.Шумейко

кандидат технических наук, доцент

(Санкт-Петербургский Государственный технологический

университет растительных полимеров)

С.В. Вакуленко

кандидат технических наук, доцент

(Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России)
К.С. Иванов, Ю.В. Мисевич, О.В. Груданова

Детали машин и основы конструирования: курс лекций / Под общей ред. В.С. Артамонова. – СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2008. – 64 с.


Курс лекций составлен в соответствии с рабочей учебной программой по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» и соответствует государственным образовательным стандартам по механике.

Пособие раскрывает теоретические основы расчета, конструирования и надежной эксплуатации составных частей машин и механизмов, содержит рекомендации по последовательному и логически правильному изучению и пониманию основ конструирования, опираясь на учебную литературу и стандарты и предназначено для курсантов, студентов и слушателей Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

© Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2008

СОДЕРЖАНИЕ


Введение 4

1. Основы проектирования и классификация механизмов


узлов и деталей 4

2. Расчет и проектирование механических передач 14

3. Валы и оси 35

4. Подшипники качения и скольжения.

Уплотнительные устройства 40

5. Соединение деталей 47 Литература 63


Введение
Курс «Детали машин» является заключительным разделом предмета «Прикладная механика». Курс «Детали машин» является связующим звеном между общетехническими и специальными дисциплинами. В пределах, рассмотренных учебным планом и программой курс дает курсантам основы расчета на прочность и жесткость деталей машин общего назначения, учит выбирать материалы, дает правила конструирования с учетом технологии изготовления и эксплуатации машин. Теоретические знания закрепляются курсовым проектом, который выполняют курсанты.

1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ


МЕХАНИЗМОВ, УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ


Требования, предъявляемые при проектировании машин и их деталей.
При проектировании новых и модернизации старых машин, узлов и деталей необходимо учитывать новейшие достижения в области науки и техники.

Требования к проектируемым машинам:

- увеличение мощности при тех же габаритных размерах;

- повышение скорости и производительности;

- повышение к.п.д.;

- автоматизация работы машин;

- использование стандартных деталей и типовых узлов;

- минимальная масса и меньшая стоимость изготовления.

Машины, механизмы, приборы, аппараты и другие изделия основного и вспомогательного производства машиностроительных предприятий изготавливают из деталей.

Деталью принято называть элемент конструкции, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций (например, болт, гайка, вал и т.п.).

Совокупность деталей, соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (завинчиванием, сваркой и т.п.) и предназначенных для совместной работы называют сборочной единицей (узлом) (подшипник, узел опоры, редуктор и т.д.). изготовление конструкций и деталей позволяет использовать различные материалы, облегчает их изготовление, эксплуатацию и ремонт, обеспечивает возможность их нормализации и стандартизации, изготовления на специализированных заводах и т.д.

В каждой машине число деталей исчисляется сотнями, тысячами, а в крупных машинах, например, в самолете – миллионами.

Основными требованиями, которым должны удовлетворять детали и узлы машин являются:

- прочность;

- жесткость;

- долговечность или износостойкость;

- теплостойкость;

- виброустойчивость.

Дополнительные требования:

- коррозионная стойкость;

- снижение массы деталей; (самолетостроение)

- использование недефицитных и дешевых материалов;

- простота изготовления и технологичность деталей и узлов;

- удобство эксплуатации;

- транспортабельность машин, узлов и деталей, удобство перевозки и переноски;

- стандартизация имеет большое экономическое условие, так как обеспечивает высокое качество продукции, взаимозаменяемость деталей и позволяет вести сборку в условиях серийного производства;

- красота форм (краски, эстетика, дизайн);

- экономичность конструкции определяется широким использованием деталей и узлов стандартных и унифицированных деталей и узлов, продуманным выбором материалов.
Основные критерии работоспособности и расчета деталей

машин.
Работоспособность – состояние изделия (машины, узлы, детали и т.п.), при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами установленными требованиями нормативно-технической документации.

Она, как сложное свойство, характеризуется определенными условиями – критериями: прочностью, жесткостью, износостойкостью, вибростойкостью и др.

Прочность – сопротивление деталей машин разрушению (статическому, малоцикловому, усталостному) – является одним из основных критериев работоспособности деталей, так как прочностные отказы происходят обычно внезапно и приводят часто к выходу из строя конструкции в целом. Инженерные расчеты деталей являются, как правило, приближенными, их выполняют обычно методами сопромата.

В большинстве технических расчетов под нарушением прочности понимают не только разрушение, но и возникновение пластических деформаций.

Наиболее распространенным методом оценки прочности деталей машин является сравнение расчетных (рабочих) напряжений, возникающих в деталях машин под действием нагрузок, с допускаемыми.

Условие прочности выражают

или (1.1)
где , – расчетные нормальные и касательные напряжения в опасной точке детали;

, – допускаемые напряжения.

Кроме обычных видов разрушения деталей (поломок) наблюдаются также случаи, когда под действием нагрузок, прижимающих две детали одна к другой, возникают местные напряжения и деформации. Разрушении деталей в этом случае вызывают контактные напряжения. Отсюда – для многих деталей ( а зависит это от конструкции, нагрузки, условий работы и других факторов) проводится расчет по условию контактной прочности

(1.2)
, (1.3)

где – расчетная величина контактных напряжений (формула Герца);

– нагрузка на единицу длины контакта;

– приведенный модуль упругости;

– приведенный радиус кривизны;

– допустимое контактное напряжение.

Эта формула получена для двух круговых цилиндров бесконечно большой длины, материалы которых имеют коэффициент Пуассона :

.

Широкая экспериментальная проверка результатов расчетов составляет существенную особенность постановки задач расчета. Экспериментальные исследования выполняют на испытательных стендах и в условиях реальной эксплуатации с привлечением различных методов экспериментальной механики (тензометрии, голографии, фотоупругости и т.п.).

Жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы – является одной из характеристик работоспособности деталей машин. Деформации деталей от внешних сил. Тепловых и других воздействий изменяют не только размеры и форму деталей. Но и характер их сопротивления. Последнее оказывает также существенное влияние на прочность и износостойкость деталей. Часто недостаточная жесткость столь же опасна как и малая прочность. Жесткость влияет на другие характеристики деталей и узлов машин (например, на вибрационную активность).

Минимальная жесткость деталей ограничивается допускаемыми значениями перемещений и углов поворота, то есть



(1.4)



– наибольший относительный угол закругления;

– максимальный прогиб балки;

– наибольший угол наклона опорных сечений балок.

Износостойкость – способность деталей сопротивляться изнашиванию, то есть процессу разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении.

Изнашивание приводит к постепенному изменению размеров, формы и состояния поверхности деталей.

При расчете деталей на износ либо определяют условия, обеспечивающие жидкостное трение для них, либо назначают для трущихся поверхностей соответствующие допускаемые давления.

Износ деталей можно уменьшить следующими конструктивными, технологическими и эксплуатационными мерами:

- создать при проектировании деталей условия, гарантирующие жидкостное трение;

- выбрать соответствующие материалы для сопряженной пары;

- наносить на детали покрытия;

- соблюдать режимы смазки и защиты трущихся поверхностей от абразивных частиц;

- соблюдать технологические требования при изготовлении деталей.

Под теплостойкостью понимают способность деталей сохранять нормальную работоспособность в допустимых (заданных) пределах температурного режима, вызываемого рабочим процессом машин и трения в их механизмах.

Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: понижение прочности материала и появление остаточных деформаций, так называемое явление ползучести (наблюдается в машинах с очень напряженным тепловым режимом, например, в лопатках газовых турбин); понижение защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение износа деталей; изменение зазоров в сопряженных деталях; в некоторых случаях понимание точности работы машины; для деталей, работающих в условиях многократно циклического изменения температур могут возникнуть и развиться микротрещины, приводящие в отдельных случаях к разрушению деталей (тепловой расчет червячных редукторов).

Под виброустойчивостью понимают способность деталей и узлов работать в нужном режиме без недопустимых колебаний (вибраций). Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и могут привести к усталостному разрушению деталей. Особенно опасным являются резонансные колебания. В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибрации возрастает, поэтому расчеты параметров вынужденных колебаний приобретают все большее значение.
Основы проектирования машин (стадии конструирования).
Конструирование машин – творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят из многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т.п.

Детали, узлы, машины изготовляют по чертежам, выполненным на основе проектов – совокупности расчетов, графических материалов и пояснений к ним предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции (кинематических, динамических, геометрических и других), ее производительности, экономической эффективности. Для особо ответственных конструкций проект дополняют макетом или действующей моделью.
Стадии разработки конструкторской документации и

этапы работ установлены стандартом
Первая стадияразработка технического задания документа, содержащего наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели и специальные требования заказчика к изделию.

Техническое задание разрабатывают на основе требований заказчика с учетом достижений и технического уровня отечественных и зарубежных конструкций, патентного поиска, а также результатов научно-исследовательских работ и научного прогноза.

Вторая стадияразработка технического предложения – совокупности конструкторских документов, обосновывающих техническую и технико-экономическую целесообразность разработки изделия на основе предложений в техническом задании, рассмотрения вариантов возможных решений с учетом достижений науки и техники в стране и за рубежом, патентных материалов, возможностей машиностроительных заводов отрасли и смежных отраслей. Техническое предложение утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком.

Третья стадияразработка эскизного проекта – совокупности конструкторских документов, содержащих принципиальные конструкторские решения и разработки общих видов чертежей, дающих представление об устройстве разрабатываемого изделия, принципы его действия, габаритах и основных параметрах сюда входит пояснительная записка с необходимыми расчетами.

Четвертая стадияразработка технического проекта - совокупности конструкторских документов, содержащих окончательное решение и дающих полное представление об устройстве изделия. Чертежи проекта состоят из общих видов и сборочных чертежей узлов, полученных с учетом достижений науки и техники на уровне работы узлов. На этой стадии рассматриваются вопросы надежности узлов, соответствие требованиям техники безопасности, условиям хранения и транспортирования и т.д.

Пятая стадияразработка рабочей документации - совокупности конструкторских документов, содержащих чертежи общих видов, узлов, деталей, оформленных так, чтобы по ним можно было изготовлять изделия и контролировать их производство и эксплуатацию. На этой стадии разрабатываются конструкции детали, оптимальные по показателям надежности технологичности и экономичности.

Последовательность работы над проектом
Работу над проектом рекомендуется выполнять в следующем порядке:

  1. Ознакомиться с заданием. Подбор литературы, необходимой для проектирования. Изучение аналогичных конструкций по учебным пособиям, атласам, руководствам и т.п. При этом изучение этих материалов должно сопровождаться составлением эскизов отдельных участков, которые представляют определенный интерес.

  2. Определить потребную мощность электродвигателя и выбрать его по каталогу. Сначала определяют мощность на выходном валу привода рабочей машины, затем частные значения К.П.Д. отдельных видов передач и общий К.П.Д. привода, на который нужно разделить значение выходной мощности. По каталогу чаще всего приходится выбирать электродвигатель с номинальной мощностью, превышающей расчетную. Чтобы выбрать электродвигатель по каталогу, необходимо также предварительно определить частоту вращения вала ротора, для чего вычисленная частота вращения выходного вала привода умножается на общее ориентировочное передаточное число привода. Необходимо иметь в виду, что тихоходный электродвигатель, при равной мощности, тяжелее и больше по габаритам, чем быстроходный электродвигатель.

  3. Определяют действительное передаточное число привода, разбивают его по ступеням передач и делают полный кинематический расчет привода.

  4. Далее рассчитывают все передачи, входящие в кинематическую схему привода. Проектировочный расчет передач заканчивается определением основных геометрических параметров с выполнением эскизной компоновки деталей редуктора (желательно на миллиметровой бумаге и в масштабе 1:1). Эскизная компоновка позволит увидеть недостатки расчета и выбора геометрических параметров колес и найти пути их устранения. Изменяя материал зубчатых или червячных колес и технологию их изготовления, уточняя и изменяя значения расчетных коэффициентов и передаточных чисел соответствующих ступеней, путем повторных расчетов можно добиться лучшей конструкции рассчитываемых передач.

  5. После определения всех геометрических размеров рассматриваемых передач вычисляют усилия, действующие в этих передачах.

  6. Производится ориентировочный расчет валов с учетом только передаваемого крутящегося момента, предварительный выбор подшипников, определение размеров элементов корпуса (толщина стенки и пр.).

  7. На первом этапе проектирования выполняют эскизную компоновку основных деталей редуктора (желательно в масштабе 1: 1 и на миллиметровке). При этом вычерчивают в зацеплении все рассчитанные передачи, валы, подшипниковые узлы, размещенные в стенках корпуса, детали, необходимые для предотвращения или ограничения осевого перемещения зубчатых или червячных колес на валах, и устанавливают по рекомендациям учебных пособий или по конструктивным соображениям соответствующие зазоры между торцами передач и внутренней стенкой корпуса, а также между двумя соседними передачами, находящимися на одном валу. Эскизная компоновка позволяет определить ориентировочное (значение следует округлить) расстояние между двумя подшипниками вала (между серединами подшипников) и тем самым подготовить расчетную схему вала.

  8. Составляют расчетные схемы валов, определяют суммарные реакции их опор, рассчитывают и подбирают окончательно подшипники валов и делают проверочный расчет валов на статическую прочность и выносливость по опасным сечениям. По окончательно принятым диаметрам валов производится подбор шпонок по сечению (длина их принимается по ширине зубчатых колес) и их проверка на срез и смятие.

  9. Выполняют общий вид проектируемого узла (редуктора, коробки скоростей, коробки передач и т.п.) в двух – трех проекциях с соблюдением всех требований в соответствии с ГОСТом на чертежи (завершающих этап проектирования), в котором должны быть отражены также вопросы смазки подшипников и зубьев передач.

  10. Вычерчивают общий вид привода в двух или трех проекциях и другие узлы привода, если они указаны в задании.

  11. Выполняют рабочие чертежи деталей проектируемого узла (редуктора и др.), которые указаны в задании.

  12. Составляют полностью расчетно-пояснительную записку и окончательно оформляют все чертежи проекта.

  13. После проверки проекта преподавателем проект допускается к защите при положительной рецензии.


Классификация механизмов, узлов и деталей
В курсе «Детали машин» рассматриваются теоретические основы расчета и конструирования деталей машин и сборочных единиц (узлов), встречающихся в машинах самых разных назначений. Изучаемые детали и узлы общего назначения делятся условно на три основные группы:

- детали соединений (болты, шпильки, винты и др.);

- механические передачи (зубчатые, червячные, винт-гайка, цепные, ременные, фрикционные);

- детали и узлы передач (валы, подшипники, муфты и др.)

Детали и узлы, которые встречаются только в специальных типах машин, называют деталями и узлами специального назначения (клапаны, поршни, шатуны, шпиндели станков и т.п.); их изучают в специальных курсах (ДВС, металлорежущие станки и т.д.).
Определение передаточных отношений, мощности и моментов
Механизмы вращательного движения используют для передачи энергии от двигателя к рабочему органу машины. Необходимость применения таких механизмов обусловлена нецелесообразностью, а иногда и невозможностью непосредственного соединения рабочего органа машины в самом двигателе. Кроме того, иногда возникает необходимость в согласовании скоростей вращения вала двигателя и рабочих органов машины, в регулировании скорости движения исполнительного звена машины, в преобразовании вращающих моментов, в переводе нескольких исполнительных органов от одного двигателя.

Принцип работы. Передача движения от ведущего звена к ведомому в рассматриваемых механизмах может осуществляться за счет их непосредственного контакта или соединения гибким звеном. К механическим передачам первого типа относят фрикционную, зубчатую и червячную передачи. В качестве гибкого звена обычно используют цепи и ремни. Механические передачи в этом случае называют соответственно цепными и ременными.

Передача вращательного движения может осуществляться между параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися валами.

По характеру изменения скорости выходного звена механические передачи подразделяют на понижающие (редукторы) и повышающие (мультипликаторы).

По характеру движения валов различают простые механизмы вращательного движения, у которых оси валов остаются неподвижными, и планетарные, у которых оси валов вращаются относительно неподвижной основной оси механизма.

По конструктивному оформлению механические передачи бывают открытыми. Не имеющими общего закрывающего их корпуса, полузакрытыми, имеющими лишь легкий кожух, защищающий передачу от загрязнения, и закрытыми, заключенными в общий корпус, обеспечивающий герметизацию и постоянное смазывание передачи.

Передаточным отношением называют отношение угловых скоростей или частот вращения звеньев 1 и к механизма.

(1.5)

где – угловая скорость 1 и к звеньев;

– частота вращения 1 и к звеньев.

Передаточное отношение будет положительным если направление вращения звеньев совпадают, и отрицательным – если звенья вращаются в разные стороны.

Кроме того. Может быть определено передаточное число передачи по числу зубьев ведомого и ведущего колес

(1.6)

Если привод состоит из нескольких последовательно соединенных передач, его передаточное отношение (число) равно произведению передаточных отношений (чисел) всех передач
(1.7)



Механические передачи могут быть выполнены не только с постоянным передаточным отношением, но и с регулируемым. Его изменение при этом может быть как ступенчатым, так и бесступенчатым.

Величину называют диапазоном регулирования передаточного отношения, а , где – две соседние частоты вращения;

коэффициент регулирования.

Ряд скоростей механизма вращательного движения со ступенчатым регулированием его скорости обычно составляет геометрическую прогрессию, и для него справедливо

, (1.8)

где – общее число передач.

Мощность, передаваемую телом вращения, определяют по формуле

(1.9)

– окружная сила, направленная по касательной к траектории точки ее приложения;

– окружная скорость.

Вращающий момент «»

, (1.10)

Коэффициент полезного действия «»

(1.11)

К.П.Д. механического привода, состоящего из нескольких последовательно соединенных передач

(1.12)
При параллельном соединении механизмов

(1.13)


2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ

ПЕРЕДАЧ
Классификация механических передач
Схема создания современной машины предполагает введение промежуточного звена между двигателем и ее рабочим (исполнительным) органом. Как правило, этим промежуточным звеном является механическая передача.

Механические передачи предназначены для выбора и регулирования оптимальных скоростей движения (повышения или понижения), преобразования видов движения (вращательного в поступательное и наоборот), изменения направления движения (реверсирования), вращательных моментов и сил, передачи мощности на расстояние.

оборот), общее понятие «механическая передача» можно формулировать так:

Передача – механизм, служащий для переноса механической энергии на расстояние с преобразованием скоростей, моментов, видов и законов движения.

В машиностроении нашли широкое применение:

- механические,

- пневматические,

- электрические,

- гидравлические,

- комбинированные виды передач.

В курсе «Детали машин и основы конструирования» рассматриваются только механические передачи вращательного движения. Другие виды передач рассматриваются в спецкурсах для специалистов машиностроения.

Механические передачи условно можно разделить на три группы:

- передачи, основанные на использовании сил трения между ее элементами;

- передачи зацепления, работающие в результате давления между зубьями взаимодействующих деталей;

- передачи, основанные на использовании закона направленного движения взаимодействующих ее элементов.

Во всех механических передачах различают два основных звена: ведущее (входное), которое передает вращающийся момент, и ведомое (выходное), приводимое в движение от ведущих. Между этими звеньями в многоступенчатых передачах располагаются промежуточные звенья. Параметры передачи, относящиеся к ведущему звену, обозначаются индексом «1», а к ведомому – «2», «3» и т.д.

Основные силовые и кинематические параметры – величины характеризующие механические передачи и по которым выполняется проектировочный расчет. К ним относятся:

- мощность ведущего (кВт) и ведомого вала

- частота вращения (об/мин) и

- угловая скорость (рад/с) и (2.1)

- коэффициент полноты действия (2.2)

многоступенчатая передача: (2.3)
- окружная скорость (м/с) (2.4)

- вращающий момент (Н·м) и (2.5)





- передаточное число(одноступенчатая передача) :

(2.6)
- для зубчатой передачи (2.7)

Дополнение к данным параметрам механических передач:

- на ведомом колесе направление окружной силы совпадает с направлением вращения, а на ведущем – противоположно ему;

- вращающий момент на ведущем валу совпадает с направлением вращения вала, а на ведомом валу – противоположно;

- передачи для повышения угловой скорости называют мультипликаторами или ускорителями;

- передачи для понижения угловой скорости называют редукторами;

- для многоступенчатых передач передаточное число равно произведению передаточных чисел ступеней, то есть
Зубчатые, червячные передачи и передача винт-гайка.
Зубчатые передачи

Общие сведения о зубчатых передачах

Механизм, предназначенный для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью находящихся в зацеплении зубчатых колес, называется зубчатой передачей. Вращение ведущего зубчатого колеса преобразуется во вращение ведомого колеса путем нажатия зубьев первого на зубья второго. Меньшее зубчатое колесо передачи называется шестерней, большее – колесом (рис.1)


Рис. 1
Зубчатые передачи классифицируются:

а) по конструктивному оформлению: открытые, не имеющие защитного кожуха и масляной ванны; полуоткрытые, имеющие защитный кожух; закрытые, имеющее картер и крышку, хорошо изолирующие передачу от внешней среды; картер служит масляной ванной передач (редукторы, коробки перемены передач и др.);

б) по окружной скорости: тихоходные (max=3...4м/с); среднескоростные (4 м/с ??15 м/с); высокоскоростные ( > 15 м/с);

в) по взаимному расположению осей валов:

- при валах с параллельными осями — цилиндрические (прямозубые, косозубые, шевронные);

- при валах с пересекающимися осями – конические (прямозубые и косозубые, или с криволинейными зубьями);

- при валах со скрещивающимися осями – винтовые, гипоидные.

В курсе «Детали машин и основы конструирования» изучают только широко распространенные зубчатые колеса круглой формы, то есть цилиндрические и конические, остальные виды встречаются редко. И рассматриваются в спецкурсах.
Виды разрушения и повреждения зубьев

При неточном расчете, недостатках конструкции, больших перегрузках, небрежности монтажа или нарушении правил нормальной эксплуатации передачи возможны поломка зубьев, выкрашивание, заедание и преждевременный износ рабочих поверхностей зубьев.

Поломка зубьев приводит не только к выходу из строя передачи, но и к повреждению подшипников, валов и т. д. Причины поломки зубьев:

большие перегрузки ударного или статического действия, повторные перегрузки, вызывающие малоцикловую усталость, или многократно повторяющиеся перегрузки, вызывающие усталость материала.

Для предотвращения поломок зубья рассчитывают на изгиб.

Усталостное выкрашивание поверхностных слоев зубьев является наиболее серьезным и распространенным видом повреждений зубьев для большинства закрытых, обильно смазываемых и хорошо защищенных от загрязнений зубчатых колес. Выкрашивание заключается в появлении на рабочих поверхностях небольших углублений, напоминающих оспинки, и носит усталостный характер: контактные напряжения в каждой точке рабочей поверхности зубьев изменяются по нулевому циклу, а напряжения в поверхностных слоях по знакопеременному, хотя и несимметричному, циклу. Выкрашивание начинается вблизи полюсной липни на ножках зубьев, где в связи с малыми скоростями скольжения возникают большие силы трения. Затем оно распространяется на всю поверхность ножек, приводя к повышению давления на невыкрашенных участках поверхности, выжиманию смазки в ямки и, наконец, пластическому деформированию или заеданию.

Для предотвращения выкрашивания зубья рассчитывают на контактную выносливость.

Заедание является следствием раздавливания масляной пленки в зоне контакта зубьев, сцепления поверхностных частичек материала шестерни и колеса и оставления на поверхности менее прочного зуба ямок, борозд в результате их отрыва при относительном движении зубьев. Заеданию более подвержены зубья с незакаленными поверхностями из однородных материалов.

Износ происходит в результате истирания рабочих поверхностей зубьев вследствие механического, молекулярного-механического и коррозионно-механического изнашивания.

Зубчатые передачи рассчитывают по допускаемым контактным напряжениям и напряжениям изгиба отдельно для колеса , и шестерни , . Предварительно определяют среднюю твердость рабочих поверхностей зубьев.
Расчет ведут по формулам:

- допускаемые контактные напряжения, МПа

(2.8)

HO - предел контактной усталости поверхности зубьев, МПа

[SH] - коэффициент безопасности ([SH]=1,1...1,2);

КHL - коэффициент долговечности (KHL=1,0...2,6).

. (2.9)
- допускаемое напряжение изгиба для материала зуба, МПа

(2.10)

FO - предел выносливости зубьев при изгибе (зависит от термообработки), МПа

[SF] - коэффициент безопасности ([SF] = 1,25...2,3);

KFC - коэффициент, учитывающий влияние приложения нагрузки (при одностороннем приложении нагрузки КFC = 1);

KFL - коэффициент долговечности зубьев (КFL=1,0...2,1).
Достоинства:
1. Возможность передачи практически любых мощностей (до 50000 кВТ и более) при весьма широком диапазоне окружных скоростей (от долей м/с до 30... 150 м/с). При высоких скоростях применяют передачи с косыми зубьями, изготовленные с высокой точностью и тщательно смонтированные. Обычно для передач с косыми или криволинейными зубьями max= 30…35 м/с.

2. Постоянство передаточного отношения. В исключительных случаях применяют зубчатые передачи с переменным передаточным отношением, получающимся при некруглых зубчатых колесах (рис.1).

3. Компактность, надежность и высокая усталостная долговечность передачи.

4. Высокий КПД (=0,97…0,99) при высокой точности изготовления и монтажа, низкой шероховатости рабочей поверхности зубьев, жидкой смазке и передаче полной мощности. При невыполнении указанных условий КПД может понизиться на 20... 40%.

5. Простота обслуживания и ухода.

6. Сравнительно небольшие силы давления на валы и их опоры.

7. Может быть изготовлена из самых разнообразных материалов, металлических и неметаллических.
Недостатки:
1. Ограниченность передаточного отношения. Для одной пары зубчатых колес по СТ СЭВ 221—75 imax =12,5, но практически i?7, лишь в открытых тихоходных, малонагруженных передачах imax? 15 (даже до 20).

2. Является источником вибрации и шума, особенно при низком качестве изготовления и монтажа и значительных скоростях.

3. При больших перегрузках возможна поломка деталей (пробуксовки исключены).

4. Относительная сложность изготовления высокоточных зубчатых колес.
Применение:
По применению и распространению в различных областях народного хозяйства зубчатые передачи по праву занимают первое место. В любой отрасли машиностроения, приборостроения, на транспорте, в пожарной технике, в военной технике и др. Зубчатые передачи находят широкое применение: автомобили, самолеты, тракторы, пожарные автомобили, подъемники, часы, измерительные приборы и т.д. Термины, определения и обозначения, относящиеся к геометрии и кинематике зубчатых передач различных типов с передаточным отклонением, установлены ГОСТ 16530-83.

Зубчатых цилиндрических передач – ГОСТ 16531-83.

Зубчатых конических передач – ГОСТ 16531-83.

Червячные передачи
Червячная (или зубчато-винтовая) передача (рис.2) представляет собой кинематическую пару, состоящую из червяка и червячного колеса.

На рис. 3 показан привод от электродвигателя 3, соединенного муфтой 2 с ведущим валом червячного редуктора.





Рис.2




Рис.3
Червячную передачу можно рассматривать как модификацию винтовой пары, длинная гайка которой разрезается продольной плоскостью (параллельной оси винта) и изгибается в круговое кольцо - зубчатое колесо, охватывающее тело винта - червяка по дуге.

Червяк - это винт с резьбой, нарезанной на цилиндре (архимедов, конволютный, эвольвентный и другие червяки), (см. рис.2,а) или на глобоиде (см. рис.2,б).

Архимедов червяк представляет собой цилиндрический винт с трапецеидальным профилем резьбы. В торцовом сечении витки этого червяка очерчены архимедовой спиралью.

Конволютный червяк – это цилиндрический винт с прямолинейными очертаниями профиля впадин или витков в сечении, нормальном к боковой поверхности резьбы.

Эвольвентный червяк можно рассматривать как косозубое цилиндрическое колесо с очень большим углом наклона зуба к образующей цилиндра и с малым числом зубьев. Профиль витков - зубьев очерчен эвольвентой.

Глобоидный червяк представляет собой винт, нарезанный на поверхности тора (глобоида). В центральной осевой плоскости червяка витки имеют прямолинейный профиль. Передачу с таким червяком называют глобоидной. Несмотря на то, что при одинаковых габаритах нагрузочная способность передачи с глобоидным червяком значительно выше, чем с цилиндрическим, она пока не получила широкого распространения из-за комплекса причин, связанных с теплоотводом, изготовлением и сборкой глобоидного червяка и червячного колеса.

Материалы червяка и колеса.

Для червяка применяют те же марки сталей, что и для зубчатых колес. В передачах с колесами большого диаметра червяк изготавливают из бронзы, а колесо – из чугуна. Выбор материала червячного колеса зависит от скорости скольжения витков резьбы червяка по зубьям колеса и делятся на 3 группы:

I гр. – оловянные бронзы (> 5 м/с);

IIгр. - безоловянные бронзы и латуни (= 2-5 м/с);

IIIгр. – мягкие серые чугуны (< 2 м/с).

(2.11)
Так как червяки изготавливают из более прочного материала, чем венцы червячных колес, то расчет на прочность производят только для зубьев колеса. Основные причины выхода из строя червячных передач – поверхностные разрушения, заедание и износ зубьев. Поломка зубьев происходит после их износа.

В связи с тем, что поверхностное разрушение зубьев зависит от контактных напряжений, а поломка – от напряжений изгиба, зубья червячных колес

рассчитывают на прочность по контактным напряжениям изгиба.

Дополнительные контактные напряжения:
1) Для первой группы: (2.12)
где - в справочных материалах.

(2.13)

где - коэффициент, учитывающий интенсивность изнашивания материала колеса (зависит от скорости скольжения );

- коэффициент долговечности, ? 1,15
(2.14)
2) Для второй группы: (2.15)
3) Для третьей группы: (2.16)

Дополнительные напряжения изгиба – вычисляют для материала зубьев червячного колеса:

(2.17)
где - коэффициент долговечности,

Достоинства:
1.Возможность осуществления передачи (одноступенчатой) с большими передаточными числами: в кинематических передачах i = 500 и более, а в силовых передачах i = 8...80, в виде исключения до 120.

2. Плавность зацепления и бесшумность работы.

3. Возможность осуществления самотормозящей передачи (у такой передачи КПД меньше 50%).

4. Небольшая масса передачи на единицу мощности при большом передаточном числе.
Недостатки:
1. Сравнительно низкий КПД в несамотормозящих передачах =0,7...0,92 (большие значения для передач с многовитковым и шлифованным червяком).

2. Ограниченность передаваемой мощности - не выше 50...100 кВт.

3. Сильный нагрев передачи при длительной непрерывной работе.

4. Высокая стоимость материала венцов червячных колес (бронза) и инструмента для нарезания зубьев червячных колес (червячные фрезы), а также шлифовки червяка.

Передача винт-гайка
Передача винт-гайка предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное и в редких случаях для преобразования поступательного движения во вращательное. Второе возможно только при несамотормозящей винтовой паре.










Рис. 4 Рис. 5
Достоинства:
1. Простота изготовления и надежность конструкции.

2. Большая несущая способность при небольших габаритах передачи.

3. Большой выигрыш в силе, получающийся вследствие медленного осевого перемещения винта (гайки): скорость скольжения в резьбе больше скорости осевого перемещения винта в 1/sin ? раз, обычно в 5...40 раз.

4. Возможность обеспечения высокой точности перемещений.
Недостатки:
1. Низкий КПД: = 0,6…0,85; для самотормозящих винтовых пар  < 0,5. Следует учесть, что КПД винтовых механизмов (домкраты, прессы и т. д.) меньше КПД винтовой пары, так как помимо потерь на трение в резьбе возникают дополнительные потери на трение в опорных частях механизма, например в головке домкрата или на опорном торце винтового пресса (рис.5).

2. Тихоходность передачи.
Основная причина выхода из строя винтов и гаек передач – износ резьбы. В качестве критерия износостойкости резьбы винтовой пары принимают давление q между резьбами винта и гайки, которое не должно превышать [q].

Условие износостойкости:

(2.18)

где F – осевая сила, действующая на винт и гайку;

- средний диаметр резьбы;

h – рабочая высота профиля резьбы;

- число витков резьбы гайки.
h = 0,5 P , где P – шаг резьбы;

= , где H – высота гайки.

Винт, работающий на растяжение (сжатие) и кручение рассчитывают на прочность по гипотезе наибольших касательных напряжений:

(2.19)

где - допускаемое напряжение на растяжение.

Допускаемое напряжение на растяжение и сжатие :

= =

- предел текучести материала винта.

Длинный винт, находящийся под действием сжимающей силы F, проверяют на устойчивость: (2.20)
где - допускаемый коэффициент запаса устойчивости;

- приведенная длина винта;

- приведенный момент инерции. (2.21)
Формула (2.20) применима при гибкости винта , .

(2.22)

где l – расстояние между серединами опор;

i – радиус инерции площади сечения винта:

(2.23)

- площадь поперечного сечения винта по внутреннему диаметру резьбы.

Для винтов при выполняют проверку на устойчивость:

(2.24)

При < 55 проверка не нужна.


Применение:
Передачу винт-гайка применяют при поднятии грузов (винтовые домкраты (рис.4) в машинах для испытания материалов, при механической обработке материалов (ходовые винты станков, винтовые прессы, тиски, струбцины, нажимные устройства), при необходимости выполнения точных перемещений (измерительные приборы) и т. д.

В передаче винт-гайка материал винтов и гаек должен обладать высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью.

Винты изготовляют из сталей 45; 50; А45; А50; У10; 65Г; 40Х; 40ХГ; 40ХВГ или Ст4; Ст5.

Гайки изготовляют цельными и разъемными (с разъемом по осевому сечению) из оловянной бронзы: Бр.ОФ10-1, Бр.ОЦС6-6-3; при малых скоростях и нагрузках - из антифрикционного чугуна марки АВЧ-1; АСЧ-3 и др.

Для повышения КПД передач винт-гайка применяют резьбы: малым углом профиля - трапецеидальную, упорную и прямоугольную. Наибольшее распространение имеет трапецеидальная резьба со средним шагом. Трапецеидальную резьбу с мелким шагом используют при относительно небольших перемещениях, а с крупным шагом - при тяжелых условиях эксплуатации.

Прямоугольная резьба не стандартизована и применяется сравнительно редко, ее нельзя фрезеровать, а нарезание на токарном станке менее производительно, чем фрезерование. Для передач с большими односторонними нагрузками (прессы, домкраты, нажимные устройства прокатных станов и др.) применяют упорную резьбу.
  1   2


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации