Детали машин

Детали машин (далее Д) (от франц. détail - подробность), элементы машин, каждый из которых представляет собой одно целое и не может быть без разрушения разобран на более простые, составные звенья машин. Д является также научной дисциплиной, рассматривающей теорию, расчет и конструирование машин.

Число деталей в сложных машинах достигает десятков тысяч. Выполнение машин из деталей прежде всего вызвано необходимостью относительных движений частей. Однако неподвижные и взаимно неподвижные части машин (звенья) также делают из отдельных соединенных между собой деталей. Это позволяет применять оптимальные материалы, восстанавливать работоспособность изношенных машин, заменяя только простые и дешевые детали, облегчает их изготовление, обеспечивает возможность и удобство сборки.

Д как научная дисциплина рассматривает следующие основные функциональные группы.

Корпусные детали (рис. 1), несущие механизмы и другие узлы машин: плиты, поддерживающие машины, состоящие из отдельных агрегатов; станины, несущие основные узлы машин; рамы транспортных машин; корпусы ротационных машин (турбин, насосов, электродвигателей); цилиндры и блоки цилиндров; корпусы редукторов, коробок передач; столы, салазки, суппорты, консоли, кронштейны и др.

Передачи - механизмы, передающие механическую энергию на расстояние, как правило, с преобразованием скоростей и моментов, иногда с преобразованием видов и законов движения. Передачи вращательного движения, в свою очередь, делят по принципу работы на передачи зацеплением, работающие без проскальзывания, - зубчатые передачи (рис. 2, а, б), червячные передачи (рис. 2, в) и цепные, и передачи трением - ременные передачи и фрикционные с жесткими звеньями. По наличию промежуточного гибкого звена, обеспечивающего возможность значительных расстояний между валами, различают передачи гибкой связью (ременные и цепные) и передачи непосредственным контактом (зубчатые, червячные, фрикционные и др.). По взаимному расположению валов - передачи с параллельными осями валов (цилиндрические зубчатые, цепные, ременные), с пересекающимися осями (конические зубчатые), с перекрещивающимися осями (червячные, гипоидные). По основной кинематической характеристике - передаточному отношению - различают передачи с постоянным передаточным отношением (редуцирующие, повысительные) и с переменным передаточным отношением - ступенчатые (коробки передач) и бесступенчатые (вариаторы). Передачи, преобразующие вращательное движение в непрерывное поступательное или наоборот, разделяют на передачи винт - гайка (скольжения и качения), рейка - реечная шестерня, рейка - червяк, длинная полугайка - червяк.

Валы и оси (рис. 3) служат для поддерживания вращающихся Д Различают валы передач, несущие детали передач - зубчатые колеса, шкивы, звездочки, и валы коренные и специальные, несущие, кроме деталей передач, рабочие органы двигателей или машин орудий. Оси, вращающиеся и неподвижные, нашли широкое применение в транспортных машинах для поддержания, например, неведущих колес. Вращающиеся валы или оси опираются на подшипники (рис. 4), а поступательно перемещающиеся детали (столы, суппорты и др.) движутся по направляющим. Опоры скольжения могут работать с гидродинамическим, аэродинамическим, аэростатическим трением или смешанным трением. Опоры качения шариковые применяются при малых и средних нагрузках, роликовые - при значительных нагрузках, игольчатые - при стесненных габаритах. Наиболее часто в машинах используют подшипники качения, их изготавливают в широком диапазоне наружных диаметров от одного мм до нескольких м и массой от долей г до нескольких т.

Для соединения валов служат муфты. Эта функция может совмещаться с компенсацией погрешностей изготовления и сборки, смягчением динамических воздействий, управлением и т.д.

Упругие элементы предназначаются для виброизоляции и гашения энергии удара, для выполнения функций двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров и натяга в механизмах. Различают витые пружины, спиральные пружины, листовые рессоры, резиновые упругие элементы и т.д.

Соединительные детали являются отдельной функциональной группой. Различают: неразъемные соединения, не допускающие разъединения без разрушения деталей, соединительных элементов или соединительного слоя - сварные (рис. 5, а), паяные, заклепочные (рис. 5, б), клеевые (рис. 5, в), вальцованные; разъемные соединения, допускающие разъединение и осуществляемые взаимным направлением деталей и силами трения (большинство разъемных соединений) или только взаимным направлением (например, соединения призматическими шпонками). По форме присоединительных поверхностей различают соединения по плоскостям (большинство) и по поверхностям вращения - цилиндрической или конической (вал - ступица). Широчайшее применение в машиностроении получили сварные соединения. Из разъемных соединений наибольшее распространение получили резьбовые соединения, осуществляемые винтами, болтами, шпильками, гайками (рис. 5, г).

Прообразы многих Д известны с глубокой древности, самые ранние из них - рычаг и клин. Более 25 тыс. лет назад человек стал применять пружину в луках для метания стрел. Первая передача гибкой связью была использована в лучковом приводе для добывания огня. Катки, работа которых основана на трении качения, были известны более 4000 лет назад. К первым деталям, приближающимся по условиям работы к современным, относятся колесо, ось и подшипник в повозках. В древности и при строительстве храмов и пирамид пользовались воротами и блоками. Платон и Аристотель (4 в. до н. э.) упоминают в своих сочинениях о металлических цапфах, зубчатых колесах, кривошипах, катках, полиспастах. Архимед применил в водоподъемной машине винт, по-видимому, известный и ранее. В записках Леонардо да Винчи описаны винтовые зубчатые колеса, зубчатые колеса с вращающимися цевками, подшипники качения и шарнирные цепи. В литературе эпохи Возрождения имеются сведения о ременных и канатных передачах, грузовых винтах, муфтах. Конструкции Д совершенствовались, появились новые модификации. В конце 18 - начале 19 вв. широкое распространение получили заклепочные соединения в котлах, конструкциях ж.-д. мостов и т.п. В 20 в. заклепочные соединения постепенно вытеснялись сварными. В 1841 Дж. Витвортом в Англии была разработана система крепежных резьб, явившаяся первой работой по стандартизации в машиностроении. Применение передач гибкой связью (ременной и канатной) было вызвано раздачей энергии от паровой машины по этажам фабрики, с приводом трансмиссий и т.д. С развитием индивидуального электропривода ременные и канатные передачи стали использовать для передачи энергии от электродвигателей и первичных двигателей в приводах легких и средних машин. В 20-е гг. 20 в. широко распространились клиноременные передачи. Дальнейшим развитием передач с гибкой связью являются многоклиновые и зубчатые ремни. Зубчатые передачи непрерывно совершенствовались: цевочное зацепление и зацепление прямобочного профиля со скруглениями было заменено циклоидальным, а потом эвольвентным. Существенным этапом было появление круговинтового зацепления М. Л. Новикова. С 70-х годов 19 в. начали широко применяться подшипники качения. Значительное распространение получили гидростатические подшипники и направляющие, а также подшипники с воздушной смазкой.

Материалы Д в большой степени определяют качество машин и составляют значительную часть их стоимости (например, в автомобилях до 65-70%). Основными материалами для Д являются сталь, чугун и цветные сплавы. Пластические массы применяют как электроизолирующие, антифрикционные и фрикционные, коррозионно-стойкие, теплоизолирующие, высокопрочные (стеклопласты), а также как обладающие хорошими технологическими свойствами. Резины используют как материалы, обладающие высокой упругостью и износостойкостью. Ответственные Д (зубчатые колеса, сильно напряженные валы и др.) выполняют из закаленной или улучшенной стали. Для Д, размеры которых определяются условиями жесткости, используют материалы, допускающие изготовление деталей совершенных форм, например незакаленную сталь и чугун. Д, работающие при высоких температурах, выполняют из жаростойких или жаропрочных сплавов. На поверхности Д действуют наибольшие номинальные напряжения от изгиба и кручения, местные и контактные напряжения, а также происходит износ, поэтому Д подвергают поверхностным упрочнениям: химико-термической, термической, механической, термо-механической обработке.

Д должны с заданной вероятностью быть работоспособными в течение определенного срока службы при минимально необходимой стоимости их изготовления и эксплуатации. Для этого они должны удовлетворять критериям работоспособности: прочности, жесткости, износостойкости, теплостойкости и др. Расчеты на прочность Д, испытывающих переменные нагрузки, можно вести по номинальным напряжениям, по коэффициентам запаса прочности с учетом концентрации напряжений и масштабного фактора или с учетом переменности режима работы. Наиболее обоснованным можно считать расчет по заданной вероятности и безотказной работы. Расчет Д на жесткость обычно осуществляют из условия удовлетворительной работы сопряженных деталей (отсутствие повышенных кромочных давлений) и условия работоспособности машины, например получения точных изделий на станке. Для обеспечения износостойкости стремятся создать условия для жидкостного трения, при котором толщина масляного слоя должна превышать сумму высот микронеровностей и др. отклонений от правильной геометрической формы поверхностей. При невозможности создания жидкостного трения давление и скорости ограничивают до установленных практикой или ведут расчет на износ на основе подобия по эксплуатационным данным для узлов или машин того же назначения. Расчеты Д развиваются в следующих направлениях: расчетная оптимизация конструкций, развитие расчетов на ЭВМ, введение в расчеты фактора времени, введение вероятностных методов, стандартизация расчетов, применение табличных расчетов для Д централизованного изготовления. Основы теории расчета Д были заложены исследованиями в области теории зацепления (Л. Эйлер, X. И. Гохман), теории трения нитей на барабанах (Л. Эйлер и др.), гидродинамической теории смазки (Н. П. Петров, О. Рейнольдс, Н. Е. Жуковский и др.). Исследования в области Д в СССР проводятся в Институте машиноведения, Научно-исследовательском институте технологии машиностроения, МВТУ им. Баумана и др. Основным периодическим органом, в котором публикуются материалы о расчете, конструировании, применении Д, является "Вестник машиностроения".

Развитие конструирования Д происходит в следующих направлениях: повышение параметров и разработка Д высоких параметров, использование оптимальных возможностей механических с твердыми звеньями, гидравлических, электрических, электронных и др. устройств, проектирование Д на срок до морального старения машины, повышение надежности, оптимизация форм в связи с новыми возможностями технологии, обеспечение совершенного трения (жидкостного, газового, качения), герметизация сопряжений Д, выполнение Д, работающих в абразивной среде, из материалов, твердость которых выше твердости абразива, стандартизация и организация централизованного изготовления.

Лит.: Д. Атлас конструкций, под ред. Д. Н. Решетова, 3 изд., М., 1968; Д. Справочник, т. 1-3, М., 1968-69.

Д. Н. Решетов.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.