Детали машин. 
Техническая механика

В результате изучения данного раздела студент должен:

знать

• • методические, нормативные и руководящие материалы, касающиеся выполняемой работы;
• • основы проектирования технических объектов;
• • проблемы создания машин различных типов, приводов, принципа работы, технические характеристики;
• • конструктивные особенности разрабатываемых и используемых технических средств;
• • источники научно-технической информации (в том числе сайты Интернет) по вопросам проектирования деталей, узлов, приводов и машин общего назначения;

уметь

• • применять теоретические основы для выполнения работ в области научно-технической деятельности по проектированию;
• • применять методы проведения комплексного технико-экономического анализа в машиностроении для обоснованного принятия решений;
• • самостоятельно разбираться в нормативных методиках расчета и принять их для решения поставленной задачи;
• • выбирать конструкционные материалы для изготовления деталей общего назначения в зависимости от условий работы;
• • осуществлять поиск и анализировать научно-техническую информацию;

владеть

• • навыками рационализации профессиональной деятельности с целью обеспечения безопасности и защиты окружающей среды;
• • навыками дискуссии по профессиональной тематике;
• • терминологией в области проектирования машинных деталей и изделий общего назначения;
• • навыками поиска информации о свойствах конструкционных материалов;
• • информацией о технических параметрах оборудования для использования при конструировании;
• • навыками моделирования, проведения конструкционных работ и проектирования передаточных механизмов с учетом соответствия с техническим заданием;
• • навыками применения полученной информации при проектировании машинных деталей и изделий общего назначения.

Изучение элементной базы машиностроения (детали машин) — знать функциональное назначение, образ (графическое представление), методы проектировочных и проверочных расчетов основных элементов и частей машин.

Изучение структуры и методов процесса проектирования — иметь представление об инвариантных понятиях процесса системного проектирования, знать этапы и методы проектирования. В том числе — итерации, оптимизация. Получение практических навыков проектирования технических систем (ТС) из области машиностроения, самостоятельная работа (при помощи преподавателя — консультанта) по созданию проекта механического устройства.

Машиностроение является основой научно-технического прогресса, основные производственно-технологические процессы выполняются машинами или автоматическими линиями. В связи с этим машиностроению принадлежит ведущая роль среди других отраслей промышленности.

Использование машинных деталей известно с глубокой древности. Простые детали машин — металлические цапфы, примитивные зубчатые колеса, винты, кривошипы были известны до Архимеда; применялись канатные и ременные передачи, грузовые винты, шарнирные муфты.

Леонардо да Винчи, которого считают первым исследователем в области деталей машин, были созданы зубчатые колеса с перекрещивающимися осями, шарнирные цепи, подшипники качения. Развитие теории и расчета деталей машин связаны с многими именами русских ученных — II. Л. Чебышева, Н. П. Петрова, Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, В. Л. Кирпичева (автора первого учебника (1881) по деталям машин); в дальнейшем курс «Детали машин» получил развитие в трудах П. К. Худякова, А. И. Сидорова, М. А. Савсрина, Д. Н. Решетова и др.

Как самостоятельная научная дисциплина курс «Детали машин» оформился к 1780-м гг., в это время он был выделен из общего курса построения машин. Из зарубежных курсов «Детали машин» наиболее широко использовались труды К. Баха, Ф. Ретшера. Дисциплина «Детали машин» непосредственно опирается на курсы «Сопротивление материалов», «Теория механизмов и машин», «Инженерная графика».

Основные понятия и определения. «Детали машин» является первым из расчетно-конструкторских курсов, в котором изучают основы проектирования машин и механизмов. Любая машина (механизм) состоит из деталей.

Деталь — такая часть машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т. п.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т. п.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы.

Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т. п.). Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, редуктор включает подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т. п.

Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т. п.). Эти детали (узлы) называют деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин». Все другие детали (поршни, лопатки турбин, гребные винты и т. п.) относятся к деталям специального назначения и изучают в специальных курсах.

Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень больших количествах, ежегодно изготовляют около миллиарда зубчатых колес. Поэтому любое усовершенствование методов расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность, приносит большой экономический эффект.

Машина — устройство, совершающее механические движения с целью преобразования энергии, материалов и информации, например двигатель внутреннего сгорания, прокатный стан, грузоподъемный кран. ЭВМ, строго говоря, не может называться машиной, так как не имеет деталей, совершающих механические движения.

Работоспособность (ГОСТ 27.002—89) узлов и деталей машин — состояние, при котором сохраняется способность выполнения заданных функций в пределах параметров, установленных нормативно-технической документацией.

Надежность (ГОСТ 27.002—89) — свойство объекта (машин, механизмов и деталей) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных показателей в нужных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта.

Наработка на отказ — время работы от одного отказа до другого.

Интенсивность отказов — число отказов в единицу времени.

Долговечность — свойство машины (механизма, детали) сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технических обслуживания и ремонтов. Под предельным понимается такое состояние объекта, когда дальнейшая эксплуатация становится экономически нецелесообразной или технически невозможной (например, ремонт обходится дороже новой машины, детали или может вызвать аварийную поломку).

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений и устранению их последствий в процессе ремонта и технического обслуживания.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять работоспособность в течение и после хранения или транспортирования.

Основные требования к конструкции деталей машин. Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. Экономичность определяют стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию.

Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин — прочность, жесткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость, виброустойчивость. Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее функционального назначения и условий работы. Например, для крепежных винтов главным критерием является прочность, а для ходовых винтов — износостойкость. При конструировании деталей их работоспособность обеспечивают в основном выбором соответствующего материала, рациональной конструктивной формой и расчетом размеров по главным критериям.

Особенности расчета деталей машин. Для того чтобы составить математическое описание объекта расчета и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции заменяют идеализированными моделями или расчетными схемами. Например, при расчетах на прочность, по существу, несплошной п неоднородный материал деталей рассматривают как сплошной и однородный, идеализируют опоры, нагрузки и форму деталей. При этом расчет становится приближенным. В приближенных расчетах большое значение имеют правильный выбор расчетной модели, умение оценить главные и отбросить второстепенные факторы.

Неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. При этом выбор коэффициентов запасов прочности становится весьма ответственным этапом расчета. Заниженное значение запаса прочности приводит к разрушению детали, а завышенное — к неоправданному увеличению массы изделия и перерасходу материала. Факторы, влияющие на запас прочности, многочисленны и разнообразны: степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул и определения расчетных нагрузок, влияние качества технологии, условий эксплуатации и пр.

В инженерной практике встречаются два вида расчета: проектный и проверочный. Проектный расчет — предварительный, упрощенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (узла) в целях определения ее размеров и материала. Проверочный расчет — уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.

Расчетные нагрузки. При расчетах деталей машин различают расчетную и номинальную нагрузку. Расчетную нагрузку, например вращающий момент Т, определяют как произведение номинального момента Т_п на динамический коэффициент режима нагрузки К. Т= КТ_п.

Номинальный момент Т_н соответствует паспортной (проектной) мощности машины. Коэффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением. Значение этого коэффициента зависит от типа двигателя, привода и рабочей машины. Если режим работы машины, ее упругие характеристики и масса известны, то значение К можно определить расчетом. В других случаях значение К выбирают, ориентируясь на рекомендации. Такие рекомендации составляют на основе экспериментальных исследований и опыта эксплуатации различных машин.

Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом.

Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы: соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, износостойкость и др.); требования к массе и габаритам детали и машины в целом; другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т. д.); соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.); стоимость и дефицитность материала.