ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КУРСА

ДЕТАЛИ МАШИН

И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

 

Конспект лекций

 

 

Для студентов специальностей:

150700 – Локомотивы,

150800 – Вагоны,

170900 – Подъёмно-транспортные, строительные

и дорожные машины и оборудование,

181400 – Электрический транспорт железных дорог

 

 

Самара 2003

УДК 621.81(075.8)

Т52

 

 

Рецензенты

Профессор кафедры «Механика» СамГАПС

Янковский Виктор Владимирович

Доктор техн. наук, профессор,

Главный ученый секретарь Самарского научного центра РАН

Лазарев Юрий Николаевич

 

Т52

Толстоногов А.А. Детали машин и основы конструирования: Конспект лекций. - Самара, СамГАПС, 2003.- 100 с.

 

Конспект лекций в краткой форме знакомит студентов с основами курса: понятиями, определениями, стандартами, конструкцией деталей, правилами инженерных расчетов.

Конспект содержит схемы чертежи, множество рисунков.

Данное издание предназначено для студентов специальностей 150700, 150800, 170900, 181400 очной и заочной форм обучения.

 

 

УДК 621.81(075.8)

 

 

© Самарская государственная академия путей сообщения, 2003

© Толстоногов А.А., 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КУРСА 7

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ МАШИН 10

Требования к машинам и критерии их качества 12

Условия нормальной работы деталей и машин 13

2.3. Общие принципы прочностных расчётов 15

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 17

ПЕРЕДАЧИ 18

ПЕРЕДАЧИ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ 19

4.1.1. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ 19

Критерии расчёта эвольвентных зубьев 20

Силы в зубчатом зацеплении 22

Расчёт зубьев на контактную выносливость 23

Расчёт зубьев на изгиб 24

4.1.2. ПЛАНЕТАРНЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ 25

4.1.3. ВОЛНОВЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ 26

4.1.4. ЗАЦЕПЛЕНИЯ НОВИКОВА 28

4.1.5. КОНИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ 30

4.1.6. ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ 31

ПЕРЕДАЧИ ТРЕНИЕМ (сцеплением) 35

ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ 35

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ 37

ВАЛЫ И ОСИ 44

ОПОРЫ ВАЛОВ И ОСЕЙ – ПОДШИПНИКИ 49

6.1. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ 50

6.2. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ 52

6.2.1. Причины поломок и критерии расчёта подшипников 57

6.2.2. Расчёт номинальной долговечности подшипника 57

6.2.3. Методика выбора подшипников качения 58

6.2.4. Особенности проектирования подшипниковых узлов 59

Схемы установки подшипников 59

Крепление подшипников на валу и в корпусе 60

Жёсткость подшипников и их предварительный натяг 61

Уплотняющие устройства 62

Посадки подшипников на вал и в корпус 63

Монтаж и демонтаж подшипников 64

Смазка подшипников качения 64

МУФТЫ 66

7.1. ЖЁСТКИЕ МУФТЫ 69

7.2. КОМПЕНСИРУЮЩИЕ МУФТЫ 69

7.3. ПОДВИЖНЫЕ МУФТЫ 70

7.4. УПРУГИЕ МУФТЫ 71

7.5. ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ 73

8. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 74

8.1. НЕРАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 74

8.1.1. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 74

Расчёт на прочность сварных швов 76

8.1.2. ЗАКЛЁПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 78

8.2. РАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 80

8.2.1. РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 80

Расчёт на прочность резьбовых соединений 84

8.2.2. ШТИФТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 88

8.2.3. ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 89

8.2.4. ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 90

9. УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В МАШИНАХ 92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 98

 

 

 

Предлагаемый конспект лекций написан и подготовлен к изданию исключительно благодаря постоянной поддержке моих коллег, которым я искренне благодарен:

в особенности профессору В.В. Янковскому, читающему этот курс настолько просто, логично и понятно, что его лекции послужили образцом, к которому мне лишь оставалось подобрать подходящие рисунки;

а также заведующему кафедрой механики В.В. Фёдорову, старшим преподавателям М.С. Жаркову и В.М. Белякову много сделавшим для становления этого курса в нашей академии.

 

 

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).

И хотя различные механические хитрости использовались уже в древнем Египте при строительстве пирамид, 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 [9,16,18,22,23,32] теперь невозможна подготовка инженера-механика любой специальности.

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, в нашей отрасли "Конструкция вагонов", "Динамика подвижного состава", "Технология ремонта локомотивов", "Строительные и дорожные машины" и т. п., которые и составляют квалификацию инженера-железнодорожника 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 и основы конструирования" 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 [21] в самом начале работы для систематизации учебного материала и во избежание двусмысленного толкования.

Расположим понятия по степени сложности.

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.

МЕХАНИЗМ – система деталей, предназначенная для передачи и преобразования движения.

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.

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.

Процесс разработки машин имеет сложную, разветвлённую неоднозначную структуру и обычно называется широким термином ПРОЕКТИРОВАНИЕ – создание прообраза объекта, представляющего в общих чертах его основные параметры. Под КОНСТРУИРОВАНИЕМ некоторые авторы понимают весь процесс от идеи до изготовления машин, некоторые – лишь завершающую стадию его подготовки [14, 24, 25, 38]. 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 (франц. es quisse – из размышлений), предварительного рисунка или наброска, фиксирующего замысел и содержащего основные очертания создаваемого объекта.

КОМПОНОВКА – расположение основных деталей, узлов, сборочных единиц 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, эксплуатации и ремонте машины.