Общие сведения о курсе Детали машин. Краткая история и задачи курса. Основные требования к деталям машин. Лекция 1

1. История развития науки «Детали машин». Его роль при подготовке
инженеров – механиков
«Детали машин» являются первым из рас-четно-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 (болт и 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 сбороч-ную 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».
Первый курс под названием «Детали машин» написан в 1881 г. проф. В.Л. Кирпичевым (1845−1913). В дальнейшем этот курс получил свое развитие в трудах проф. П.К. Худякова (1857−936), А.И. Сидорова (1866−1931), М.А. Саверина (1891−1952) и др. Из курсов, написанных зарубеж-ными учеными, переведены на русский язык и широко использовались труды К. Баха и Ф. Ретшера.

Совершенство конструкции детали оценива-ют по ее надежности и экономичности.
Под надежностью понимают свойство изде-лия сохранять во времени свою работоспо-собность.
Экономичность определяют стоимостью материала, затратами на производство и эксплу-атацию.
2. Основные требования, предъявляемые
к деталям машин

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 прочности, а для ходовых винтов − износостойкость.
Прочность является главным критерием рабо-тоспособности большинства деталей.
Непрочные детали не могут работать. Следует помнить, что разрушения частей машины приводят не только к простоям, но и к несчастным случаям.

Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или сопро-тивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел стати-ческой прочности материала (например, σв). Это связано обычно со случайными перегрузками, не учтенными при расчетах, или со скрытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т. п.).

Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала (например, σ−1).
Сопротивление усталости значительно понижается при наличии концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой детали (галтели, канавки и т. п) или с дефектами производства (царапины, трещины и пр.).

Основы расчетов на прочность изучают в курсе сопротивления материалов. В курсе «Детали машин» общие методы расчетов на прочность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов.
Жесткость характеризуется изменением раз-меров и формы детали под нагрузкой.
Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы.

Такими условиями могут быть условия работы сопряженных деталей (например, качество зацеп-ления зубчатых колес и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов) и технологические условия (например, точность и производительность обработки на металлорежущих станках в значительной степени определяются жесткостью станка и обрабатываемой детали).

Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Значение расчетов на жесткость возрастает в связи с широким внедрением высокопрочных сталей, у которых увеличиваются характеристики прочности (σв и σ−1), а модуль упругости Е (характеристика жесткости) остается почти неизменным.

Изнашивание — процесс постепенного изме-нения размеров деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в подшипниках, в направляющих, в зубчатых зацеплениях, в цилин-драх поршневых машин и т. п. Увеличение зазоров снижает качественные характеристики механизмов — мощность, к.п.д., надежность, точность и пр. Детали, изношенные больше нормы, бракуют и заменяют при ремонте. Несвоевременный ремонт приводит к поломке машины, а в некоторых случаях и к аварии.

Установлено, что при современном уровне техники 85...90% машин выходят из строя в результате изнашивания и только 10... 15% по другим причинам.
Для многих типов машин за период их эксплуатации затраты на ремонты и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Этим объясняется большое внимание, которое уделяют в настоящее время трибонике — науке о трении, смазке и изнашивании механизмов.

Коррозия — процесс постоянного разрушения поверхностных слоев металла в результате окис-ления. Коррозия является причиной преждевремен-ного разрушения многих конструкций. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла.
Для защиты от коррозии применяют антикор-розионные покрытия или изготовляют детали из специальных коррозионноустойчивых материалов, например нержавеющих сталей и пластмасс. Особое внимание уделяется деталям, работающим в присутствии воды, пара, кислот, щелочей и других агрессивных средах.

Теплостойкость. Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия:
понижение прочности материала и появление ползучести;
понижение защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение изнашивания деталей;
изменение зазоров в сопряженных деталях, которое может привести к заклиниванию или заеданию;
понижение точности работы машины (например, прецизионные станки).

Виброустойчивость. Вибрации вызывают допол-нительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. В некоторых случаях вибрации снижают качество работы машин. Например, вибрации в металлорежущих станках снижают точность обработки и ухудшают качество поверхности обрабатываемых деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Вредное влияние вибраций проявляется также и в увеличении шумовых характеристик механизмов.

В инженерной практике встречаются два вида расчета: проектный и проверочный.
Проектный расчет — предварительный, упрошенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) 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. Расчет-ную нагрузку, например вращающий момент Т, определяют как произведение номинального момента Тн на динамический коэффициент режима нагрузки К:

Т = КТн.
Номинальный момент соответствует паспортной (проектной) мощности машины. Коэффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением.
3. Основные материалы деталей машин
Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы: соответствие свойств мате-риала 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, электроизо-ляционные свойства и т. д.); соответствие техноло-гических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свой-ства, обрабатываемость резанием и пр.); стоимость и дефицитность материала.

Черные металлы, подразделяемые на чугуны и стали, имеют наибольшее распространение. Это объяс-няется прежде всего их высокой прочностью и жест-костью, а также сравнительно невысокой стоимостью. Основные недостатки черных металлов ‒ большая плотность и слабая коррозионная стойкость.
Цветные металлы ‒ медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие ‒ при-меняют главным образом в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминия и т. д.).

Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполнения особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозионности и др.
Неметаллические материалы ‒ дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы ‒ также находят широкое при­менение.
Пластмассы ‒ сравнительно новые материалы, применение которых в машиностроении все более расширяется.

Современное развитие химии высокомолекуляр-ных соединений позволяет получить материалы, которые обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло- и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью и т. д.
Пластмассы технологичны. Они обладают хоро-шими литейными свойствами и легко обрабаты-ваются пластическим деформированием при сравнительно невысоких температурах и давлениях.

Это позволяет получать из пластмасс изделия почти любой сложной формы высокопроизводитель-ными методами: литьем под давлением, штамповкой, вытяжкой или выдуванием.
Другим преимуществом пластмасс является сочетание легкости и высокой прочности. По этому показателю некоторые виды пластмасс могут конкурировать с лучшими сортами стали и дюр-алюминия. Высокая удельная прочность позволяет использовать пластмассы в конструкциях, умень-шение массы которых имеет особо важное значение.

Основные потребители пластмасс в настоящее время ‒ электрорадиотехническая и химическая промышленность. Здесь из пластмасс изготовляют корпуса, панели, колодки, изоляторы, баки, трубы и другие детали, подвергающиеся действию кислот, щелочей и т. п.
В других отраслях машиностроения пластмассы применяют главным образом для производства корпусных деталей, шкивов, вкладышей подшип-ников, фрикционных накладок, втулок, маховичков, рукояток и т. д.

Порошковые материалы получают методом порошковой металлургии, сущность которой состоит в изготовлении деталей из порошков металлов путем прессования и последующего спекания в прессформах. Применяют порошки однородные или из смеси различных металлов, а также из смеси металлов с неметаллическими материалами, например с графитом.