2. Основные понятия и задачи курса деталей машин. Основные направления развития конструкций машин

Машиной называется механическое устройство, выполняющее движения для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения физического и умственного труда человека .

Интересно, что в справочниках всего полувековой давности в определении машины нет ни слова о преобразовании информации. Тем не менее, назвать современный компьютер машиной можно весьма условно – это не вполне механическое устройство, выполняющее только механические движения. Ясно, что определение понятия «машина» будет еще уточняться.

В курсе «Детали машин» не будут рассматриваться информационные или вычислительные машины.

Основное назначение машины – частичная или полная замена производственных функций человека с целью облегчения его труда и повышения производительности.

Машины, детали которых рассматриваются в нашем курсе, – это энергетические (двигатели, тепловые, электрические, генераторы, компрессоры и др.), технологические (станки, прессы и пр.), транспортные и подъемно-транспортировочные (краны, конвейеры, автомобили, самолеты, поезда и т.п.). Все эти машины состоят из деталей, чаще всего объединенных в сборочные единицы.

Деталью называется изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций, например: зубчатое колесо, шкив, звездочка, болт, гайка и т.д.

Из большого разнообразия деталей и сборочных единиц выделяют такие, которые встречаются в большинстве машин (болты, валы, зубчатые колеса, подшипники, пружины и т.п.). Эти детали и сборочные единицы общего применения и рассматриваются в курсе «Детали машин».

Таким образом, целью курса «Детали машин» является изучение основ расчета и конструирования деталей и сборочных единиц общего назначения с учетом требований, предъявляемых к машинам и их составляющим частям.

Другие основные понятия, используемые в курсе «Детали машин».

Изделие – любой предмет или набор предметов производства, изготовленный предприятием.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой сборочными операциями.

Узел – сборочная единица, которая может выполнять опре­деленную функцию в изделиях одного назначения только совместно с другими составными частями.

Агрегат – сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия или изделия в целом и способностью выполнять определенную функцию в изделии или самостоятельно.

Механизм – система деталей, предназначенных для преобразования одного вида движения в другое. Механизмы, входящие в состав машины, делят по функциональному признаку на передаточные; исполнительные; механизмы управления, контроля и регулирования; механизмы подачи, транспортировки и сортировки. Основные элементы механизма – звенья и кинематические пары. Наибольшее распространение имеют механизмы с одной степенью свободы, в которых для определенности движения всех его звеньев нужно задать закон движения одного звена. Если в таком механизме остановить всего одно звено, то остановится весь механизм. Механизмов на сегодняшний день создано очень много, наиболее распространенные – это зубчатые, фрикционные, винтовые, рычажные, с гибкими звеньями и др.

Звено механизма – одна или несколько жестко соединенных деталей, например вал и зубчатое колесо.

Различают входные и выходные звенья. Входным называют звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев. Выходным называют звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм. Между входным и выходным могут быть расположены промежуточные звенья.

В каждой паре совместно работающих звеньев в направлении силового потока различают ведущее и ведомое звенья.

Кинематическая пара – соединение двух соприкасающихся тел, допускающее их относительное движение. По функциональному признаку кинематические пары могут быть вращательными, поступательными, винтовыми и т. д.

Кинематическая цепь – система звеньев, связанных между собой кинематическими парами.

Привод – устройство, приводящее в движение машину или механизм; состоит из источника энергии, передаточного механизма и аппаратуры управления.

Основные направления развития конструкций деталей машин:

1. Обеспечение прочности и равнопрочноcти деталей; уменьшение концентрации напряжений; использование материалов с улучшенными свойствами.

2. Обеспечение мало – или безызносной работы сопряжений, в том числе:

– расширение применения узлов трения качения – подшипников качения, направляющих, передач винт-гайка, червячно-реечных передач, шлицевых сопряжений качения;

– обеспечение в подшипниках гидростатодинамического режима смазки, применение опор с газовой смазкой, магнитных опор, магнитопорошковой смазки;

– повышение износостойкости деталей – совершенствование уплотнительных защитных устройств, применение износостойких материалов и покрытий, снижение нагруженности трущихся поверхностей, обеспечение равномерного износа в сопряжении, использование эффекта избирательного переноса.

3. Повышение точности изделий, уменьшение концентрации контактных напряжений, динамических нагрузок в сопряжениях.

4. Расширение применения наряду с механическими системами электрических, электронных, гидравлических и пневматических систем.

5. Оптимизация расчетов и конструирования деталей машин, многокритериальная оптимизация, в том числе – приводов машин вращательного и возвратно-поступательного движения, зубчатых и волновых передач, коленчатых валов, станин, систем машин.

6. Обеспечение "самоорганизации" деталей и механизмов, т.е. самосмазываемости в режиме гидродинамической и газодинамической смазки, применение самосмазывающихся материалов;

– самоустанавливаемости – отказ от избыточных связей в механизмах, в том числе – модификация контактирующих поверхностей деталей, применение самоустанавливающихся подшипников, зубчатых передач с точечным начальным контактом, компенсирующих и упругих муфт;

– самоприрабатываемости – подбор материалов и формы поверхностей трения, приближение их к фор­ме естественного износа;

– самокомпенсируемости – применение систем с обратной связью и т.д.

7. Копирование в машинах принципов функционирования объектов живой природы. Совмещение функций, выполняемых отдельными узлами машин.

8. Резервирование. Реализация принципа безопасности повреждений: эксплуатация по техническому состоянию; введение трещиноостанавливающего вязкого сплава и др. Создание неразборных узлов с гарантированным ресурсом.

9. Применение деталей из перспективных материалов, в том числе – технической керамики, обеспечивающей изготовление высокопрочных деталей различных форм и размеров;

– композиционных материалов (на металлической, полимерной и керамической основе с углеродными, стеклянными, борными волокнами), использующих высокую прочность материалов в малых сечениях, в частности нитевидных кристаллов, и малую чувствительность к концентрации напряжений в связи с волокнистой структурой;

– материалов, обладающих памятью, т.е. способностью восстанавливать первоначальную форму при определенных температурах, давлении среды и т.д. (в качестве элементов конструкций – в механических соединениях, муфтах, виброзащитных устройствах, терморегуляторах, термомеханических двигателях и генераторах);

– материалов, недеформирующихся от остаточных напряжений при упрочнениях и эксплуатации (мартенситостареющие стали, позволяющие осуществлять после закалки обработку резанием, и стареющие с повышением твердости до 55 HRС);

– материалов типа синтегран, обладающих большой демпфирующей способностью (для деталей несущих систем машин).

10. Использование возможностей и учет специфики новых технологий:

– применение деталей сложных форм, обрабаты­ваемых на станках с ЧПУ;

унификация локальных поверхностей деталей;

– обработка инструментом, воздействующим на заготовку по всему объему.

11. Применение новых прогрессивных технологий упрочнения (лазерными, электронными лучами, струей плазмы), обеспечивающих высокую интенсивность процессов, локальность и геометрическую точность зоны нагрева и минимальную доводку деталей.

12. Совершенствование смазочных материалов и процессов смазывания – эффективное и быстрое средство повышения ресурса и надежности машин и экономии энергии.

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой механизм?

2. Для чего предназначены машины?

3. Что называют деталью, а что сборочной единицей?

4. Что изучается в курсе «Детали машин»?

5. Перечислите основные направления развития конструкций деталей

машин.