1.7. Краткие сведения о материалах, применяемых в машиностроении

При выборе материала детали учитывают следующие факторы:

- соответствие свойств материала критериям работоспособности (прочность, износостойкость и т.д.) и другим требованиям, связанным с назначением, условиями эксплуатации и т.д.

- требования к массе и габаритам детали и машины в целом,

- соответствие намеченному способу обработки детали (штампуемость, литейные свойства и т.д.),

- стоимость и дефицитность материала.

Наиболее распространенными материалами в машиностроении являются стали, чугуны, бронзы, пластмассы и т.д.

Широкое распространение черных металлов (стали и чугуны) связано с их высокой прочностью и жесткостью, а также невысокой стоимостью. Основные недостатки – большая плотность и слабая коррозийная стойкость.

Характеристики некоторых сталей приведены в табл. 1.1.

Дополнительная химико-термическая обработка стальной детали позволяет повысить прочность.

Цветные металлы значительно дороже и используются для выполнения особых требований: антифрикционности (низкий коэффициент трения скольжения), легкости, антикоррозийности и т.д.

Применение пластмасс в машиностроении все более расширяется. Эти материалы обладают высокой прочностью, они технологичны, легки.

В расчетах на статическую прочность деталей из материалов, приведенных в табл. 1.1, принимают 0,6.

Если в результате расчета на прочность определяют размеры детали, то такой расчет называют проектировочным (проектным). Если проверяют условие прочности (см., например, условие (1.20)), то расчет называют проверочным.

Таблица 1.1.

Материал	Марка	()			Область применения (примерная)
		МПа
Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380-94)	Сталь Ст3 Сталь Ст5	380-470 500-620	240 280	180 240	Заклепки, болты, гайки. Валы, оси, шпонки.
Сталь углеродистая, качественная конструкционная (ГОСТ 1050-88)	Сталь 15 Сталь 35 Сталь 45	350 520 600	210 300 340	160 230 260	Кулачки. Оси, валы, болты, гайки. Зубчатые колеса, муфты.
Сталь легированная конструкционная (ГОСТ 4543-71)	Сталь 20Х Сталь 40Х	800 1000	600 800	350 420	Зубчатые колеса, муфты. Зубчатые колеса, катки, оси, валы.

В дальнейшем расчеты на прочность будем проводить с использованием системы СИ в качестве системы измерений (если не оговаривается специально). Единицами измерения длины служат мм, силы – Н, момента силы – Нмм, механического напряжения – МПа, так как

1МПа = 10⁶= =1.

Примеры по темам модуля 2

Пример 1.

На неподвижную ось диаметром = 40 мм действует статическая нагрузка= 25 кН (рис. 1.33), ось изготовлена из пластичного материала (сталь Ст5). Проверить прочность оси; коэффициент запаса прочности принять равным 2,5.

Решение.

Проверку прочности проведем по условию (1.13), учитывая, что ось испытывает осевое растяжение (см. рис. 1.33, а).

1. Напряжения в поперечном сечении при растяжении (см. формулу (1.14))

МПа,

где продольная сила == 25 кН=25000 Н (из условия равновесия оси на рис. 1.33, б, в); площадь поперечного сечения

.

а б в

Рис. 1.33. Определение продольной силы N методом сечений.

2. Допускаемые напряжения (см. формулу (1.13))

МПа,

где предел текучести стали Ст5 из табл. 1.1.

3. Условие прочности выполняется, так как

МПа.

Пример 2.

Статическая нагрузка на одну заклепку из стали 28кН (рис. 1.34). Из условия прочности на срез найти минимальный диаметр заклепки. ПринятьМПа.

Рис. 1.34. Заклепка работает на срез и смятие

Решение.

1. В условие (1.13) подставим выражение для напряжения из формулы (1.15), получимусловие прочности на срез:

,

из которого минимальная площадь поперечного сечения заклепки

мм²,

где =из условия равновесия заклепки (см. рис. 1.34).

2. Рассчитаем минимальный диаметр одной заклепки

мм.

Пример 3.

На рис. 1.35 дана схема привода, в состав которого входят двигатель, редуктор⁴и исполнительный механизм. Мощность, потребляемая исполнительным механизмом, 2,62 кВт. Передаточное отношение зубчатой передачи -6. Частота вращения вала двигателя1500 об/мин. Из условия прочности на кручение найти предварительный диаметр гладкого конца выходного вала редуктора (диаметр консоли), полагая, что 40 МПа.

т

Рис. 1.35. Схема привода Рис. 1.36. Эпюра крутящих моментов

Решение.

1. Определим вращающий момент , приложенный к выходному валу 2 (см. рис. 1.35). Потребляемая мощность

,

где угловая скорость выходного вала 2

c^-1,

здесь и – угловая скорость и частота вращения входного вала 1 редуктора (см. рис. 1.35).

Вращающий момент

=262026,2=100Нм.

2. На рис. 1.36 дана расчетная схема вала 2 и эпюра крутящих моментов ; из эпюры следует, чтоНм.

3. В условие (1.13) подставим формулу (1.18) с учетом (1.19), в результате получим условие прочности на кручение

,

из которого выразим искомый диаметр:

мм.

Пример 4.

Рассчитать параметры отнулевого цикла (см. рис. 1.32), по которому изменяются наибольшие касательные напряжения скручиваемого вала, если 100 МПа.

Решение.

1. Минимальное значение напряжений 0.

2. Амплитуда цикла

МПа.

3. Среднее напряжение цикла

МПа.

4. Коэффициент асимметрии цикла .

Тест по темам модуля 2

1. Зубчатая передача – это

1	2	3	4
деталь	узел	механизм	машина

2. Как называется способность детали сопротивляться объемному разрушению под нагрузкой?

1	2	3		4
жесткость	износостойкость	прочность	теплостойкость

3. Как называется способность детали сопротивляться изменению формы и размеров?

1	2	3		4
прочность	износостойкость	жесткость	теплостойкость

4*. Условие прочности имеет вид:

1	2	3	4

5. Условие прочности при растяжении (сжатии) имеет вид:

1	2	3	4

6. Условие прочности при кручении имеет вид:

1	2	3	4

7. Условие прочности при изгибе имеет вид:

1	2	3	4

8*. Концентраторы напряжений

1	2	3	4
не влияют на усталостную прочность детали	уменьшают усталостную прочность детали	влияют на усталостную прочность детали	увеличивают выносливость детали

9. Условие прочности при срезе имеет вид:

1	2	3	4

10. Касательные напряжения в поперечном сечении вала изменяются по симметричному циклу. Чему равнои, если амплитуда напряжений= 60 МПа.

	1	2	3	4
	-60 МПа	30 МПа	60 МПа	-30 МПа
	0	30 МПа	0	-30 МПа

11*. Плохое состояние поверхности детали (царапины, трещины)

1	2	3	4
влияет на усталостную прочность	не влияет на выносливость детали	уменьшает усталостную прочность детали.	увеличивает выносливость детали.

12. Дополнительная химико-термическая обработка стальной детали позволяет повысить

1	2	3	4
мощность	прочность	теплостойкость	жесткость

13. Материалы для изготовления ответственных деталей выбирают в соответствии с

1	2	3	4
ремонто­пригодностью	экологич­ностью	величиной нагрузки	критериями работоспособности

14. Гайка, болт, шайба – это

1	2	3	4
детали	узлы	механизмы	элементы детали

15. Колесо, напрессованное на вал, подшипник качения – это

1	2	3	4
детали	узлы	механизмы	сборочные единицы

16. Редуктор – это

1	2	3	4
деталь	технологическая машина	механизм, понижающий частоту вращения	вариатор

1 В дальнейшем .

2 Осевой момент сопротивления круглого сечения диаметром . (1.17)

3 Полярный момент сопротивления круглого сечения диаметром W==0,2d³ . (1.19)

4Редуктором называют передаточный механизм, уменьшающий частоту вращения выходного вала (при этом вращающий момент на выходном валу редуктора увеличивается).