Конспект лекций по ДМ
.pdfНМетАУ
Кафедра прикладной механики
Краткий конспект лекций по курсу «Детали машин»
Доц. Мартыненко В.А.
Днепропетровск
2014
Критерии работоспособности
Какие критерии работоспособности. Назовите каждый критерий и раскройте его сущность.
Что такое машина? Это устройство, выполняющее механические движения с целью преобразования энергии, материалов или информации. Машина состоит из деталей. Деталь – элементарная часть машин, изготовленная без сборки или элемента машины, которая представляет одно целое и не может быть без разрушения разобрана на более простые элементы. В машине выделяют узлы или сборочные единицы, т.е. соединение группы деталей. В разных машинах есть детали общего назначения, т.е. такие детали, которые выполняют одинаковые функции, несмотря на различие машин. Например, валы, оси, зубчатые колеса, шкивы, пружины и т.д. Находясь в разных машинах и механизмах – станок, ж.д. вагон, часы, они выполняют одинаковую функцию.
Таким образом, задача дисциплины «Детали машин» изучение методов, правил и норм проектирования таких деталей в машинах. Т.е. доведение до практики теоретических расчетов по теоретической механике, ТММ и сопромату. Чтобы оценить пригодность деталей машин к работе, их оценивают по критериям (признакам, на основании которых производится оценка пригодности детали) работоспособности.
Критерии работоспособности:
1.Прочность – способность детали выдерживать приложенные нагрузки без разрушения и недопустимых деформаций. Прочность зависит не только от детали, но от вида прилагаемой нагрузки. Например, деталь может выдержать нагрузку, постоянно приложенную и разрушиться при циклической (знакопеременной) нагрузке при значительно меньших значениях, чем при постоянной нагрузке.
2.Жесткость – способность детали сопротивляться при нагрузке
изменению формы. Т.е. нагрузка на единицу деформации Н . Часто
1мм
пользуются критерием податливости величине, обратной жесткости. Т.е.
величина деформации на единицу нагрузки lмм .
1Н
3.Износостойкость – способность детали сопротивляться износу, т.е. процессу постоянного изменения размеров детали по ее поверхности вследствие трения. Для уменьшения трения используют смазку и защиту от загрязнения.
4.Теплостойкость – способность детали не менять своих свойств при
нагреве. При нагреве обычно снижаются механические характеристики (σв, HR, σТ), что ведет к увеличению износа.
5.Виброустойчивость – способность детали выдерживать знакопеременные нагрузки. Как правило, это ведет к трещинам и усталостному разрушению.
2
Основные материалы для изготовления машин
Все материалы для изготовления деталей и машин можно представить в виде следующих групп:
1.Черные металлы (чугуны и стали) имеют наибольшее распространение из-за высокой прочности и жесткости и сравнительно невысокой стоимости.
Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием С до 2%.
Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием С свыше 2% до 4%.
2.Цветные металлы (медь, цинк, свинец, олово, алюминий и др.). Их применяют в виде сплавов (бронза – медь+ все кроемее цинка; латунь – медь+цинк; баббиты – олово+свинец и др.).
3.Пластмассы – высокомолекулярные соединения. Достоинства – легкость, прочность, стойкость против агрессивных сред. Обычно пластмасса подбирается в соответствии с особыми требованиями.
4.Неметаллические материалы (дерево, резина, кожа, войлок), когда к деталям предъявляются особые требования (уплотнение, виброустойчисвость и т.д.).
Механические характеристики материалов, их сущность
Чем характеризуется прочность – допускаемыми внутренними напряжениями.
Напряжение механическое – это внутренние силы, возникающие в деформируемом теле под действием внешнего воздействия.
Рисунок 1
Напряжения могут быть в зависимости от направления приложенной силы нормальные и касательные (сдвиг, срез, кручение).
Нормальные напряжения σ МПа.
Рисунок 2
3
Нормальные напряжения, когда сила F, приложенная к телу действует перпендикулярно к сечению, которое воспринимает эту силу.
|
σ = |
F |
; σ = E × ε , |
|
|
||
|
|
b × l |
|
где Е – модуль Юнга (1 рода), для сталей Е = (2,1…2,5) ·105 МПа |
|||
ε – |
относительное удлинение ε = l , l – длина образца. |
||
|
l |
||
τ – |
касательные напряжения (кручение, срез), МПа. |
||
Приложенные выше силы F действуют по касательной к сечению тела, которое воспринимает эту силу.
Рисунок 3 |
|
|
|
|
||
τ = |
F |
; |
τ = G × γ , где G – модуль упругости 2-го рода, МПа, |
|||
|
||||||
|
h × l |
|
|
l |
|
|
|
|
|
γ – |
относительный сдвиг. |
= tgγ » γ . |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
h |
|
Соотношение между модулями 1 и 2 рода (Е и G) |
||||||
E = 2(1 + μ )G , где µ – |
коэффициент поперечной деформации. |
|||||
(коэффициент Пуассона μ = поперечноеотносительноесжатие ) продольноеотносительноерастяжение
Приблизительно можно считать, что µ = 0,25, хотя для каждого материала он разный (от 0,24-0,34) G » 0.4E .
4
Механические характеристики материала.
Рассмотрим на примере наиболее ходового материала стали
Рисунок 4 |
Рисунок 5 |
σÒ – предел текучести – |
напряжение, при котором в материале появляется |
заметное удлинение без увеличения нагрузки (обычно доля процента); σв – временное сопротивление или предел прочности, напряжение
соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Перед разрушением образуется на образце шейка; δ – относительное удлинение, %. Измеряется на плоских образцах. Образец
рвется, затем складывается и определяется его удлинение по сравнению с первоначальной длиной.
Жесткость – способность детали сопротивляться деформированию. Величина, обратная жесткости, податливость.
Жесткость |
F |
. Податливость |
единицадеформации |
. |
|
|
|||
|
наединицудеформации |
|
F |
|
Жесткость и податливость в силе МПа. Только в случае жесткости на единицу деформации, а податливость в силе, которую надо приложить, чтобы деформация достигла единицы.
Соотношения между σТ и σв разные. Ориентировочно можно считать
σТ = 0,6 ×σ в .
Твердость – свойство материала сопротивляться местной пластической деформации при внедрении в него более твердого тела.
Твердость по Бринеллю
5
Рисунок 6
НВ = |
F |
= |
кгс |
; |
||
площадьотпечатка |
мм |
2 |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
σ в ≈ 0,35НВ (Анурьев, 1 т)
для среднеуглеродистых сталей, измеряют дл 400НВ.
Твердость по Роквеллу
Рисунок 7
По глубине внедрения h определяют твердость. Существуют 3 шкалы А, С, В. Самая распространенная шкала С.
20HRC – 67HRC.
Строение металла.
Все металлы и металлические сплавы в твердом состоянии являются телами кристаллическими, т.е. атомы и молекулы образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Например,
объемно-центрированный куб или гранецентрированная кубическая решетка. Из-за разного числа атомов в каждой кристаллической плоскости свойства кристалла в разных направлениях различны (анизотропны).
Рисунок 8
6
Но металл в реальных условиях – тело поликристаллическое, т.е. состоит из множества кристаллов (зерен). Кристаллические плоскости направлены
хаотично и свойства металла во всех направлениях одинаковы. Т.е. металл квази-
зерно изотропен. Приставка «квази» означает как-бы.
Рисунок 9
Соотношения различных единиц измерения.
Сила F измеряется в кгс или в Н – ньютонах, 1кгс=10Н.
Напряжения σ, τ – кгс и в МПа; МПа – мегапаскали.
мм2
1Па = |
Н |
; |
МПа = 106 Па. 1 |
кгс |
≈ 10МПа . |
||
|
|
2 |
|||||
|
м |
2 |
|
|
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Обозначение (маркировка) чугунов.
Отливки серого чугуна Сч: Сч12, Сч15, Сч18 и т.д. Цифра – предел прочности при растяжении кгс/мм2.
Высокопрочные чугуны: ВЧ38, ВЧ42, ВЧ45 и т.д. Ковкие чугуны: КЧ30, КЧ60: цифра – σв в кгс/мм2.
Отличие марок чугунов по структуре, т.е. в каком виде углерод входит в раствор Fe-C.
Обозначение сталей.
Сталь углеродистая качество обыкновенное: Ст1, Ст2, Ст3, Ст5, Ст6. Эти марки гарантируют механические свойства. Цифры говорят о возрастании σв и σТ. Например, Ст2 – σ в= 340 МПа; Ст3 – σв = 380 МПа, Ст5 σв = 500 МПа, Ст6 –
σв = 600 МПа.
Сталь углеродистая качественная с гарантированными механическими свойствами и химсоставом: сталь08, сталь20, сталь35 и т.д. Обозначение – сталь пишется полностью, а цифра обозначает количество углерода в сотых долях процента. Все механические свойства сталей можно изменить термообработкой:
отжиг и нормализация (нагрев до закалочных температур и охлаждение); медленное – это отжиг, охлаждение на воздухе – нормализация;
улучшение (закалка и высокий до 600º отпуск) – снижает твердость до 200…300 НВ и делает возможным механическую обработку;
закалка – нагрев до температуры структурно-фазовых превращений и быстрое охлаждение. Повышает твердость, но возможны трещины.
7
Соединения
Все соединения можно классифицировать как разъемные и неразъемные, подвижные и неподвижные.
Заклепочные соединения. Это неподвижное, неразъемное соединение. Применяют, в основном, для соединения листов и фасонных прокатных профилей. Соединение производят с помощью заклепок. Заклепка – это стержень с головками на концах – закладной и замыкающей. Суть: в отверстия соединяемых деталей (листов, проката) вставляется стержень (заклепка). Проскочить насквозь через отверстие соединяемых деталей он не может – мешает закладная головка. Длина стержня должна быть больше суммарной
2
толщины скрепляемых деталей. Длина стержня L = d + do × S , где d – диаметр d 2
заклепки; d0 – диаметр отверстий в деталях под заклепки, d0 = d + 1; S – толщина пакета. Из выступающей из пакета части стержня (1,4…1,7)d раскалывается (выпрессовывается) замыкающая головка заклепки. Стержень при этом деформируется, заполняя зазор между d и d0, и благодаря головкам (закладной и замыкающей) стягивает детали (листы, фасонный прокат), прижимая их друг к другу. Разнять детали можно лишь срезав одну из головок. Соединение неразъемное. Заклепочные соединения применяют:
1.Соединения, в которых нагрев (сварка) недопустим (пилы Геллера).
2.Для соединения несвариваемых материалов.
3.Соединения в самолетах (2,5 миллиона заклепок).
4.Цистерны, котлы высокого давления.
5.Автомобили и кораблестроение.
Достоинства: стабильность и контролируемость качества.
Недостатки: повышенный расход металла, высокая стоимость и ослабление детали из-за отверстий под заклепки.
По назначению: швы заклепочные прочные (металлоконструкции), прочноплотные (котлы и резервуары с высоким давлением) и плотные (резервуары с небольшим давлением).
По конструкции заклепочные соединения различают:
-в нахлестку
-в стык
-однорядные и многорядные
-односрезные и многосрезные. Нагрузки на заклепку.
Т.к. заклепками соединяются в основном листы или фасонный прокат и
силы, действующие на стержень заклепки, направлены на сдвиг листов (фасонного проката), то стержень заклепки будет «срезаться» соединяемыми листами, т.е. к стержню будет приложена касательная нагрузка (напряжение)
8
Рисунок 10
τ ср = |
F |
|
, |
где F – сила, сдвигающая листы (в расчете на одну |
πd 2 |
×i |
|||
|
4 |
|
|
|
заклепку; допущение, |
что все заклепки нагружены равномерно); d – диаметр |
|||
стержня заклепки; i – число срезов.
Это напряжение τ должно быть меньше или равно условно допустимому напряжению на срез [τ]ср. Кроме этого та же нагрузка F может со стороны соединяемых листов вызвать смятие как стержня заклепки, так и стенок соединяемых листов. Смятие – это сжатие контактируемых поверхностей в результате нормального давления. Заклепки на смятие рассчитывают так:
σ см |
= |
F |
|
, где S – наименьшая толщина стенки соединяемых деталей. |
d × |
|
|||
|
|
S |
||
Напряжение смятия σсм не должно быть больше допустимого значения [σ]см (σсм ≤ [σ]см). допустимые значения касательного [τ] и нормального напряжений определяются пределом текучести. Обычно [σ]см и [τ]ср≈0,6 соответствующих напряжений текучести (σТ и τТ). Иногда сила F приложена не вдоль листа, а под каким-то углом к поверхности соединяемых деталей. Тогда по составляющей силы F, направленной вдоль по оси заклепки, следует сделать расчет на отрыв
головки F £ [σ |
р |
]πd 2 |
, где F |
0 |
– |
сила, отрывающая головку заклепки; [σ ] – |
0 |
4 |
|
|
р |
||
|
|
|
|
|
|
допускаемое напряжение на отрыв головок ≈ 90 МПа для стальных заклепок; d
– диаметр стержня заклепки.
Технология заклепочного соединения.
Материал заклепок должен быть однородным с материалом соединяемых деталей, чтобы избежать электрокоррозии. Для стальных деталей заклепки Ст2, Ст3, 09Г2. Для легких сплавов – В65, Д15. Стальные заклепки из Ст2, Ст3, 09Г2 при диаметре стержня 908 мм клепают в холодном состоянии, выше – в горячем состоянии. Преимущество последнего – дополнительное сжатие при остывании заклепки.
Сварные соединения.
Эти соединения относятся к неразъемным, неподвижным соединениям. Сварные соединения – наиболее рациональный и распространенный вид неразъемных соединений. Два принципиально разных способа сварки – плавлением, когда образование межатомных связей между соединениями обеспечивается доведением их до расплавленного состояния, и контактная
9
сварка, когда соединяемые детали нагревают до тестообразного состояния и сдавливаются.
Стыковые соединения.
Рисунок 11
В зависимости от толщины свариваемых листов стыковая сварка может быть с предварительной разделкой соединяемых листов, с подваркой с противоположной стороны.
Нахлесточное соединение с помощью угловых швов.
Рисунок 12
Рисунок 13
Рисунок 14
10