Рациональные сечения

Максимального снижения массы можно до­биться приданием деталям равнопрочности. Идеальный случай, когда напряжения в ка­ждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения одинаковые, возможен только при некоторых видах нагружения, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (растяжение-сжатие, отчасти сдвиг) и когда отсутствуют значимые концентраторы напряжений.

При изгибе, кручении и сложных напря­женных состояниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. Они макси­мальны в крайних точках сечения, а в других могут снижаться до нуля, например, на нейт­ральной оси сечения, подвергаемого изгибу. В этих случаях можно только приблизиться к условию полной равнопрочности выравни­ванием напряжений по сечению, удалением ме­талла из наименее напряженных участков сече­ния и сосредоточением его в наиболее напряженных местах — на периферии сечения.

В качестве примера рассмотрим цилиндри­ческую деталь, подвергаемую изгибу или кру­чению. Напряжения в массивной детали круглого сечения (нормальные напряжения при изгибе и напряжения сдвига при кручении) распреде­ляются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения (на рис. 29, о эпюр напря­жений для случая изгиба условно совмещен с плоскостью чертежа).

Удаление слабонагруженного металла из центра сечения, т е. придание сечению кольце­вой формы, обеспечивает более равномерное распределение напряжений в остающихся участках (рис. 29,6) Чем тоньше стенки коль­ца, т.е. чем больше отношение d/D, тем равно­мернее распределение напряжений. При сохра­нении постоянного наружного диаметра уро­вень напряжений в стенках, естественно, повы­шается. Однако небольшим увеличением на­ружного диаметра легко привести напряжения к прежнему уровню и даже значительно их снизить (рис. 29 в и г). Этот принцип, который можно назвать принципом равного напряжения по се­чению, применим к сечениям любой формы.

Облегчение конструкции

Облегчение проводят для снижения массы детали в стремлении достичь равнопрочности. Облегчают деталь удалением материала из ненагруженных и малонагруженных участков детали.

Билет 8. Вопрос 1.

Правила конструирования механически обрабатываемых деталей.

При конструировании механически обрабатываемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

• сокращать протяженность механически обрабатываемых поверхностей до конструктивно необходимого минимума;

• уменьшать количество металла, снимаемого при обработке;

• предусматривать изготовление деталей наиболее производительными методами обработки без снятия стружки (штамповкой, холодной высадкой, чеканкой и т. д.);

-шире применять профильный и сортовой прокат с сохранением наибольшего числа черных поверхностей;

-предусматривать изготовление деталей из заготовок с формой, воз­можно близкой к форме окончательного изделия;

• облегчать изготовление трудоемких деталей путем применения составных конструкций;

• избегать излишне точной механической обработки. Применять в каж­дом отдельном случае наиболее низкие классы точности, обеспечивающие правильную работу узла и удовлетворяющие условию взаимозаменяемости;

• обеспечивать возможность применения наиболее производительных способов механической обработки (обработка мерным многолезвийным инструментом и т. д.);

• предусматривать возможность обработки напроход, являющейся глав­ным условием повышения производительности, получения высокой точности и малой шероховатости обрабатываемых поверхностей;

-при невозможности обработки напроход обеспечивать выход обра­батывающего инструмента на расстояние, достаточное для получения точных поверхностей;

• обеспечивать удобный подход режущего инструмента к обрабатыва­емым поверхностям;

• предусматривать возможность обработки максимального числа поверх­ностей при одной операции на одном станке, с одного установа, одним и тем же инструментом;

-деталям многократного и массового применения придавать формы, допускающие групповую обработку с применением комбинированного инструмента;

• обеспечивать возможность обработки точных соосных и параллельных отверстий с одного установа, облегчающей получение соосности и точных межцентровых расстояний;

• предусматривать четкое разделение поверхностей, обрабатываемых на различных операциях, различным инструментом и с различной степенью точности;

между обрабатываемыми и ближайшими необрабатываемыми поверх­ностями предусматривать расстояния, обеспечивающие обработку при наибольших возможных по производственным условиям колебаниях разме­ров заготовки;

• избегать совместной обработки деталей в сборе, нарушающей непре-, рывность производственного потока, снижающей взаимозаменяемость и затрудняющей смену деталей в эксплуатации;

• сокращать номенклатуру обрабатывающего инструмента путем уни­фикации размеров и формы обрабатываемых элементов;

• в индивидуальном и мелкосерийном производстве сводить к минимуму применение специального режущего инструмента, по возможности обхо­дясь стандартным инструментом;

' -придавать обрабатываемым поверхностям форму, обеспечивающую равномерную и безударную работу инструмента;

-разгружать цилиндрический многолезвийный инструмент (сверла, раз­вертки, зенкеры и т. д.) от одностороннего давления при обработке;

• придавать обрабатываемым участкам высокую и равномерную жест­кость, обеспечивающую точную обработку и способствующую применению йроизводительных способов обработки;

предусматривать удобные базы для контроля размеров по возможности с применением универсального измерительного инструмента.

Билет 8. Вопрос 2.

Что определяет жесткость конструкции? Назовите критерии жесткости.

Жесткость — это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Для машино­строения можно сформулировать следующее определение: жесткость — это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с дефор­мациями, допустимыми без нарушения работоспособности системы. Понятием, обратным жесткости является упругость, т. е. свойство системы приобретать относительно большие деформации под действием внешних нагрузок.

Жесткость определяет работоспособность конструкции в такой же (а иногда и в большей) мере, как и прочность. Повышенные деформации могут нарушить нормальную работу конструкции задолго до возникновения опасных для прочности напряжений, Нарушая равномерное распределение нагрузки, они вызывают сосредоточение усилий на отдельных участках деталей, в результате чего появляются местные высокие напряжения, иногда значительно превосходящие величину поминальных напряжений.

У машин-орудий жесткость рабочих органов определяет точность размеров обрабатываемых изделий. В металлорежущих станках точность обработки зависит от жесткости станин и рабочих органов; в прокатных станах точность проката — от жесткости клетей и валков.

Жесткость имеет большое значение для машин облегченного класса (транспортные машины, авиационная, ракетная техника). Стремясь облег­чить конструкцию и максимально использовать прочностные ресурсы материалов, конструктор в данном случае повышает уровень напряжения, что сопровождается увеличением деформаций. Широкое применение равно­прочных, наиболее выгодных по массе конструкций, в свою очередь, вызывает увеличение деформаций, так как равнопрочные конструкции наименее жесткие.

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляющим собой отношение силы Р, приложенной к системе, .к максимальной деформации f_s вызываемой этой силой.

Критериями жесткости служат величины: а) углов закручивания; б) максимальных прогибов и прогибов в местах посадки зубчатых колес; в) углов поворота опорных сечений и сечений, совпадающих с серединами зубчатых колес.

Критериями жесткости валов являются условия правильной работы зубчатых передач и подшипников, а также виброустойчивость.

Билет 9. Вопрос 1.

Правила конструирования деталей из пластмасс, КМ, керамики, резины.

Правила для каждого из материалов предельно похожи. Изложим только для пластмасс, но будем подразумевать все материалы.

http://cherch.ru/technologiya_plastmassi_i_izgotovlenie_izdeliy/osnovnie_trebovaniya_k_konstruirovaniiu_detaley_iz_plastmass.html - тут есть картинки.

Правила конструирования пластмассовых деталей, изготовляемых прессованием и литьем под давлением, близки к общим правилам конструирования литых и штампованных деталей. Основное внимание должно быть направлено на упрощение изготовления дорогостоящих пресс-форм, увеличение производительности операций формования, а также на обеспечение равномерности свойств материала во всех частях детали и устранение внутренних напряжений. Следует добиваться получения деталей из формы в готовом виде, не требующих дополнительной механической обработки (за исключением удаления заусенцев).

Проектирование деталей следует начинать с того, что необходимо наметить плоскость разъема, определяющую конфигурацию детали, направление формовочных уклонов, расположение отверстий и размещение арматуры.

Как правило, форма должна иметь только одну плоскость разъема. Разъем по нескольким плоскостям усложняет конструкцию. Особенно нежелательны дополнительные разъемы в направлении, перпендикулярном к направлению основного разъема.

Для облегчения изготовления пресс-формам следует придавать наиболее простые формы (цилиндрические, конические и тому подобные, получаемые точением).

Изготовление фасонных форм сложных очертаний гораздо труднее, требует копирного фрезерования, а иногда и ручной обработки.

Доводку таких форм (полирование формующих поверхностей) выполняют электро- или гидрополированием.

Следует иметь в виду, что позитивные, т. е. выпуклые части формы, образующие внутренние поверхности детали, обрабатывать проше, чем негативные (гнезда матриц), образующие наружные поверхности детали. Поэтому все сложные профильные элементы детали рекомендуется переносить на внутренние поверхности, стараясь придать наружным поверхностям самые простые очертания.

Билет 9. Вопрос 2.

Удельные показатели жесткости. Конструктивные способы повышения жесткости.

При сравнении жесткости, прочности и массы деталей, изготовленных из различных материалов, следует различать четыре основных случая.

1. Детали одинаковы по конфигурации (при равной нагрузке имеют одинаковые напряжения).

2. Детали равножестки (имеют одинаковые деформации при различных сечениях и напряжениях).

3. Детали равнопрочны (имеют одинаковый запас прочности, различные сечения и напряжения, пропорциональные пределу прочности материала).

4. Детали имеют одинаковую массу.

 

Первый случай (замена материала детали другим без изменения ее геометрических размеров) практически встречается, когда сечения детали заданы технологическим процессом (например, литые корпусные детали). Это также случай нерасчетных деталей с неопределенными напряжениями. Второй и третий случай имеют место при- замене материала детали другим с одновременным изменением ее сечений (расчетные детали, в которых напряжения и деформации определяются достаточно точно и назначаются с расчетом максимального использования прочности и жесткости материала). Четвертый случай - это случай, когда масса конструкции задана ее функциональным назначением и условиями эксплуатации.

При сравнении прочностных, массовых и жесткостных показателей деталей, изготовленных из различных материалов, будем предполагать, что длина деталей одинакова, а сечения в последних трех случаях изменяются геометрически подобно.

Главные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы:

• всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием;

• для деталей, работающих на изгиб,- целесообразная расстановка опор, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения;

• рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений;

• рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;

• усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому;

• блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей;

• привлечение жесткости смежных деталей;

• для деталей коробчатого типа - применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм;

• для деталей типа дисков - применение конических, чашечных, сферических форм;

Билет 10. Вопрос 1.

Отличия этапа конструирования от этапа проектирования.

Проектирование необходимо отличать от конструирования. Для проектировочной деятельности исходным является социальный заказ, т.е. потребность в создании определенных объектов, вызванная либо "разрывами" в практике их изготовления, либо конкуренцией, либо потребностями развивающейся социальной практики (например, необходимостью упорядочения движения транспорта в связи с ростом городов) и т.п.

Продукт проектировочной деятельности в отличие от конструкторской выражается в особой знаковой форме - в виде текстов, чертежей, графиков, расчетов, моделей в памяти ЭВМ и т.д. Результат конструкторской деятельности должен быть обязательно материализован в виде опытного образца, с помощью которого уточняются расчеты, приводимые в проекте, и конструктивно-технические характеристики проектируемой технической системы.

Билет 10. Вопрос 2.

Сопротивление усталости и контактная прочность.

Детали, подвергающиеся длительной повторно-переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении. Это имеет большое значение для современных быстроходных машин, детали которых работают в условиях циклических нагрузок при общем числе циклов, достигающем за весь период службы машины многих миллионов. Как показывает статистика, около 80% поломок и аварий, происходящих при эксплуатации машин, вызвано усталостными явлениями. Поэтому проблема сопротивления усталости является ключевой для повышения надежности машин.

Число циклов нагрузок, которые материал выдерживает до разрушения, зависит от максимального напряжения и интервала между крайними значениями напряжений цикла. По мере уменьшения напряжений число циклов до разрушения увеличивается и при некотором достаточно малом напряжении становится неограниченно большим. Это напряжение, называемое пределом выносливости, кладут в основу прочностного расчета деталей, подверженных циклическим нагрузкам.

Предел выносливости определяют построением кривых усталости. На оси абсцисс откладывают число N циклов, на оси ординат - найденные испытанием стандартных образцов максимальные напряжения о цикла, вызывающие разрушение за время, соответствующее данному числу циклов. Разрушающее напряжение в области малых N близко к показателям статической прочности. По мере увеличения числа циклов эта величина снижается и при некотором числе циклов стабилизируется. Ордината горизонтального участка кривой усталости является пределом выносливости.

При контактном нагружении сила действует на малом участке поверхности, вследствие чего в поверхностном слое металла возникают высокие местные (локальные) напряжения. Этот вид нагружения встречается при соприкосновении сферических и цилиндрических тел с плоскими, сферическими или цилиндрическими поверхностями.

При теоретическом решении задачи о напряженном состоянии в зоне контакта упругих тел предполагают, что нагрузка статическая, материалы тел изотропны, площадка контакта мала по сравнению с поверхностями и действующие силы направлены нормально к этой плошадке.

Долговечность циклически нагруженных соединений определяется сопротивлением усталости материала. Кривые сопротивления усталости при контактном нагружении в общем близки к кривым усталости для случаев одноосного напряженного состояния (растяжения, сжатия) с тем различием, что численные значения разрушающих напряжений гораздо выше и кривые не имеют отчетливо выраженного горизонтального участка предела выносливости.

Билет 11. Вопрос 1.

Назовите исходные данные для проектирования и конструирования.

Исходными материалами для проектирования могут быть сле­дующие:

• техническое задание, выдаваемое планирующей организацией или заказчиком, и определяющие параметры машин, область и условия ее применения;

• техническое предложение, выдвигаемое в инициативном порядке про­ектной организацией или группой конструкторов;

• научно-исследовательская работа или созданный на ее основе экспе­риментальный образец;

• изобретательское предложение или созданный на его основе экспе­риментальный образец;

• образец зарубежной машины, подлежащий копированию или воспроиз­ведению с переделками.

Первый случай наиболее общий; на нем удобнее веего проследить процесс проектирования. К техническим заданиям необходимо подходить критически. Конструктор должен хорошо знать отрасль промышленности, для которой проектируют машину, он обязан проверить задание и в нужных случаях обоснованно доказать необходимость его корректи­рования.

Билет 11. Вопрос 2.

В чем состоят типовые решения для крепления осей.

С задачей крепления осей, пальцев, штоков, скалок и тому подобных цилиндрических деталей очень часто встречаются в машиностроении. В зависимости от функционального назначения детали требуется или закрепить деталь в осевом направлении, или застопорить ее от врашения, или то и другое вместе. Ниже дан обзор наиболее употребительных способов крепления. Предполагается, что ось установлена в двух опорах.

Примитивные способы осевой фиксации при помощи шплинтов и шайб, установленных по обе стороны оси. Такой способ крепления ненадежный; шплинты могут быть срезаны под действием осевых нагрузок. Для компенсации производственных неточностей и температурных перемещений системы между шайбами и корпусом должен быть предусмотрен зазор. Более надежное крепление шайбами ШЕЗ (замковыми шайбами Егорова). Такая шайба представляет собой вырубленную из листовой мягкой стали фигурную шайбу, заводимую в выточку на конце оси. Шайба фиксируется в выточке загибом на ось петлеобразной части шайбы. Способы фиксации осей от продольного перемещения при помощи зегеров'. В конструкции зегеры устанавливают на концах оси, с промежуточными утопленными в корпус шайбами. В конструкции, зегер устанавливают с одной стороны оси; другая сторона держится заплечиком оси; в конструкции применены внутренние зегеры. Фиксация зегером, заведенным в глубокую канавку на оси. При установке оси зегер заскакивает в кольцевую канавку в корпусе и фиксирует ось.- В конструкциях ось фиксируется с внутренней стороны зегерами радиальной сборки.

Билет 12. Вопрос 1.

Что такое компонование. Приведите процедуры компонования.

Компонование обычно состоит из двух этапов: эскизного и рабо­чего, В эскизной компоновке разрабатывают основную схему и общую конструкцию агрегата. На основании ана­лиза эскизной компоновки составляют рабочую компоновку, уточняющую конструкцию агрегата и служащую исходным материалом для дальнейшего проектирования.

При компоновании важно уметь выделить главное из второстепен­ного и установить правильную последовательность разработки конструк­ции, Попытка скомпоновать одновременно все элементы конструкции является ошибкой.

Методика компонования (основные закономерности, присущие любому процессу компонования):

• последовательность разработки, выяснение на первых этапах только основных элементов конструкции и игнорирование подробностей;

• рассмотрение в процессе проектирования не­скольких вариантов и выбор наилучшего из них на основе сопоставления конструктивной, технологической и эксплуатационной целесо­образности;

• параллельные с проектированием ориенти­ровочные расчеты на прочность, жесткость, долговечность;

• предусмотрение с первых же шагов компо­нования резервов развития агрегата и выясне­ние пределов его форсирования;

• придание технологичности разрабатываемой конструкции, последовательное проведение унификации и стандартизации;

• разработка схемы сборки-разборки;

• тщательный просмотр всех элементов кон­струкции на эксплуатационную надежность.

Билет 12. Вопрос 2.

Какие тепловые воздействия и взаимодействия в конструкции проявляются, в чем их суть? Как они влияют на прочность конструкции?

Повышенные температуры наблюдаются не только в тепловых машинах, у которых нагрев является следствием рабочих процессов. В «холодных» машинах нагреваются механизмы, работающие при высоких скоростях и больших нагрузках (зубчатые передачи, подшипники, кулачковые механизмы). Детали, подверженные циклическим нагруз­кам, греются в результате упругого гистерезиса при многократно повтор­ных циклах нагружепия-разгружения, Повышение температуры сопровож­дается изменением линейных размеров детален и может вызвать высокие напряжения.

В узлах, состоящих из деталей, имеющих различную рабочую температуру или изготовленных из материалов с разными коэффициентами линейного расширения, тепловые деформации могут существенно влиять на взаимное расположение деталей. Осевые зазоры. При нагреве в соединениях возникают термические зазоры или натяги, которые необходимо учитывать при назначении сборочных (холодных) зазоров. В соединениях трубопроводов, несущих горячие жидкости или газы, необходимо предусматривать компенсаторы тепловых расширений, предотвращающие возникновение термических сил и деформацию трубопроводов.

Способы снижения тепловых напряжений, вызываемых торможением формы, заключаются прежде всего в устранении первопричины - неравномерности температурного поля по сечению детали. Иногда этого удается достичь рациональным охлаждением детали. Так, для роторов турбин целесообразно вводить охлаждение их периферийной части. Охлаждение центральной части ротора нерационально, так как понижение температуры может вызвать на рабочих режимах увеличение растягивающих напряжений в ступице.

Если перепад температур неустраним по функциональному назначению детали (трубы теплообменных аппаратов), то выгодно применять материалы с благоприятным сочетанием прочности, Теплопроводности и теплового расширения. Например, трубы из металлов с нулевым коэффициентом линейного расширения совершенно не подвержены термическим напряжениям. Термические напряжения можно снизить введением тепловых буферов, т. е. увеличением податливости участков детали с температурой, отличающейся от температуры смежных участков.

Билет 13. Вопрос 1.

Компактность

Одним из признаков рациональной конструкции являемся компактность. Целесообразное использование объема уменьшает размеры, массу и металлоемкость.

Примером рационального размещения деталей с целью уменьшения объема и габаритных размеров может служить двухступенчатый редуктор. Исходную конструкцию (а), выполненную по обычной трехвальной схеме, можно сделать более компактной и легкой, если конечное зубчатое колесо 4 перебора установить соосно с начальным колесом I (б, «двухвальная схема»).

Дальнейшее снижение размеров и массы можно осуществить уменьшением диаметра зубчатых колес (в). Повышение окружных сил можно компенсировать увеличением длины зуба, переходом па косой или шевронный зуб, изготовлением колес из более прочных и твердых материалов и применением рациональной смазки.

С ледует всемерно использовать габариты для размещения наибольшего возможного числа рабочих элементов. Этот принцип, который можно назвать принципом плотной упаковки, позволяет добиться значительного выигрыша в габаритных размерах и массе или в тех же размерах увеличить несущую способность конструкции.

Уменьшения осевых размеров можно иногда достичь разноской конструкции в радиальном направлении. В узле торцового уплотнения (1), втулка m которого прижимается пружиной к уплотняющему диску n, расположение пружины снаружи втулки (конструкция 2) делает узел более компактным без нарушения параметров, определяющих его работоспособность.

Можно функции двух деталей переложить на одну, получите компактность

Билет 13. Вопрос 2.

Правила конструирования фиксаторов

Фиксаторы применяют для стопорения детали, движущейся относительно другой детали в прямолинейных направляющих или вращающейся относительно последней на оси.

Фиксация может быть бесступенчатой — с остановкой подвижной детали в любом положении, или ступенчатой — с остановкой через заданные интервалы.

Фиксация может быть упругой или жесткой. В первом случае фиксатор удерживает деталь с определенной силой (обычно небольшой). Для перевода детали из одного положения в другое требуется преодоление этой силы. Во втором случае фиксатор вводится в гнезда, расположенные на неподвижной детали, и держит подвижную деталь жестко. Для перевода детали из одною положения в другое нужно предварительно вывести фиксатор из гнезда.

• шариковый фиксатор обладает рядом недостатков. Во избежание заклинивания шарик должен быть погружен в отверстие настолько, чтобы при крайнем положении его центр не доходил до кромок отверстия на расстояние, что ограничивает глубину фиксирующего гнезда. Центрирование пружины на шарике нежесткое. Трудно зафиксировать шарик от выпадения из отверстия при разборке соединения.

• гнездо сферическое. Эта схема нерациональна во многих отношениях. Во-первых, изготовление сферическою гнезда затруднительно, во-вторых, сила фиксации неопределенна: она зависит от того, в какой точке сферы происходит касание фиксатора и гнезда, т. е. зависит от точности изготовления охватывающей и охватываемой сфер

• с гнездом, имеющим диаметр, больший диаметра сферы фиксатора, фиксация положения детали нежесткая. Лучше конструкции с коническим гнездом. Изменяя угол конуса, можно регулировать силу фиксации, т. е. силу с которой фиксатор держит деталь при полном погружении сферы в гнездо. При уменьшении угла конуса до определенного значения соединение приобретает способность самоторможения; фиксация становится жесткой.

Конические фиксаторы обеспечивают более точную фиксацию, чем сферические и цилиндрические.

• Выпадение шарика можно предупредить подвальцовкой кромок отверстия в детали или промежуточном корпусе

• Разумно делать агрегатированные фиксаторы

• Для жёсткой фиксации можно использовать цилиндрические фиксаторы, для них обязательны конус-искатель на цилиндре и заходная фаска в гнезде. Т.к. конструкция жесткая должны быть предусмотрены средства извлечения фиксатора из гнезда

• Клиновый фиксатор, входящий в треугольную прорезь детали, должен быть застрахован от проворачивания в отверстии. В конструкции фиксатор удерживается от поворота лысками на хвостовике, пропущенном через фигурное отверстие в корпусе.

фиксация втулок на валах.

• В случае жесткой фиксации должны быть предусмотрены отверстия для утопления фиксаторов при разборке соединения.

• Концентричные цилиндрические детали часто фиксируют в осевом направлении относительно друг друга разными пружинными кольцами. Кольцо устанавливается в выточку наружной детали и при введении одной детали в другую заскакивает в кольцевую выточку вала. Возможна и обратная схема.

• Фиксация кольцами круглого сечения — упругая. При необходимости жесткой фиксации применяют кольца прямоугольного сечения

Билет 16