Расчета деталей машин

Работоспособность - это состояние детали, в котором она может выполнять заданные функции в пределах технических требований. Работоспособность деталей оценивают по критериям: прочности, износостойкости, жесткости, теплостойкости, виброустойчивости.

Значение того или иного критерия для данной детали определяют по условиям работы.

При конструировании деталей их работоспособность обеспечивают обычно выбором материала и расчетом размеров изделия по основным критериям работоспособности.

Прочность – способность детали сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы (деформации). Прочность является главным критерием работоспособности для большинства деталей.

Различают статические и усталостные поломки деталей. Статические поломки происходят тогда, когда величина рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала . Это связано обычно со случайными перегрузками, не учтенными при расчетах, или со скрытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т.п.). Усталостные поломки вызываются длительным действием переменных напряжений, величина которых превышает характеристики усталостной прочности материала (например, ).

Усталостная прочность деталей значительно понижается при наличии концентраторов напряжений (галтели, канавки, резьбы и т.п. или царапины, трещины и пр.).

В курсе деталей машин общие законы расчетов на прочность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов, где большое внимание уделяют выбору расчетных схем и величин допускаемых напряжений (запасов прочности). Неправильное назначение запаса прочности может привести к разрушению детали или к завышению веса конструкции и к перерасходу материала.

Кроме обычных видов разрушения (поломок) деталей, в практике наблюдаются случаи разрушения их поверхности - контактные разрушения.

Контактные напряжения возникают в месте соприкасания двух деталей в тех случаях, когда размеры площадки касания малы по сравнению с размерами деталей (сжатии двух шаров, двух цилиндров и др.).

При расчете величины контактных напряжений различают два случая (рис. 1.1.2.):

а) первоначальный контакт в точке (два шара и др.);

б) первоначальный контакт по линии (два цилиндра с параллельными осями и др.).

- формула Герца, справедлива для любых цилиндров.

Для стали и других материалов с коэффициентом Пуассона :

где - удельная нагрузка,

- приведенный модуль упругости,

- приведенный радиус кривизны,

- модули упругости и радиусы цилиндров.

Рис. 1.1.2.

Максимальные касательные напряжения действуют в точках, расположенных в плоскости YZ на расстоянии 0,8 , от поверхности контакта, где - половина ширины площадки контакта:

Кроме того, при скольжении контактная поверхность дополнительно нагружается касательными силами трения. Например, при коэффициенте трения :

В этом случае касательные напряжения приближаются к поверхности контакта.

Переменные контактные напряжения вызывают усталость поверхностных слоев деталей. На поверхности образуются микротрещины с последующим выкрашиванием частиц металла. Выкрашивания не наблюдается, если величина контактных напряжений не превышает допускаемой. Кривые выносливости материала по контактным напряжениям подобны кривым выносливости по напряжениям изгиба, растяжения - сжатия и другим (см. курс “Сопротивление материалов”).

Износостойкость – способность сохранять первоначальную форму своей поверхности, сопротивляясь износу. Износ - процесс постепенного уменьшения размеров деталей в результате трения. При этом может меняться и форма деталей. Различают несколько видов изнашивания деталей: износ абразивный, при заедании, при коррозии и др. Основное значение имеет абразивный износ. Он выводит из строя большое число деталей машин, что увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения периодических ремонтов и замены деталей. Для повышения износостойкости деталей широко используют смазку трущихся поверхностей и т.п. При расчетах деталей, подверженных износу, уменьшают величину допускаемых давлений. В некоторых случаях это уменьшение весьма значительно.

Жесткость - способность деталей машин сопротивляться изменению их формы под действием нагрузок. Наряду с прочностью она является одним из основных критериев расчета. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих деформаций деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов.

Теплостойкость - способность деталей машин сохранять свои свойства при действии высоких температур. Расчеты на теплостойкость деталей машин, находящихся в напряженном состоянии, обычно заключаются в том, что эти детали рассчитывают на прочность по пониженным допускаемым напряжениям с учетом величины температуры их нагрева.

Виброустойчивость - способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний (в режимах достаточно далеких от области резонанса). Виброустойчивость является очень важным критерием работоспособности быстроходных деталей машин. Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и приводят к усталостному разрушению деталей.