Основы конструирования (стр. 6 из 20)
Здесь следует отметить : снижение массы изделий не является (и безусловноне должно быть) самоцелью. Снижение массы должно обеспечиваться без ущербапрочности, жесткости и надежности (долговечности) объекта.
Поэтому , учитывая ещё идостаточно малую долю стоимости материалов в общей стоимости объекта , в общеммашиностроении нашей страны сохраняется тенденция (порой неоправданно): лучшеиметь несколько более тяжелую машину, но надёжную и долговечную.
Сравнительные качестваобъектов одного назначения оценивают показателем удельная масса, равным
Этот показатель учитываетстепень конструктивного совершенства объекта , а также – применение лёгкихсплавов и неметаллических (К) материалов.
Например , качествоконструкции металлорежущих станков оценивают показателем g = G / Nд ,где G – масса, кг ; Nд – номинальная мощность приводного двигателя.
П. И. Орлов утверждает, что вэтом случае, этот показатель “невыразительный”, т.к. не учитывает степеньиспользования Nд, а также производительности станка.
Понятие материалоемкостьотличается от понятия масса – они неравнозначны.
Материалоёмкость лучше всеговыражать объемом элементов, составляющих бьем.
Тогда удельнаяматериалоемкость – показатель качества конструкции :
, где 
– суммарные массы элементов,изготовленных из материалов с плотностью 
. 
–коэффициент использования объема.Снижение массы иматериалоёмкости объекта обеспечивается рациональной конструкцией элементовобъекта, которая основана на следующих принципах, –
— рациональная форма сечения длякаждого вида нагрузки – принцип равного напряжения сечения ;
— уменьшение концентрации нагрузки :обеспечение равномерного распределения напряжений в поперечных сечениях – принциправнопрочности ;
— обеспечение рационального балансажесткости – принцип относительной жесткости (т.к. равнопрочные деталипри прочих равных условиях имеют меньшую жесткость) ;
— устранение СНС : 2–3 виданагружения ; поперечный изгиб ® чистый изгиб ® кручение ® срез ® растяжение (сжатие) – принципрационального нагружения. (Силовая схема) . А. Н. Т. : “Силунадо “ловить” там где она возникает”
— уменьшение неравномерностинапряжений путём удаления материала из малонапряженных участков – принципобсечения (снижаются инерционные нагрузки) ;
— применение рациональныхконструктивных схем : минимальное число звеньев, компактность, многопоточныесхемы ;
— уточнение расчетных напряжений(повышение за счет, например, экспериментального измерения и натуральныхиспытаний) ;
— выбор соответствующего материала(замена металлов ПКМ) , применение технологических методов упрочненияматериалов.
Выгодность материалов помассе можно оценить с помощью удельных показателей ,например, Lp = dв / g (для растяжения-сжатия), которая наглядно интерпретируется, т.н.“разрывной длиной” – длина свободно подвешенного стержня (км) , при которойматериал разрушится от действия массовых сил.
А=s
Следуетотметить, что выбор материала определяется не только его массово-прочностнымихарактеристиками , но и другими немаловажными факторами, —
– назначением и условиями работыдетали ;
– физико-механическими,технологическими и эксплуатационными свойствами материала ;
– стоимостью (!) .
Вывод : наибольшейуниверсальностью обладают стали, свойства которых определяются в широкихпределах легированием, термической, химико-термической и термомеханическойобработкой.
Стали ещё долго будутосновным материалом для изготовления нагруженных деталей.
Почти такими же свойствамиобладают титановые сплавы (кроме обрабатываемости).
ПКМ выйдут на первое местотолько в случае обеспечения их стоимости на уровне металлических материалов(хотя бы титанов).
| Стали (констр) | Al – сплавы | Ti – сплавы |
| 0,33...0.63 руб/кг | 0,45...1,0 руб/кг | 1,0...5 руб/кг |
| 0,5 руб/кг ¯ 90 | 0,8 руб/кг ¯ 60 | 3 руб/кг ¯ 15 |
СВМ–45руб/кг+Экология
Жесткость конструкций.Конструктивные способы повышения жесткости.
Общее определение :
Жесткость – это способностьсистемы сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями(перемещениями).
Для машиностроения : жесткость– это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок сдеформациями (перемещениями), допустимыми без нарушения работоспособностисистемы.
Таким образом , жесткость определяетработоспособность объекта в такой же мере (иногда большей) , как и прочность. Исоответственно , определяет массу (материалоёмкость) конструкции.
Стремясь облегчитьконструкцию и максимально использовать прочностные свойства материалов ,конструктор повышает уровень напряжений в элементах конструкции, что приводит кувеличению деформаций (e = d / E).
Широкое применениеравнопрочных, наиболее выгодных по массе конструкций , вызывает увеличениедеформаций : такие конструкции имеют малую жесткость.
Вопрос повышения жесткостиособенно актуален в связи с применением высокопрочных материалов, элементы изкоторых резко увеличивают деформативность конструкций.
Определить величинудеформаций расчетными методами можно лишь при простых видах нагружения [растяжение (сжатие), сдвиг (кручение), изгиб ] методами СМ иТУ.
В большинстве случаевприходится иметь дело с элементами конструкций, жесткость которых не поддаётсярасчету : их сечения определяются технологией изготовления (например , литьё ,прокат) или имеют сложную конфигурацию (корпусные детали).
Здесь применяются моделирование, эксперимент (испытания) , опыт и интуиция конструктора.
П. И. Орлов “ОК” отмечает :“... конструкции, разработанные начинающим конструктором, обычно “страдают”недостатком жесткости”.
Жесткость конструкцииопределяют следующие факторы :
— Е (растяжение-сжатие, изгиб) ; G(сдвиг, кручение) ;
— геометрические характеристикисечения (A,J(W),Jk(Wk));
— линейные размеры : длина L ;
— вид нагружения , тип (жесткость)опор.
Факторы, влияющие нажесткость, можно объединить в обобщенном удельном показателе жесткости
Таким образом , этот показатель объединяетхарактеристики прочности и жесткости и характеризует способность материаловвоспринимать высокие нагрузки при наименьших деформациях, и наиболееполно оценивает выгодность материалов по массе.Значения nl для основных конструкционных (металлических)материалов можно представить диаграммой
Мы знаем , что на практике ,выбор материала , определяется не только прочностно-жесткостнымихарактеристиками , но и технологическими и эксплуатационными свойствами.
Поэтому преимущественноезначение в обеспечении прочности и жесткости (при минимальной возможной массе)имеют конструктивные меры (способы).
Конструктивныеспособы повышения жесткости безсущественного увеличения массы —
— устранение изгиба , замена егорастяжением или сжатием ;
— для элементов конструкций ,работающих на изгиб , –рациональная схема опор ; увеличение J(W)
— усиление рёбрами, работающимипредпочтительно на сжатие ;
— усиление опор, затяжка опор(опорных сечений) и участков перехода от одного сечения к другому
— блокирование деформаций(перемещений) введением поперечных и диагональных связей (фермы, рамы,расчалочные конструкции) ;
— привлечение жесткости смежныхдеталей ;
— для деталей коробчатого типа(базовые детали – станины) – применение скорлупных , сводчатых , сферических ит.п. форм ;
—
для деталей типа дисков – применение конических,чашечных, сферических форм ; рациональное оребрение, гофрирование ;