Основы проектирования и конструирования (стр. 10 из 53)
1.3.7.4. Пружины и рессоры
Пружины и рессоры выполняют в машинах роль упругих элементов. Воспринимая работу внешних сил, они преобразуют ее в работу упругой деформации материала, из которого они изготовлены.
Пружины выполняют в машинах следующие функции:
Силовой элемент, обеспечивающий действие определенных усилий на заданном участке. Пример: пружина предохранительного клапана.
Амортизатор. Воспринимая мгновенную энергию удара, такая пружина возвращает ее в виде энергии упругих колебаний.
Движитель механизма. Это заводные пружины часов, приборов, игрушечных автомобилей и пр.
Различают следующие основные типы пружин: винтовые, спиральные, тарельчатые, кольцевые. Кроме того, существуют разнообразные пружины специального назначения, например, пружина Бурдона в манометрах.
Винтовые пружины получаются навивкой проволоки на оправку требуемой формы. По виду нагружения различают винтовые пружины растяжения, воспринимающие продольную осевую нагрузку, которая растягивает пружину; пружины сжатия, воспринимающие продольную осевую нагрузку, которая сжимает пружину; пружины кручения, на которые нагрузка передается в виде крутящего момента относительно оси пружины.
По форме винтовые пружины могут быть цилиндрические; фасонные (конические, бочкообразные и др.); специальных форм (например, призматические).
По форме поперечного сечения витка пружины могут быть с витками круглого сечения или прямоугольного сечения.
Материалом для пружин могут служить высокоуглеродистые стали (65), марганцовистые (65Г), кремнистые (60С2). Для агрессивных сред применяют бронзовые пружины. Индекс пружин, т.е.
.Пружины сжатия навиваются так называемой открытой навивкой, обеспечивающей определенный зазор между витками. Пружины растяжения имеют открытый зазор между витками. Пружины растяжения имеют закрытые витки, плотно прилегающие друг к другу.
Фасонные пружины чаще всего используются в качестве пружин сжатия. Основная особенность этих пружин - различные диаметры навивки соседних витков. Это вызывает и различную их деформацию - ведь чем больше диаметр витка при одном диаметре проволоки, из которой навита пружина, тем меньше его жесткость.
При некотором значении сжимающего усилия Р виток с наибольшим диаметром оказывается поджатым своей торцевой поверхностью к поверхности опоры и выключается из работы. Затем включается следующий по диаметру виток и т.д. Следовательно, по мере возрастания нагрузки меняется число работающих витков и диаметр пружины. Это обстоятельство позволяет подобрать профиль пружины, обеспечивающий любую заданную закономерность изменения характеристики пружины.
Пружины качения воспринимают нагрузку в виде крутящего момента. Затрачиваемая работа преобразуется в работу упругого поворота витков относительно продольной оси пружины.
Спиральные пружины (например, в часах) нагружаются крутящим моментом. В процессе работы пружина, постепенно разворачиваясь, сообщает вращение барабану (валику), с которым скреплен ее конец.
Тарельчатые пружины состоят из набора дисков, имеющих форму усеченных конусов. Стандарт предусматривает такие пружины диаметром от 28 до 300 мм.
Расчет их сложен. Поэтому при подборе их пользуются таблицами, приведенными в ГОСТе 3057-90. Величина деформации пружины зависит от числа взятых конических элементов.
Кольцевые пружины (клинчатые) состоят из набора колец специального профиля. При нагружении крайних колец по периметру наружные кольца надвигаются на внутренние, в результате чего первые растягиваются, а вторые растягиваются. При этом уменьшается общая высота пружины. После того, как внешняя нагрузка удалена, внутренние силы упругости вновь раздвигают кольца.
Рессоры применяются главным образом в амортизационных устройствах транспортных машин, а также в некоторых конструкциях кузнечного оборудования.
Рессора представляет собой набранную из стальных полос балку равного сопротивления изгибу. С целью уменьшения напряжений листам придают изогнутую форму.
1.3.7.5. Предохранители от перегрузки
В машинах предохранителями от перегрузки называют детали и механизмы, контролирующие усилие или крутящий момент с тем, чтобы при достижении этим параметром определенного, заранее установленного, значения, предотвратить возможность его дальнейшего возрастания.
Конструкции предохранителей можно классифицировать следующим образом:
Ломающиеся предохранители: со срезным штифтом; со срезной пластиной; с разрывным болтом; с продавливаемой чашкой и т.д.;
Фрикционные предохранители: дисковые, конусные и т.д.;
Пружинные предохранители: пружинные; пружинно-зубчатые; кулачковые; штифтовые; шариковые; роликовые; рычажные и др. .
По способу восстановления разомкнутой силовой цепи предохранители могут быть с автоматическим повторным включением; с ручным возвратом; с восстановлением путем замены разрушенного элемента.
1.3.7.6. Станины, плиты, коробки и другие корпусные детали
Названные детали и узлы обычно объединяют общим названием корпусные детали. Эти детали составляют значительную часть массы машины, например, в станках 70-90%. Отсюда понятно, что борьба за снижение массы машины в значительной мере определяется тем, насколько удачно конструктор выбрал материал, форму и размеры именно этих деталей.
Позднее мы будем говорить о так называемом идеальном техническом решении, тогда придется вернуться к этой мысли.
К неподвижным корпусным деталям, помимо вынесенных в заголовок, относятся также основания, фундаментные плиты, колонны, стойки, кронштейны, кожухи, крышки. Есть и подвижные корпусные детали: столы, суппорты, ползуны и т.д.
Для большинства корпусных деталей характерна работа в условиях сложного напряженного состояния. Расчет усложняется тем, что часто требуется сложная форма детали, наличие окон, полостей. Например, станина токарного станка должна быть не только несущей конструкцией, но она должна обеспечить свободное падение и уборку стружки. В других случаях наличие проемов в стенках диктуется необходимостью разместить внутри корпусных деталей различные механизмы и агрегаты. Для увеличения жесткости конструкций в корпусных деталях широко применяются перегородки и ребра. Все это затрудняет точный расчет корпусных деталей. Для ряда из них существуют приближенные расчетные схемы, в основном, следующих четырех вариантов:
а) детали, как брусья коробчатого сечения;
б) детали, рассматриваемые как рамы;
в) детали, рассматриваемые как пластины;
г) детали, рассматриваемые как коробки (например, корпуса редукторов).
Очень часто, учитывая коробчатый и рамный характер конструкций, что обеспечивает высокую прочность на изгиб, толщину стенок выбирают минимально допустимой, исходя из технологических соображений, в частности, исходя из возможности отливки литых деталей.
Чрезвычайно широкое применение во всех машинах и аппаратах имеют стандартные крепежные детали: болты, винты, гайки, шайбы, шпильки, штифты, шплинты, а также шпонки.
Ограничимся здесь кратким определением этих терминов, приводимым в энциклопедических справочниках.
Болт - крепежная деталь, обычно стержень с шестигранной или квадратной головкой и внешней резьбой для навинчивания гайки.
Винт - крепежная деталь в виде стержня с головкой, имеющей шлиц под отвертку, и внешней резьбой.
Гайка - деталь с внутренней резьбой, образующая с болтом или винтом болтовое соединение, винтовую пару.
Шайба - диск с отверстием. Подкладывается обычно под гайку, головку болта для увеличения опорной поверхности, защиты поверхности детали от задиров при затягивании гайки, для предотвращения самоотвинчивания гайки (пружинная шайба).
Шпилька - крепежная деталь, стержень с резьбой на обоих концах, один из которых ввертывается в основную деталь, а другой пропускается через отверстие в закрепляемой детали и на него навинчивается гайка. В других случаях детали скрепляются шпилькой, на оба конца которой навинчиваются гайки.
Штифт - цилиндрический или конический стержень для неподвижного соединения деталей или для фиксации их при сборке.
Шплинт - круглый сложенный пополам стержень для соединения слабонагруженных деталей, а также для предотвращения самоотвинчивания гаек. Шплинт вставляют в отверстие, а затем выступающие концы отгибают в стороны.
Шпонка - деталь призматической, клинообразной или другой формы, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и предотвращающая их относительный поворот или сдвиг.
1.3.8. Соединения деталей машин
Связи между деталями в машине могут быть подвижными (шарнир) и неподвижными - резьбовые, сварные, шпоночные и т.д. Неподвижные связи называют соединениями. Различают соединения разъемные (резьбовые, штифтовые, клиновые, шпоночные, шлицевые) и неразъемные - сварные, клеевые, заклепочные, прессовые.
1.3.8.1. Резьбовые соединения
Резьбы могут быть цилиндрические и конические в зависимости от того, на какой поверхности они нарезаны. По профилю резьбы их разделяют на треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, круглые. По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы.
Резьба может быть одно - и многозаходной. Все крепежные резьбы - однозаходные.