Основы проектирования и конструирования (стр. 9 из 53)

Достаточное знакомство с кинематикой, статикой, динамикой точки, т ела, а затем механизма, знакомство с общими представлениями о прочности и жесткости позволяет перейти от абстрактных схем к конкретным машиностроительным конструкциям, изучаемым в курсе "Детали машин".

1.3.7. Типовые детали машин

Любая машина, любой механизм состоят из деталей. Деталь является такой частью машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шайба, шпонка) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы. Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, объединяемых общим функциональным назначением узла (подшипник, муфта, редуктор). Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов). Например, редуктор включает валы с насажанными зубчатыми колесами.

Среди большого разнообразия деталей и узлов машин можно выделить такие, которые встречаются почти во всех машинах (болты, валы, муфты и т.д.). Эти детали и узлы называются деталями (узлами) общего назначения. Они и являются предметом изучения в курсе Деталей машин.

Поскольку в курсе технологии машиностроения предстоит изучать технологию изготовления типовых деталей, то остановимся на определении некоторых из них.

1.3.7.1. Валы и оси

Деталь, на которую насажены вращающиеся чести машины, реально осуществляющая геометрическую ось вращения этих частей, называется осью или валом.

Ось предназначена лишь для поддержания вращающихся деталей. Оси могут быть неподвижными относительно машины, либо вращаться вместе с насаженными на них деталями. В любом случае ось воспринимает лишь изгибающие нагрузки от усилий, действующих на вращающиеся части машин.

Вал, в отличие от оси, не только поддерживает вращающиеся детали, но и передает крутящий момент. Вследствие этого валы оказываются нагруженными не только изгибающими усилиями, но и крутящим моментом.

Крутящий момент связан с передаваемой мощностью и числом оборотов вала соотношением

, [Н × м],

где N - мощность, кВт;

n - число оборотов вала, об/мин.

По форме геометрической оси вала различают: прямые валы и коленчатые валы. Коленчатые валы обычно считают не типовой, а специальной конструкцией. Прямые валы могут быть гладкими, если имеют постоянный диаметр по всей длине, или ступенчатыми.

Особую группу составляют валы с изменяющейся формой геометрической оси - гибкие валы.

Опорные участки осей и валов называются цапфами. В зависимости от системы нагружения, направление опорных реакций может быть радиальным и осевым.

Цапфы, воспринимающие опорные реакции радиального направления, называются шипами, если они являются концевыми, или шейками, если они расположены на удалении от конца вала.

Цапфы, воспринимающие осевые опорные реакции, называются пятами. Одна и та же конструктивная задача может быть решена как с помощью вала, так и оси.

а - барабан насажен на неподвижную ось, зубчатое колесо для приведения вала во вращение закреплено на барабане; б - барабан закреплен на вращающейся оси; в - барабан закреплен на валу, зубчатое колесо тоже, вращающий момент с зубчатого колеса на барабан передается валом.

В случае "а" ось испытывает односторонний изгиб, в случае "б" нагрузка на ось - знакопеременная, поэтому диаметр оси должен быть больше. Но зато в варианте "б" легче доступ к подшипникам. Достоинством варианта "в" является свободный доступ к узлам трения, насадка зубчатого колеса на вал, а не на барабан упрощает конструкцию.

Диаметры посадочных мест осей и валов выбираются стандартные, что обеспечивает возможность использования стандартного измерительного инструмента и стандартных подшипников. Свободные размеры выбираются из ряда предпочтительных чисел.

Переход на ступенчатом валу с одного диаметра на другой осуществляется не резко, а с помощью галтели с целью уменьшения усталостных напряжений, возникающих при знакопеременной нагрузке.

Существенное снижение массы вала или оси при незначительном уменьшении момента сопротивления может быть достигнуто при использовании полого вала. Оси и валы - ответственные детали, обязательно подлежащие расчету на прочность. Ось считают на изгиб. Вал, помимо изгиба, проверяют на критическое число оборотов. В некоторых случаях помимо прочности требуется проверка вала на жесткость.

Поскольку валы и оси являются достаточно нагруженными элементами конструкции, для их изготовления используют материалы повышенной прочности. Так, если машина изготовлена из черных металлов, вал или ось изготавливают из стали 45, в нержавеющих стальных конструкциях - из 3Х13 и т.д. Следует заметить, что указанные марки сталей способны подвергаться закалке и другим методам термообработки.

Особую конструкцию представляют собою гибкие валы, применяемые для передачи движения между деталями, если в процессе работы изменяются относительное расположение их осей вращения. Пример: использование вибратора в бетонных работах.

Распространенной конструкцией является гибкий вал, состоящий из ряда последовательно навитых друг на друга слоев стальной проволоки. Первый от центра слой навивается на центральную проволоку - сердечник, который может быть затем извлечен из вала, либо оставлен внутри его. Конструктивно гибкий вал похож на многозаходную, многослойную винтовую пружину кручения с плотно прилегающими друг к другу витками и слоями. Смежные слои имеют противоположные направления навивки. Направление вращения вала должно быть таким, чтобы пружина, образующая внешний слой, закручивалась, а не раскручивалась.

1.3.7.2. Опоры скольжения

Назначение опор - направлять движение обслуживаемых ими осей и валов и воспринимать действующие на эти детали усилия.

В зависимости от рода трения между поверхностями опоры делятся на опоры трения скольжения и трения качения.

Опоры, нагружаемые через шейку или шип вала, называются подшипниками, опоры, нагружаемые осевыми силами через пяту, называются подпятниками.

Качество работы подшипников скольжения в значительной мере определяется условиями трения скольжения. Различают трение скольжения сухое, полусухое, граничное и жидкостное. Сухое трение имеет место между двумя идеально чистыми поверхностями, при отсутствии какого-либо вещества между ними. Коэффициент трения при этом максимален. Такие условия можно получить только в лабораторных условиях. В реальных условиях между поверхностями всегда есть тоните пленки газа, влаги и жира. Трение в присутствии таких пленок называется полусухим. Хотя толщина пленки составляет всего несколько ангстрем, она заметно снижает коэффициент трения.

Граничное трение происходит в присутствии искусственно введенной прослойки смазочного вещества толщиной 0,1 - 0,5 мкм. Коэффициент трения при этом еще меньше.

По мере увеличения толщины масляного слоя уменьшается степень влияния твердой поверхности на молекулы масла. Один слой масла начинает скользить по другому и сопротивление начинает определяться вязкостью масла. Такое трение называется жидкостным и является наиболее желательным, поскольку полностью исключает непосредственное соприкосновение опорных поверхностей. Но для его осуществления необходимо создать условия, предотвращающие выдавливание смазки из зазора между поверхностями.

Подшипники и подпятники скольжения изготавливаются из антифрикционных материалов: чугуна, бронзы, баббита (сплав из олова, свинца, сурьмы и др.). Хорошим антифрикционным материалом является фторопласт, но из-за низкой теплопроводности его приходится наносить на основу из пористой бронзы. Удобны графитовые подшипники, поскольку они обладают свойством самосмазывания и не нуждаются в смазочном масле. В текстильном оборудовании широко применяются подшипники из прессованной древесины, поскольку жировая смазка может оставить пятна на ткани при случайном попадании, а деревянные подшипники работают на водяной смазке.

Конструктивно узел подшипника представляет собой стальной или чугунный корпус - сплошной или с отъемной крышкой, внутри которого находится вкладыш из антифрикционного материала. Предусматриваются отверстия и канавки для подачи масла в зазор между вкладышем и цапфой вала.

Одним из методов подачи масла является установка на корпусе пресс-масленки или штауфера.

1.3.7.3. Опоры качения

Опора качения состоит из корпуса, похожего на корпус опоры скольжения, в который вместо кольцевого вкладыша из антифрикционного материала вставлен подшипник качения.

По характеру воспринимаемой нагрузки подшипники качения подразделяются на радиальные, радиально-упорные, упорные.

Радиальные подшипники воспринимают от вала нагрузку, перпендикулярную оси вращения. Осевая нагрузка может носить случайный характер и по величине не должна превышать 10% от радиальной.

Упорный подшипник воспринимает только нагрузку, действующую вдоль оси вращения. Радиально-упорный подшипник воспринимает и ту, и другую нагрузки.

По виду тела качения подшипники делятся на шариковые, роликовые и игольчатые, при этом шарикоподшипники могут быть одно - и двухрядные.

Принцип устройства рассмотрим на примере самого простого однорядного радиального шарикоподшипника. Он состоит из следующих элементов: внутреннее кольцо, которое насаживается на цапфу вала; наружное кольцо, которое запрессовывается в корпус подшипника; шарики - тела качения, которые воспринимают нагрузку и обеспечивают трение качения при вращении внутреннего кольца относительно наружного; сепаратор, который обеспечивает равномерное распределение шариков в зазоре между наружным и внутренним кольцами.