Механические свойства металлов

Муфты.

Муфты - это устройства, предназначенные для соединения валов с целью передачи вращательного момента и обеспечивающие остановку узла без выключения двигателя, а так же предохраняющие работу механизма при перегрузках.

Классификация.

1. Нерасцепляемые:

 а) жёсткие,

 б) гибкие.

Достоинства: простота конструкций, низкая стоимость, надёжность.

Недостатки: может соединять валы одинаковых диаметров.

Материал: сталь-45, серый чугун.

2. Управляемые:

 а) зубчатая,

 б) фрикционная.

Достоинства: простота конструкции, разные валы, возможно отключение механизма при перегрузке.

3. Самодействующие:

 а) предохранительные,

 б) обгонные,

 в) центробежные.

Достоинства: надёжность в работе, передают вращение при достижении определённой частоты вращения за счёт сил инерции.

Недостатки: сложность конструкции, большой износ кулачков.

Выполняются из серых чугунов.

4. Комбинированные.

Муфты подбираются по таблице ГОСТа.

Неразъёмные соединения

 Неразъёмные соединения - это  такие соединения деталей, которые  невозможно разобрать без разрушения  деталей, входящих в это соединение.

К ним относятся: заклёпочные, сварные, паяные, клеевые соединения.

Заклёпочные соединения.

Заклёпочные соединения:

1. По назначению:

 а) прочные,

 б) плотные.

2. По расположению заклёпок:

 а) параллельное,

 б) в шахматном порядке.

3. По числу заходов:

 а) однорядные,

 б) многорядные.

Достоинства: хорошо выдерживают ударные нагрузки, надёжность и прочность, обеспечивают визуальный контакт за качеством шва.

Недостатки: отверстия - концентраторы напряжений и снижают предел прочности, утяжеляют конструкцию, шумное производство.

Сварочные соединения

Сварка - это процесс соединения деталей путём их нагрева до температуры плавления, либо пластической деформацией с целью создания неразъёмного соединения.

Сварка:

 а) газовая,

 б) электродная,

 в) контактная,

 г) лазерная,

д) холодная,

 е) сварка взрывом.

Сварные соединения:

 а) угловое,

 б) стыковое,

 в) нахлёст,

 г) тавровое,

 д) точечное.

Достоинства: обеспечивает надёжное герметичное соединение, возможность соединения любых материалов любой толщины, бесшумность процесса.

Недостатки: изменение физических и химических свойств в зоне шва, коробление детали, сложность проверки качества шва, требуются специалисты высокой квалификации, плохо выдерживают повторно-переменные нагрузки, шов - концентратор напряжения.

Клеевые соединения.

Достоинства: не утяжеляет конструкцию, низкая стоимость, не требует специалистов, возможность соединять любые детали любой толщины, бесшумность процесса.

Недостатки: "старение" клея, низкая теплостойкость, необходимость предварительной зачистки поверхности.

Все неразъёмные соединения рассчитываются на срез.

Тср=Q\A<=[Тср].

Резьбы (классификация)

1. По назначению:

 а) крепёжные,

 б) ходовые,

 в) уплотнительные.

2. По углу при вершине:

 а) метрические(60 ),

б) дюймовая(55 ).

3. По профилю:

 а) треугольная,

 б) трапециидальная,

 в) упорная,

 г) круглая,

д) прямоугольная.

4. По числу заходов:

 а) однозаходная,

б) многозаходная.

5. По направлению винтовой линии:

 а) левые, деталь механизм неразъёмный  соединение

 б) правые.

6. По поверхности:

 а) внешняя,

 б) внутренняя,

 в) цилиндрическая,

 г) коническая.

Резьбовые поверхности можно выполнить:

 а) вручную,

 б) на станках,

 в) на автоматических машинах накатыванием.

Достоинства: простота конструкции, надёжность и прочность, стандартизация и взаимозаменяемость, низкая стоимость, не требует специалистов, возможность соединения любых материалов.

Недостатки: резьба - концентратор напряжений, износ соприкасающихся поверхностей. Материал - сталь, цветные сплавы, пластмасса.

Шпоночные соединения.

Шпонки бывают: призматические, сегментные, клиновые.

Достоинства: простота конструкции, надёжность в работе, длинные шпонки - направляющие.

Недостатки: шпоночный паз - концентратор напряжений.

Шлицевые соединения.

Бывают: прямобокие, треугольные, эвольвентные.

Достоинства: надёжность в работе, равномерное распределение по всему сечению вала.

Недостатки: сложность изготовления.

Структура механизмов. Классификация кинематических пар Кинематические пары (КП) классифицируются по следующим признакам:

 1) по виду места контакта (места связи) поверхностей звеньев: - низшие, в которых контакт звеньев осуществляется по плоскости или поверхности (пары скольжения); - высшие, в которых контакт звеньев осуществляется по линиям или точкам (пары, допускающие скольжение с перекатыванием). Они имеются, например, в зубчатых и кулачковых механизмах).

 2) по относительному движению звеньев, образующих пару: - вращательные; - поступательные; - цилиндрические; - сферические; - винтовые; - плоские. Механизм, звенья которого образуют только вращательные, поступательные, цилиндрические и сферические пары, называют рычажным.

3) по способу замыкания (обеспечения  контакта звеньев пары): - силовое (за счет действия сил веса  или силы упругости пружины); - геометрическое (за счет конструкции  рабочих поверхностей пары). 

  Рис.2.1   Рис.2.2

4) по числу подвижностей в  относительном движении звеньев.

5) по числу условий связи, накладываемых  на относительное движение звеньев (число условий связи определяет  класс кинематической пары); Тело, находясь в пространстве (в декартовой  системе координат X, Y, Z) имеет 6 степеней  свободы. Оно может перемещаться  вдоль каждой из трёх осей X, Y и Z, а также вращаться вокруг  каждой оси (рис. 2.3). Если тело (звено) образует с другим телом (звеном) кинематическую пару, то оно теряет  одну или несколько из этих 6 степеней свободы.                  

      Рис. 2.3.

 Степени свободы тела в  пространстве Все пары делятся на пять классов, в зависимости от числа налагаемых связей на подвижность каждого из звеньев. Например, если телами (звеньями), образовавшими кинематическую пару, утрачено по 5 степеней свободы каждым, эту пару называют кинематической парой 5-го класса. Если утрачено 4 степени свободы – 4-го класса и т.д. Число степеней подвижности обозначается за . Число налагаемых связей обозначается за . При этом число степеней подвижности можно определить по формуле: . Пара первого класса: ; . Пара второго класса: ; . Пара третьего класса: ; . Пара четвёртого класса: ; . Пара пятого класса: ; . Примеры классификации пар: Рассмотрим кинематическую пару «винт-гайка» (рис.2.4). Число степеней подвижности этой пары равно 1, а число налагаемых связей равно 5. Это пара будет являться парой пятого класса, свободным можно выбрать только один вид движения для винта или гайки, а второе движение будет сопутствующим.               

  Рис.2.4

Классификация кинематических цепей Несколько звеньев, соединённых между собой кинематическими парами, образуют кинематическую цепь. Кинематические цепи бывают: - замкнутые (простые). В замкнутой цепи каждое звено входит не менее, чем две кинематические пары. - разомкнутые (простые). - сложные. По признаку наличия разветвлений различают цепи простые (каждое звено цепи входит не более, чем две кинематических пары) и сложные или разветвленные (некоторые звенья входят в три, или более пары); в разветвленных цепях могут присутствовать так называемые кратные (двойные, тройные и т.д.) шарниры. По области движения звеньев цепи бывают плоские (траектории движения точек всех звеньев - плоские кривые, лежащие в параллельных плоскостях) и пространственные. Чтобы из кинематической цепи получить механизм, необходимо: - одно звено сделать неподвижным, т.е. образовать станину (стойку); - одному или нескольким звеньям задать закон движения (сделать ведущими) таким образом, чтобы все остальные звенья совершали требуемые целесообразные движения. Некоторые дополнительные определения: Обобщенная координата механизма – каждая из независимых координат, определяющих положение всех звеньев механизма относительно стойки; Число степеней свободы механизма – это число степеней свободы всей кинематической цепи относительно неподвижного звена (стойки). Для пространственной кинематической цепи в общем виде условно обозначим: - количество подвижных звеньев – n, - количество степеней свободы всех этих звеньев – 6n, - количество кинематических пар 5-го класса – P5, - количество связей, наложенных кинематическими парами 5-го класса на звенья, входящие в них, – 5Р5, - количество кинематических пар 4-го класса – Р4, - количество связей, наложенных кинематическими парами 4-го класса на звенья, входящие в них, – 4Р4 и т.д. Звенья кинематической цепи, образуя кинематические пары с другими звеньями, утрачивают часть степеней свободы. Оставшееся число степеней свободы кинематической цепи относительно стойки можно вычислить по формуле Это структурная формула пространственной кинематической цепи, или формула Малышева, получена П.И. Сомовым в 1887 году и развита А.П. Малышевым в 1923 году. Величину W называют степенью подвижности механизма (если из кинематической цепи образован механизм). Для плоской кинематической цепи и соответственно для плоского механизма Эту формулу называют формулой П.Л. Чебышева (1869). Она может быть получена из формулы Малышева при условии, что на плоскости тело обладает не шестью, а тремя степенями свободы: Величина W показывает, сколько должно быть у механизма ведущих звеньев (если W = 1 – одно, W = 2 – два ведущих звена и т.д.). Понятие о структурном синтезе и анализе Cтруктура любой технической системы определяется функционально связанной совокупностью элементов и отношений между ними. При этом для механизмов под элементами понимаются звенья, группы звеньев или типовые механизмы, а под отношениями подвижные (КП) или неподвижные соединения. Поэтому под структурой механизма понимается совокупность его элементов и отношений между ними, т.е. совокупность звеньев, групп или типовых механизмов и подвижных или неподвижных соединений. Геометрическая структура механизма полностью описывается заданием геометрической формы его элементов, их расположения, указания вида связей между ними. Структура механизма может быть на разных стадиях проектирования описываться различными средствами, с разным уровнем абстрагирования: на функциональном уровне - функциональная схема, на уровне звеньев и структурных групп - структурная схема и т.п. Структурная схема - графическое изображение механизма, выполненное с использованием условных обозначений рекомендованных ГОСТ (см. например ГОСТ 2.703-68) или принятых в специальной литературе, содержащее информацию о числе и расположении элементов (звеньев, групп), а также о виде и классе кинематических пар, соединяющих эти элементы. В отличие от кинематической схемы механизма, структурная схема не содержит информации о размерах звеньев и вычерчивается без соблюдения масштабов. (Примечание: кинематическая схема - графическая модель механизма, предназначенная для исследования его кинематики.) Как на любом этапе проектирования при структурном синтезе различают задачи синтеза и задачи анализа. Задачей структурного анализа является задача определения параметров структуры заданного механизма - числа звеньев и структурных групп, числа и вида КП, числа подвижностей (основных и местных), числа контуров и числа избыточных связей. Задачей структурного синтеза является задача синтеза структуры нового механизма, обладающего заданными свойствами: числом подвижностей, отсутствием местных подвижностей и избыточных связей, минимумом числа звеньев, с парами определенного вида (например, только вращательными, как наиболее технологичными) и т.п. Основные понятия структурного синтеза и анализа Подвижность механизма - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение звеньев механизма на плоскости или в пространстве. Связь - ограничение, наложенное на перемещение тела по данной координате. Избыточные (пассивные) - такие связи в механизме, которые повторяют или дублируют связи, уже имеющиеся по данной координате, и поэтому не изменяющие реальной подвижности механизма. При этом расчетная подвижность механизма уменьшается, а степень его статической неопределимости увеличивается. Иногда используется иное определение: Избыточные связи - это связи число которых в механизме определяется разностью между суммарным числом связей, наложенных кинематическими парами, и суммой степеней подвижности всех звеньев, местных подвижностей и заданной (требуемой) подвижностью механизма в целом. Местные подвижности - подвижности механизма, которые не оказывают влияния на его функцию положения (и передаточные функции), а введены в механизм с другими целями (например, подвижность ролика в кулачковом механизме обеспечивает замену в высшей паре трения скольжения трением качения). Структура механизмов Среди всего многообразия конструкций механизмов различают: стержневые (рычажные), кулачковые, фрикционные, зубчатые механизмы, механизмы с гибкими звеньями (например, ременные передачи) и др. виды. Менее распространенные классификации подразумевают наличие механизмов с низшими или высшими парами в плоском или пространственном исполнении и т.д.                                                                                     

  Учитывая возможность условного превращения практически любого механизма с высшими парами в рычажный, в дальнейшем наиболее подробно рассматривается именно эти механизмы, а структурные схемы других механизмов изложены в соответствующих разделах. Среди рычажных механизмов наиболее распространенны так называемые четырехзвенные, примеры которых представлены на рис.2.5, а-г. Виды звеньев (рис. 2.6 и рис.2.7):                                         

Рис.2.6    Рис.2.7

 стойка – звено, принимаемое за неподвижное; такое звено в механизме может быть только одно; кривошип – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси; коромысло – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать только неполный оборот вокруг неподвижной оси; шатун –  звено рычажного механизма, образующее кинематические пары только с подвижными звеньями; кулиса –  звено рычажного механизма, вращающееся вокруг неподвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару; в зависимости от степени протяженности элемента поступательной пары различают «камень»  (звено меньшей протяженности) и «направляющую»; ползун –  звено рычажного механизма, образующее поступательную пару со стойкой; кулачок –  звено, имеющее элемент высшей пары, выполненный в виде поверхности переменной кривизны; камень – звено, совершающее поступательное движение относительно подвижной направляющей, называемой кулисой; зубчатое колесо – звено с замкнутой системой зубьев, обеспечивающее непрерывное движение другого зубчатого колеса или рейки. Количество типов и видов механизмов исчисляется тысячами, поэтому классификация их необходима для выбора того или иного механизма из большого ряда существующих, а также для проведения синтеза механизма. Универсальной классификации нет, но наиболее распространены 3 вида классификации: Функциональная. По принципу выполнения технологического процесса механизмы делятся на механизмы: приведения в движение режущего инструмента; питания, загрузки, съёма детали; транспортирования и т.д.; Структурно-конструктивная. Предусматривает разделение механизмов как по конструктивным особенностям, так и по структурным принципам. К этому виду относят механизмы: кривошипно-ползунный; кулисный; рычажно-зубчатый; кулачково-рычажный и т.д.; Структурная. Проста, рациональна, тесно связана с образованием механизма, его строением, методами кинематического и силового анализа, была предложена Л.В. Ассуром в 1916 году и основана на принципе построения механизма путем наслоения (присоединения) кинематических цепей (в виде структурных групп) к начальному механизму.

 Разъемные соединения

К разъемным соединениям относятся резьбовые соединения, выполняемые с помощью резьбовых деталей (болты, гайки, винты, шпильки), соединения при помощи шпонок, шлицов, штифтов и клиньев, а также соединения, выполненные посредством посадок с гарантированным натягом.

Резьбовые соединения

Резьбовые соединения относятся к самым распространенным соединениям. Основой такого соединения является винтовая пара, т.е. винт и гайка, соединяющиеся между собой с помощью винтовой поверхности резьбы.

 Для крепежных деталей резьбовых  соединений применяются, как правило, правые однозаходные метрические  резьбы треугольного профиля.

 

 В резьбовых соединениях  труб также применяются однозаходные  треугольные резьбы, но с другим  углом профиля и без зазоров  при вершине, что увеличивает  плотность соединения 

 В отдельных случаях для  соединения маслопроводов и установки  масленок применяются так называемые  конические резьбы, гарантирующие  плотность и быстроту соединения.

 Витки резьбы при работе  винтовой пары (при затяжке гайки  или при передаче усилия) нагружены  осевой силой, которая стремится  смять боковую поверхность витков  и изогнуть их или срезать  у основания.

 Опасным местом болта является  минимальное сечение по внутреннему  диаметру резьбы d1.

 Нормальные напряжения σ  в таких болтах можно определить  по формуле:

 Достаточно прочной будет  такая винтовая пара, у которой  напряжения от смятия, среза и  изгиба резьбы и напряжения  от растяжения стержня винта  не превышают допустимых. В крепежных резьбовых деталях, изготавливаемых по ГОСТам, все размеры согласованы для получения равнопрочности. Поэтому, чтобы выбрать крепежную деталь, достаточно определить из условий прочности на растяжение внутренний диаметр стержня и подобрать соответствующую ему стандартную деталь.

Болт представляет собой цилиндрический стержень, снабженный на одном конце головкой, обычно шестигранной формы, а на другом конце — резьбой, на которую навинчивается гайка, обычно также шестигранная.

Винт - это тот же болт, но крепящий детали без гайки за счет ввинчивания его в одну из деталей.

Шпилькой называют цилиндрический стержень, имеющий резьбу на обоих концах. Одним концом она ввинчивается в одну из соединяемых деталей, а на второй конец навинчивается гайка.

Гайка — деталь, имеющая отверстие с резьбой и предназначенная для закрепления соединяемых деталей. Гайки можно навинчивать как на болты и шпильки, так и непосредственно на соединяемые детали, если они имеют для этого соответствующую резьбу.

 Резьбовые соединения помимо  достаточной прочности должны  быть предохранены от самоотвинчивания, которое возможно при знакопеременных нагрузках и вибрации. Меньше подвержены самоотвинчиванию резьбы с мелким шагом, имеющие меньший угол подъема винтовой линии, а следовательно, больший запас самоторможения, но и они нуждаются в предохранении от самоотвинчивания.