Вступ
Подальший розвиток самостійної роботи студентів визначає необхідність розроблення і ефективного використання відповідного методичного забезпечення до вивчення усіх передбачених діючими навчальними планами дисциплін. Особливого значення набуває розв’язання цієї задачі для загальноінженерних дисциплін, типові і робочі програми яких містять значну кількість складних для самостійного вивчення тематичних модулів.
За діючими в академії навчальними планами до основних загальноінженерних дисциплін належать дисципліна “Деталі машин” (ДМ) та її скорочена версія “Основи конструювання деталей машин” (ОКДМ) – один з головних розділів дисципліни “Прикладна механіка”. Вони містять і формують у майбутніх інженерів науково-практичну базу для проектувальних розрахунків і конструювання складових частин сучасних технічних засобів (ТЗ) – відповідних деталей, збірних одиниць, агрегатів та ін. Тому вивчення типажу, конструкції і критеріїв працездатності деталей машин, збірних одиниць (вузлів) і агрегатів з урахуванням умов їх сумісної роботи в транспортних технічних засобах, придбання навичок практичного використання отриманих знань при розв’язанні інженерних задач з використанням сучасної комп’ютерної техніки складають основні задачі для студентів при засвоєнні цих дисциплін.
Складність самостійного вивчення дисциплін, що розглядаються, визначається їх теоретичною багатокомпонентністю, яка відзеркалюється у відповідних підручниках. Вони базуються на математичному апараті досліджень з математики; методах аналізу сил, напружень і деформацій з Теоретичної механіки і опору матеріалів; урахуванні властивостей та механічних характеристиках конструкційних матеріалів з матеріалознавства; загальних методах проектування різних технічних засобів з теорії механізмів і машин; методах прогнозування ресурсу деталей і вузлів машин з теорії надійності, трибомеханіки, механіки руйнування та ін.
Це визначило доцільність розроблення і використання в навчальному процесі методичного забезпечення самостійної роботи – даного конспекту лекцій з дисципліни «Деталі машин». Він містить стисле висвітлення необхідного теоретичного матеріалу за виділеними тематичними модулям, а також рекомендації до його практичного використання та поглибленого вивчення за допомогою відповідних літературних джерел та засобів систем автоматизованого проектування (САПР).
1 Загальні питання конструювання деталей машин
Усі вироби машинобудівних підприємств – різноманітні технічні засоби, окремі агрегати, механізми, прилади та інші конструкції – складаються з деталей. При цьому деталь визначають як елемент конструкції, який виготовлено з матеріалу однієї марки без використання складальних операцій (наприклад, деталями є болт, гайка, шайба та ін.).
Сукупність деталей, які з’єднані на підприємстві-виробникові з використанням складальних операцій (зварюванням, згвинчуванням, клепанням, паянням та ін.) з забезпеченням певної сумісної роботи, називається збірною одиницею (наприклад, шатун тепловозного дизеля, підшипники кочення і ковзання, насоси, компресори, редуктори та ін.). В інженерній практиці досить широко використовуються поняття “комплекси” і “комплекти”, під якими розуміють сукупності збірних одиниць, що виготовлені на підприємстві і забезпечують виконання певних функцій у складі відповідної конструкції після складання її на місті призначення (наприклад, насосні станції, дизель-генераторні станції, автоматизовані верстатні лінії, комплекти запасних частин та ін.).
Слід мати на увазі, що основою розроблення різноманітних конструкцій сучасних технічних засобів є використання в основному (за винятком спеціальних) однакових деталей та збірних одиниць – типових, нормальних і стандартних: роз’ємні та нероз’ємні з’єднання деталей, механічні передачі, вали, опори, ущільнення, муфти та ін. Це визначило необхідність виділення їх класифікаційних груп, розроблення відповідних інженерних методів для їх розрахунків і конструювання.
Нижче розглянуто основні критеріальні вимоги до деталей машин, наведені відомості про конструкційні матеріали та технічні умови для їх виготовлення, висвітлено загальні підходи до їх розрахунків при конструюванні.
Критеріальні вимоги до деталей машин
Критеріальні вимоги до деталей машин визначаються відповідними вимогами до технічних засобів, у конструкції яких вони використовуються. До основних з них належать: працездатність, надійність, технологічність, економічність, а також естетичність і екологічність.
Під працездатністю розуміють такий стан ТЗ, при якому він здатний виконувати задані функції (функціонувати), зберігаючи значення основних параметрів у межах, установлених відповідними нормативними документами.
Основними критеріями працездатності ТЗ і його деталей є: міцність, жорсткість, стійкість, вібростійкість, теплостійкість, стійкість проти корозії і старіння.
З перерахованих критеріїв головним є міцність – спроможність деталей, елементів конструкції ТЗ не руйнуватися при діючих (у визначених межах) навантаженнях.
У багатьох випадках порушення вимог працездатності при експлуатації ТЗ обумовлюється надмірними пружними деформаціями сполучених деталей внаслідок їхньої недостатньої жорсткості, під якою розуміють спроможність деталей чинити опір деформаціям (зміні форми і розмірів) під дією навантажень. Тому для ряду деталей (наприклад, довгі вали, осі та ін.) одним з основних видів проектувальних розрахунків є розрахунки на жорсткість.
Цілий ряд відповідальних деталей ТЗ (наприклад, штанги механізму приводу клапанів тепловозного дизеля, елементи конструкцій мостів, естакад, фермових конструкцій) виконується у вигляді довгих і відносно тонких брусків (стержнів), на які діють подовжні стискальні навантаження. Найважливішою вимогою збереження їх працездатності є забезпечення в процесі експлуатації їхньої стійкості – спроможності зберігати початкову (прямолінійну) форму рівноваги (уникання раптового переходу до криволінійної форми рівноваги у вигляді випинання під дією навіть незначних поперечних навантажень).
Збільшення швидкостей руху транспортних ТЗ, їхніх деталей при відповідному до цієї тенденції зниженні маси конструкції, як правило, приводить до підвищення рівня віброактивності (прояву механічних коливань у рухомих системах) сучасних ТЗ. Це свідчить про істотну роль у забезпеченні працездатності вібростійкості ТЗ – здатності працювати на експлуатаційних режимах без неприпустимих рівнів вібрацій. Важливість цього критерію визначається і тим, що поряд із шкідливими технічними проявами (порушення заданих законів руху деталей, додаткові інерційні навантаження, проблема "відбудування" від резонансу) вібрації становлять небезпеку і для людини (притуплення зору, слуху, анемія кінцівок, порушення біохімічного складу крові внаслідок руйнування кровоутворюючої системи). Тому для забезпечення вібростійкості більшості транспортних ТЗ використовуються сучасні віброзахисні системи, добір (проектування) яких здійснюється при розробленні ТЗ за результатами відповідних розрахунків параметрів вимушених коливань системи.
Виконання вимог працездатності ТЗ нерозривно пов'язане із забезпеченням зносостійкості – опору його деталей, всіх елементів конструкції, що контактують рухомо, зношуванню (руйнуванню поверхневих шарів при терті, поступовій зміні розмірів, форми, маси і стану поверхонь, що контактують). Результатом (кількісною оцінкою) процесу зношування є знос.
У загальному плані проектувальні розрахунки деталей ТЗ на знос орієнтовані або на визначення умов тертя з наявністю мастильного матеріалу (наприклад, гідродинамічний розрахунок підшипників ковзання), або на виявлення для конкретних вузлів тертя допустимих навантажень (наприклад, при проектуванні підшипників ковзання контроль величини середнього тиску на вкладиш, обмеження нагрівання і зносу за величиною питомої роботи тертя).
Працездатність багатьох ТЗ значною мірою залежить від ступеня задоволення критерію теплостійкості – здатності деталей зберігати працездатність у заданих межах зміни температурного режиму, обумовленого робочим процесом (характерно для двигунів внутрішнього згоряння, газотурбінних двигунів, газотурбінних і паротурбінних установок, електричних машин, ливарних машин та ін.) і проявом тертя в його механізмах і вузлах. Це пов'язано з тим, що надмірне нагрівання деталей може викликати зниження міцності матеріалу, появу додаткових деформацій і напружень, порушення нормальних умов змазування (підвищений знос), зміну зазорів у сполучених деталях (наприклад, значне зменшення зазору між поршнем і гільзою циліндра тепловозного дизеля може призвести до аварійного зносу – задиру). Тому для забезпечення нормальних теплових режимів роботи ТЗ в експлуатації при його проектуванні в ряді випадків виконують спеціальні розрахунки.
Розрахунки, спрямовані на забезпечення і контроль працездатності ТЗ, виконуються з наростаючою точністю на всіх основних етапах проектування, у процесі детальної проробки його конструкції.
Найважливішою критеріальною вимогою до нового ТЗ є його надійність - властивість ТЗ виконувати задані функції (зберігати працездатність) протягом необхідного часу (або необхідного наробітку – мотогодин для двигуна, кілометражу пробігу для автомобіля та ін.) Для різних ТЗ, умов їхньої експлуатації надійність може містити в собі такі поняття, як безмовність, довговічність, ремонтопридатність, збереженість. Для непризначених до тривалого збереження ТЗ надійність визначається безвідмовністю - зберіганням працездатності протягом заданого часу. Для багатьох ТЗ найважливіша роль приділяється їх довговічності - збереженню працездатності до граничного стану (при якій подальша експлуатація або неможлива, або недоцільна) при відповідних системах технічного обслуговування і ремонту. Однією з головних експлуатаційних вимог є ремонтопридатність - пристосованість ТЗ до відновлення працездатності на основі попередження відмов, виявлення й усунення несправностей при технічному обслуговуванні і ремонті (вихід якоїсь деталі з ладу повинний виправлятися при ремонті із забезпеченням подальшої експлуатації ТЗ). Характерною вимогою до ТЗ тривалого збереження є збереженість – забезпечення працездатності протягом і після встановлених термінів збереження і транспортування.
При розв’язанні техніко-економічних задач у якості показника для оцінювання надійності функціонування ТЗ широко застосовується імовірність безвідмовної роботи 
– імовірність того, що в заданому інтервалі часу (у межах заданого наробітку) не виникне відмови ТЗ.
Якщо загальну кількість однакових ТЗ, що підлягали випробуванням протягом заданого інтервалу часу 
, позначити через 
, а кількість ТЗ, знятих з випробувань через відкази, – через 
, то значення розглянутих ТЗ можна визначити за формулою
. (1.1)
Наприклад, якщо протягом заданого часу наробітку проведені випробування 
тягових електродвигунів локомотивів і 
з них були зняті з випробувань через відмови, то імовірність безвідмовної роботи ТЗ складе 
.
Слід зазначити, що надійність складних технічних систем залежить не тільки від надійності її елементів, а і від характеру їхніх взаємних зв’язків. Покажемо це на прикладі визначення імовірності безвідмовної роботи механічних систем, утворених послідовним і паралельним з’єднанням відповідних структурних елементів.
Якщо система складається з 
послідовно з’єднаних елементів з ймовірностями безвідмовної роботи 
, 
, …, 
(відмови в ній незалежні і кожний приводить до відмови всієї системи), то імовірність безвідмовної роботи такої системи 
визначається за формулою
. (1.2)
Як видно з наведеної формули, імовірність 
буде зменшуватися зі збільшенням кількості елементів системи, а також буде завжди нижче відповідного значення 
.
При паралельному з’єднанні 
елементів (на відміну від попереднього варіанта) повна відмова системи настає у випадку відмови всіх елементів. При цьому загальна імовірність 
визначається за формулою
(1.3)
У цьому випадку буде вища і імовірність безвідмовної роботи системи з паралельним з’єднанням елементів буде вище у порівнянні із системою, яка передбачає послідовне з’єднання складових.
Все більшого розповсюдження в інженерній практиці отримують методи оцінювання надійності деталей при проектуванні машин, які базуються на використанні апарату теорії ймовірностей. Ґрунтовне висвітлення цих методів, а також приклади їх практичного застосування наведено в підручниках [1,2].
Технологічність деталей та збірних одиниць характеризується мінімальними витратами засобів, часу і праці при їх виробництві, експлуатації і ремонті. До основних напрямків забезпечення технологічності деталей слід віднести: окреслювання при конструюванні форм деталей простими поверхнями (циліндричними, конічними та ін.), найбільш зручними для обробки механічними і фізичними методами; використання для виготовлення деталей конструкційних матеріалів, які забезпечують використання маловідходних і ресурсозберігаючих технологій обробки (тиском, точні ливарні, лазерні, вибухом, зварюванням та ін.); раціональне використання системи допусків і посадок, обґрунтоване завдання технічних умов на виготовлення деталей.
При проектуванні і конструюванні ТЗ одну з головних ролей відіграє забезпечення його економічності – досягнення високої економічної ефективності, яка формується при його проектуванні, виробництві та експлуатації. Тому проектування нового ТЗ повинно бути економічно спрямованим – ураховувати увесь комплекс чинників, які визначають економічну ефективність ТЗ, правильно оцінювати їх питому вагу. Таке проектування базується на техніко-економічному аналізі, який передбачає порівняння різних варіантів проектно-конструкційних рішень не тільки з чисто технічного, а і з економічного боку.
Для техніко-економічного аналізу необхідно проводити техніко-економічні розрахунки (ТЕР), в яких, крім технічних, беруть участь і економічні категорії (такі, як витрати матеріалів, енергії, праці та інших ресурсів). Це пояснюється тим, що взяті окремо технічні критерії (наприклад, критерії працездатності), як правило, не можуть визначити конструкцію деталей, вузлів і агрегатів ТЗ, яка б забезпечувала його високу економічну ефективність.
Ілюстрацією цьому є наведений нижче приклад конструювання ТЗ тільки з урахуванням критерію міцності.
Згідно з таким підходом у спрощеному уявленні можливі два варіанта конструкції ТЗ.
Перший варіант характеризується конструюванням усіх деталей з найбільшими коефіцієнтами запасу міцності з метою створення ТЗ з невеликими експлуатаційними витратами (орієнтований на забезпечення працездатності, надійності навіть у напружених умовах експлуатації, технічного обслуговування та ремонтів). У результаті конструкція ТЗ характеризується збільшеними витратами у виробництві, значними габаритами і вагою.
Другий варіант діаметрально протилежний першому. Конструювання ТЗ виконується за найменшими граничними коефіцієнтами запасу міцності у розрахунку на те, що в експлуатації не буде порушень (збільшення) заданих початкових умов (наприклад, рівнів навантажень, швидкостей, робочих параметрів). При такому варіанті конструкції ТЗ зменшуються витрати у виробництві, його габарити, вага, але збільшуються експлуатаційні витрати, що визначається необхідністю підтримки працездатності, надійності ТЗ в реальних умовах експлуатації (ліквідацією відмов, поломок, які будуть мати місце при збільшенні навантажень, та ін.).
З позицій економічно спрямованого проектування (за результатами техніко-економічного аналізу і ТЕР), варіантом з більш високою економічною ефективністю міг би бути варіант конструкції ТЗ, близький до другого варіанта, але доповнений автоматизованою системою захисту ТЗ на випадок порушень умов нормальної експлуатації. При цьому забезпечується низький рівень витрат як у виробництві, так і в експлуатації ТЗ.
Слід підкреслити, що ТЕР виконуються на усіх стадіях проектування ТЗ з наростаючою точністю. Їх сутність полягає у тому, що вони спрямовані на пошук найбільш раціонального варіанта конструкції ТЗ за показниками технічного рівня й економічної ефективності з урахуванням особливостей виробництва та експлуатації.
Основним кількісним показником економічної ефективності, який розглядається на кінцевих стадіях проектування, є річний економічний ефект 
від виробництва та експлуатації нового ТЗ тривалого застосування (електрична станція, транспортна енергетична установка, транспортні засоби та ін.) з поліпшеними якісними характеристиками.
Узагальнена формула для його визначення має вигляд
(1.4)
де 
, 
– відповідно економії, що отримуються при виробництві та експлуатації нового ТЗ у порівнянні з тим, на заміну якого він призначений;
– річний обсяг виробництва нового ТЗ.
Для розрахунку значень і технічного засобу, що проектується, слід використовувати відповідні існуючі галузеві методики.
На завершення слід зазначити, що досконалість і привабливість форм, зовнішнього вигляду деталей, збірних одиниць і ТЗ у цілому визначають рівень його естетичності, а відсутність шкідливих проявів до зовнішнього середовища, природи та людини – рівень екологічності.
