УДК 621.01
Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Детали машин» /Сост.: Н.И.Величко, Н.Л.Утутов, В.П.Шишов.- Луганск: Изд-во восточноукр. нац. ун-та им. В. Даля, 2004.- 16 с.
Приведено содержание теоретического материала, изучаемого по дисциплине, перечислены темы практических и лабораторных занятий. Методические указания содержат список учебно-методической литературы и перечень контрольных вопросов. Приведены темы, объем и содержание индивидуальных заданий и курсовых проектов. Методические указания содержат перечень основных теоретических и практических вопросов, которые выносятся на экзамен.
Составители: Н.И. Величко, доц.
Н.Л.Утутов, проф.
В.П.Шишов, проф.
Рецензент Г.И.Нечаев, проф.
Ответств. за выпуск П.В.Филь, доц.
Дисциплина «Детали машин» является теоретической основой машиностроения. В курсе изучаются основы проектированиямашини современные методы конструирования и расчета деталей и узлов. Базой для изучения служат дисциплины: «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Начертательная геометрия и компьютерная графика», «Информатика», «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», «Теория механизмов и машин», «Технология конструкционных материалов».
Методические указания составлены для направления подготовки студентов «Инженерная механика».
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель преподавания дисциплины – развитие инженерного мышления по изучению, освоению и совершенствованию современных методов, правил, норм расчета и конструирования (проектирования) деталей и сборочных единиц общего назначения (соединения, передачи, валы и опоры и т.д.).
В результате изучения дисциплины студент должен
- знать: основные задачи и тенденции развития машиностроения, классификацию деталей машин, основы теории и расчета деталей машин; современные методы расчета и конструирования деталей и узлов машин общего назначения; расчетные схемы, применяемые при расчете деталей машин, взаимодействие деталей в сборочной единице; назначение деталей машин, области применения; материалы, термическую обработку деталей машин, пути экономии материалов; основные стандарты на размеры деталей и выполнение чертежей; основы автоматизации расчетов и конструирование деталей и узлов машин и основы оптимального проектирования,
- уметь, иметь навыки: самостоятельно конструировать узлы машин требуемого назначения; самостоятельно подбирать литературу, государственные стандарты при проектировании; учитывать при конструировании требования технологичности, ремонтопригодности, стандартизации, промышленной эстетики, охраны труда, экологии; обосновать и изобразить расчетные схемы; определять нагрузки, действующие на элементы конструкции; выбирать материал и термическую обработку; выбирать допускаемые напряжения при расчете деталей машин; выполнять расчеты деталей и узлов машин, пользуясь справочной литературой и стандартами; определять размеры детали с использованием стандартов; разрабатывать эскизы и рабочие чертежи деталей и сборочных единиц, оформлять графическую и текстовую конструкторскую документацию согласно требованиям стандартов; применять различные типы стандартных деталей в зависимости от условий работы; пользоваться при подготовке расчетной и графической документации типовыми программами проектирования на компьютерах.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КУРСА
1. Основы конструирования и расчета деталей машин
Роль машин в повышении производительности труда. Ведущая роль машиностроения. Классификация деталей машин.
Процессы выхода из строя деталей машин и основные критерии их работоспособности и расчета. Нагрузки на детали, понятия прочности, износостойкости, жесткости, виброустойчивости. Современные методы выбора допускаемых напряжений при различных циклах их изменения. Уравнения прочности. Надежность и долговечность. Пути экономии металла. Технологические требования к конструкциям. Использование стандартов при проектировании.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Перечислите основные критерии работоспособности деталей. Какие материалы применяют в машиностроении, каковы их механические свойства? Какие виды термической и химико-термической обработки металлов применяют в практике машиностроения? Каково значение стандартизации в машиностроении? Перечислите критерии надежности и долговечности.
2. Зубчатые передачи
Основные понятия о зубчатых передачах и основные определения. Классификация зубчатых передач. Области применения. Элементы зубчатых передач: модули, исходные профили реек. Выбор оптимальных параметров: чисел зубьев, относительной ширины колес и т.д. материалы. Термообработка и другие методы упрочнения стальных зубчатых колес. Виды повреждения зубчатых колес. Расчет зубьев прямозубых, косозубых и шевронных цилиндрических зубчатых колес на изгиб. Номинальные и местные напряжения. Концентрация напряжения у корня зуба и коэффициент прочности зуба. Зависимости для проектного и проверочного расчетов.
Расчет прямозубых, косозубых и шевронных цилиндрических зубчатых передач на контактную прочность. Зависимости для проектного и проверочного расчетов. Определение допускаемых напряжений. Коэффициент полезного действия. Смазка зубчатых передач. Конические зубчатые передачи. Особенности расчета на прочность.
Силы, действующие на валы и оси зубчатых колес. Передачи с зацеплением М.Л.Новикова с одной и двумя линиями зацепления. Области применения. Краткая характеристика показателей планетарных зубчатых редукторов. Области их применения. Волновые передачи. Конструкции и области применения. Передачи цилиндрическими винтовыми колесами. Гипоидные передачи.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Нарисуйте кинематические схемы зубчатых передач. Как определяется передаточное число? По модулю и числу зубьев определите параметры нулевого зубчатого колеса: радиусы или диаметры окружностей, шаг, толщину зуба. Определите передаточное отношение конической зубчатой передачи через углы начальных конусов. В каких случаях применяют прямозубые, косозубые, шевронные и конические передачи? Что называется редуктором? Каковы преимущества и недостатки планетарных передач по сравнению с другими зубчатыми передачами? Какие виды разрушения зубьев колес?
3. Червячные передачи
Основные понятия и определения. Классификация червячных передач. Передачи с цилиндрическим червяком (архимедовым, эвольвентным, конволютным, нелинейчатым, а также с вогнутым профилем) и передачи с глобоидным червяком. Кинематика и геометрия червячных передач. Основные параметры и их выбор. Стандарты. Причины выхода из строя червячных передач. Критерии работоспособности и расчета. Материалы. Расчет зубьев на контактную прочность (на предупреждение повышенного износа). Расчет зубьев на изгиб. Расчетные формулы. Допускаемые напряжения. Коэффициент полезного действия червячных передач. Тепловой расчет. Искусственное охлаждение. Расчет червяка на прочность и жесткость. Смазка червячных передач. Особенности расчета и конструирования глобоидных передач.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Как определить передаточное отношение червячной передачи? В каких случаях применяют червячные передачи? Какие виды разрушения зубьев червячных колес? Каковы особенности расчета на прочность червячных передач?
4. Ременные передачи
Общие сведения и основные характеристики. Области применения. Разновидности ременных передач. Основные типы и материалы плоских ремней. Новые типы ремней и ремни из новых материалов. Стандарты на ремни. Геометрия и кинематика ременных передач. Теория работы ременных передач. Усилия и напряжения в ремне. Кривые скольжения. Коэффициент полезного действия. Расчет ременных передач на основе кривых скольжения. Допускаемые полезные напряжения. Учет влияния отношения толщин ремня к диаметрам шкивов, углов обхвата, центробежного воздействия, режима работы. Методика проверочного и проектировочного расчета. Особенности работы и расчета быстроходных передач. Проверка долговечности ременных передач. Способы натяжения ремней. Силы, действующие на валы от ременной передачи.
Клиноременная передача. Основные характеристики и области применения. Клиновые ремни. Расчет и подбор основных элементов передачи по стандартам. Коэффициент полезного действия. Проверка долговечности. Поликлиновая передача. Шкивы ременных передач – материалы и конструкция. Стандарты на диаметры. Предельные окружные скорости. Зубчато-ременные передачи
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: В чем преимущества и недостатки ременных передач по сравнению с другими? Какие требования предъявляются к приводным ремням? Как определяется передаточное отношение ременной передачи с учетом упругого скольжения ремня? Изложите методику расчета ремней по тяговой способности.
5. Фрикционные передачи и вариаторы
Принцип работы. Области применения. Элементы конструкций. Материалы элементов конструкций. Кинематика передач. Расчет на прочность. Понятие о вариаторах для бесступенчатого регулирования скорости. Схема простейших конструкций. Современные конструкции вариаторов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Перечислите достоинства и недостатки фрикционных передач. Каковы кинематические зависимости для фрикционных передач? Перечислите основные виды фрикционных передач и вариаторов и укажите области их применения.
6. Цепные передачи
Классификация приводных цепей. Конструкции основных типов приводных цепей. Области применения цепных передач в машиностроении. Выбор основных параметров цепных передач. Кинематика цепных передач. Длина цепи и расстояние между осями.
Критерии работоспособности цепных передач и исходные положения для расчета. Зависимости проектного и проверочного расчетов. Несущая способность. Переменность передаточного числа. Динамические нагрузки. Коэффициент полезного действия. Нагрузка на валы. Проектирование звездочек. Смазка и эксплуатация цепных передач.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Каковы преимущества и недостатки приводных цепей? Какие деформации возникают в элементах цепи? Вследствие каких причин цепная передача выходит из строя? Как выбирают шаг цепи?
- Валы и оси
Классификация валов и осей. Конструкции. Критерии расчета: прочность, жесткость колебания. Материалы, применяемые для изготовления валов. Выбор расчетных схем, идеализация опор. Упрощенный расчет валов по номинальным напряжениям. Расчет не сопротивление усталости. Выбор запасов прочности и допускаемых напряжений. Понятие о расчетах по заданной вероятности безотказной работы. Упрочнение валов путем придания рациональной формы, поверхностной термической и химико-термической обработки, дробеструйной обработки, обкатки роликами или чеканки. Расчет валов на жесткость, выбор расчетных условий, методика расчета. Допускаемые углы наклона упругой линии и прогибы. Понятие о критической частоте вращения вала.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: По каким критериям прочности рассчитывают валы? Какие деформации возникают в неподвижных и вращающихся осях и валах? Какова методика проведения проектного и поверочного расчетов валов на статическую прочность и выносливость?
8. Подшипники качения
Роль подшипников качения в современных машинах. Конструкции подшипников. Основные свойства наиболее распространенных типов подшипников. Указания по выбору подшипников в зависимости от условий работы. Материалы тел качения, колец, сепараторов.
Виды повреждения и критерии работоспособности подшипников. Статическая грузоподъемность подшипников. Подбор подшипников с учетом заданного ресурса и переменности режима нагрузки. Максимальные скорости вращения подшипников. Посадки подшипников.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Из каких деталей состоит подшипник качения? Вычертите эскизы основных типов подшипников качения, приведите их характеристики. Перечислите достоинства и недостатки подшипников качения. Какие подшипники более быстроходны, а какие имеют большую грузоподъемность? Какие силы воспринимают различные подшипники качения? Из каких материалов изготовляют детали подшипников качения? Перечислите причины выхода из строя подшипников качения. Как подбирают подшипники, их расчет по динамической грузоподъемности.
9. Подшипники скольжения
Общие сведения. Основные типы подшипников скольжения. Основные параметры подшипников. Подшипниковые материалы. Виды выхода из строя подшипников. Критерии работоспособности и расчета. Расчет подшипников, работающих в условиях смешанного трения. Основные положения учения о трении смазанных поверхностей. Распределение давления в смазочном слое. Коэффициент трения в подшипниках. Выбор зазоров в подшипниках. Основы расчета подшипников при условии жидкостного трения с заданной толщиной масляной пленки. Тепловой расчет подшипников. Естественное и искусственное охлаждение. Подвод смазки в подшипниках. Расположение смазочных канавок. Расход смазки. Системы смазки. Понятие о подшипниках с газовой смазкой. Гидростатические подшипники. Неметаллические подшипники. Особенности их расчета. Расчет подпятников скольжения.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: В каких областях машиностроения подшипники скольжения имеют большее применение, чем подшипники качения? Назовите критерии работоспособности и расчета подшипников скольжения.
Сварные соединения
Роль сварных соединений в современном машиностроении. Основные типы соединений: встык, внахлестку, втавр; соединения электрошлаковой сваркой; соединения контактной сваркой. Расчет на прочность сварных швов. Допускаемые напряжения. Клеевые соединения, соединения пайкой.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Назовите преимущества и недостатки сварных конструкций по сравнению с клепаными и литыми. Укажите типы сварных швов. Как рассчитывают сварные соединения? Какие сварные швы применяют при сварке встык для достижения равнопрочности шва и соединяемых деталей?
Соединения деталей с натягом
Посадки с натягом и области их применения в современном машиностроении. Несущая способность при нагружении осевой силой и моментами. Расчет необходимого натяга. Силы запрессовки и распрессовки.
12. Шпоночные, зубчатые и профильные соединения
Основные типы шпонок. Области применения в современных машинах. Расчет шпоночных соединений. Зубчатые соединения. Расчет на прочность. Профильные соединения. Новые виды соединений.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Какие шпонки применяют для ненапряженных и напряженных шпоночных соединений? Как определяют размеры шпонок? Как производится проверочный расчет призматических и клиновых шпонок? Укажите преимущества шлицевых соединенийпосравнению со шпоночными. Выполните их расчет.
Резьбовые соединения
Резьбы и их классификация. Основные параметры резьб. Взаимодействие между винтом и гайкой. Зависимость между осевой силой и крутящим моментом. Самоторможение. Расчет винтов. Расчет резьбового соединения при действии сдвигающей силы и момента. Расчет резьбовых соединений с учетом податливости элементов. Расчет при действии переменных сил. Выбор допускаемых напряжений. Клеммовые соединения. Передача винт-гайка. Расчет такой передачи. Современные конструкции.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Как рассчитывают болт, нагруженный только силой поперек оси болта (болт поставлен в отверстие с зазором и без зазора)? Как учитывается предварительная затяжка при расчете болтов? Что предусматривают против самоотвинчивания винтов и гаек?
14. Муфты
Классификация муфт. Нерасцепляемые муфты: глухие, жесткие, подвижные, компенсирующие, упругие компенсирующие. Сцепные муфты, управляемые и самоуправляемые – по моменту (предохранительные), по скорости (центробежные) и по направлению вращения (обгонные). Расчетные моменты.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ: Для чего предназначены муфты? На какие основные группы они делятся по конструкции и назначению? Опишите конструкцию жесткой муфты. Устройство упругой муфты. Опишите конструкцию зубчатой муфты. На какие типы делят управляемые муфты?
15. Автоматизированное проектирование деталей машин
Содержание САПР. Виды обеспечения САПР. Конструирование деталей узлов машин. Банк графических данных. Результаты автоматизированного проектирования.
Оптимальное проектирование деталей машин. Основные задачи. Методы решения задач оптимального проектирования. Программное обеспечение. Многокритериальная оптимизация. Выбор оптимального привода. Оптимальное проектирование зубчатых передач, валов, опор, муфт.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Цель практических занятий – закрепление теоретических основ курса «Детали машин», полученных на лекциях, наработка навыков инженерных расчетов и конструирования типовых деталей и узлов машин общепромышленного применения.
Наименование тем и их краткое содержание:
1. Механические приводы машин.
Типовые схемы механических приводов. Их конструктивные особенности и основные характеристики. Расчеты механических приводов. Выбор электродвигателя. Кинематический, силовой и энергетический расчет привода (на конкретном примере).
2. Допускаемые напряжения в зубчатых передачах.
Материалы для зубчатых колес, виды упрочнения зубьев, сравнительная оценка свойств зубчатых передач с различным упрочнением зубьев. Допускаемые контактные напряжения в расчетах на выносливость.
3. Допускаемые напряжения в зубчатых передачах (продолжение).
Допускаемые напряжения изгиба в расчетах на выносливость. Допускаемые напряжения при расчетах зубчатых передач на кратковременные перегрузки.
4. Основные параметры зацепления цилиндрических зубчатых передач.
Выбор основных параметров зацепления цилиндрических зубчатых передач, влияние их на работоспособность и габариты передач. Оптимизация параметров цилиндрических зубчатых передач.
5. Особенности проектирования конических зубчатых передач.
Анализ и выбор основных параметров конических зубчатых передач, влияние их на нагрузочную способность, габариты и технологичность редукторных передач. Специфика проектирования открытых цилиндрических зубчатых передач и конических зубчатых передач.
6. Червячные передачи.
Выбор материалов, расчет допускаемых напряжений. Влияние материала червячного колеса на технико-экономические показатели червячных передач.
7. Червячные передачи (продолжение).
Выбор и оптимизация параметров зацепления червячных передач. Расчеты по критериям теплостойкости червячных передач и жесткости червяка.
8. Конструирование зубчатых, червячных колес.
Разработка конструктивных элементов зубчатых (червячных) колес: обода, диска, ступицы и др.
9. Ременные передачи.
Методика расчета ременных передач с плоскими и клиновыми ремнями. Конструирование шкивов. Натяжные устройства.
10. Валы и оси.
Порядок проектирования валов. Ориентировочный расчет и разработка конструкции валов на примере двухступенчатого редуктора общепромышленного применения.
11. Выбор типа подшипников качения для редукторных валов.
Способы крепления на валах подшипников, зубчатых и червячных колес. Практический расчет подшипников качения. Оценка применимости подшипников различных типов и конструктивного исполнения.
12. Соединения «вал-ступица».
Шпоночные и шлицевые соединения: анализ основных типов, выбор по стандартам, расчеты на прочность. Увязка размеров шпонок (шлицев) с габаритами ступиц колес, шкивов.
13. Резьбовые соединения.
Типы стандартных резьбовых деталей. Методы стопорения резьбовых соединений. Расчеты на прочность одиночных и групповых резьбовых соединений.
14. Корпусные детали. Типовые конструкции редукторных корпусов. Расчет и конструирование основных элементов корпуса редуктора
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Цель проведения лабораторных занятий – изучение конструкций, технических характеристик, экспериментальных методов исследования основных параметров деталей и узлов машин общепромышленного применения.
Наименование тем лабораторных работ и их краткое содержание:
1. Изучение конструкции цилиндрического зубчатого редуктора. Знакомство с элементами цилиндрического зубчатого редуктора, измерение основных параметров зацепления передач, составление кинематической схемы редуктора и эскизирование зубчатых колес. Определение допускаемой на редуктор нагрузки.
2. Изучение конструкции червячного редуктора. Ознакомление с типом червячной передачи, определение путем измерений ее параметров зацепления и полный геометрический расчет червячной передачи, разработка эскиза червяка и червячного колеса. Определение допускаемой на редуктор нагрузки.
3. Изучение конструкций подшипников качения. Ознакомление с системой условных обозначений стандартных подшипников качения, конструкция и способы регулировки зазоров радиально-упорных подшипников, условные и упрощенные изображения подшипников на чертежах.
4. Конструкции опорных узлов редукторов. Изучение на специальных моделях типовых схем установки подшипников качения в редукторах: в растяжку, в распор, с фиксирующей и плавающей опорами. Анализируются способы осевой фиксации подшипников на валах.
5. Определение КПД червячного редуктора. Ознакомление с экспериментальными методами исследования зависимости КПД червячного редуктора от условий его нагружения.
6. Определение КПД передачи винт-гайка. Ознакомление с методом экспериментального исследования трения в винтовой паре, определение КПД передачи винт-гайка для различных материалов, параметров резьбы и осевых нагрузок.
7. Определение приведенного коэффициента трения подшипников методом выбега. Ознакомление с экспериментальным методом исследования трения в подшипниках качения, получение опытных данных для построения диаграммы останова.
