Детали машин и основы конструирования. Основы проектирования, критерии работоспособности и расчета деталей машин. (Лекция 1)

1.

Детали Машин
и Основы Конструирования
Преподаватель:
Поляков Роман Николаевич
канд. техн. наук, доцент
каф. «Мехатроника и международный
инжиниринг» /ауд. 108,110/
Базовая структура курса
Лекции: 40 часов.
Практические занятия: 20 часов.
Лабораторные работы: 40 часов.
Самостоятельная работа: 80 часов.
Итоговый контроль
I семестр: РГР, отчет лабораторных работ,
тесты, зачет.
II семестр: отчет лабораторных работ,
тесты, защита курсового проекта, экзамен.
Детали машин и основы конструирования
1

2.

Условные обозначения
!
- очень важно для понимания всей темы в целом!
- необходимо записать!
- рисунок (схему) занести в конспект!
?
- спросить, если непонятно!
- знать вывод формулы!
Вт Н м
с
- проверить размерность формулы!
- 99% вероятность дополнительного вопроса на экзамене!
- просмотреть по теме другие литературные источники!
- самостоятельно повторить решение задачи!
Детали машин и основы конструирования
2

3.

Введение. Цели и задачи дисциплины
Предметом изучения дисциплины «ДМ и ОК» являются:
–процессы и явления, происходящие в технических устройствах;
–оценка напряженного состояния элементов;
–критерии работоспособности деталей машин;
–методы расчета и конструирования элементов машин с целью
определения размеров и рациональных форм, обеспечивающих заданную
надежность, ресурс, массогабариты и высокие технико-экономические
показатели машин.
Целью преподавания дисциплины «ДМ и ОК» является обучение
студентов современным методам конструирования и выполнения
инженерных расчетов элементов машины.
В результате изучения курса студенты должны знать:
1) основы классификации и типовые конструкции деталей и узлов машин;
2) методы проектирования, обеспечивающие разработку рациональных
конструкций, исходя из заданных технических требований, условий работы
технической системы и производственно-экономических возможностей;
3) критерии работоспособности деталей машин;
4) основы инженерного расчета деталей машин.
Детали машин и основы конструирования
3

4.

Введение. Цели и задачи дисциплины
УМЕТЬ:
1) на основании технических заданий выполнять синтез кинематических и
конструктивных схем механизмов;
2) выполнять кинематический расчет механических приводов и рациональный выбор
двигателей;
3) выявлять главные критерии работоспособности для конкретной детали;
4) выполнять проектировочные и проверочные расчеты деталей на статическую
прочность, выносливость, жесткость и износостойкость;
5) проводить тепловые и динамические расчеты;
6) рационально выбирать конструктивные материалы и термообработку деталей для
выполнения заданных функций;
7) формулировать техническое задание на проектирование исходя из конкретных условий
работы механизмов;
8) выполнять проектные, проверочные и оптимизационные расчеты деталей машин с
использованием ЭВМ;
9) выполнять (разрабатывать) и читать чертежи и схемы;
10) разрабатывать конструкцию простых типовых деталей машин и механизмов.
Изучение дисциплины «ДМ и ОК» базируется
на знании следующих учебных курсов:
высшая и прикладная математика; физика; теоретическая механика;
теория упругости; сопротивление материалов; теория машин и механизмов;
гидромеханика и газовая динамика; теория колебаний; триботехника;
материаловедение и технология металлов; основы метрологии и взаимозаменяемости;
программирование; электротехника; инженерная графика и машиностроительное
черчение; теория надежности; теплопередача.
Детали машин и основы конструирования
4

5.

Рекомендуемая литература
и учебно-методическое обеспечение
Теоретические основы дисциплины
1. Иванов М.Н. Детали машин. Учебник для вузов. Изд. 6-е. М.: Высшая школа, 1998.
2. Решетов Д.Н. Детали машин. Учебник для вузов. Изд. 4-е. М.: Машиностроение, 1989.
3. Иосилевич Г.Б. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1988.
4. Орлов П.И. Основы конструирования.-М.: Машиностроение, т.1,т.2, 1988.
5. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для техн.
спец. вузов. 7-е изд., испр. М.: Высш. шк., 2001. 447 с.: ил.
6. Шелофаст В.В. Основы проектирования машин. М.: Изд-во АПМ,2000–472 с.
7. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Расчет допусков размеров. – М.: Машиностроение, 2001.
8. Джонс Д.К. Методы проектирования. –М; Мир, 1986-326 с.
9. Гузенков П.Г. Детали машин. - М.: Высшая школа, 1982.
10. Заблонский К.И. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных специальностей
вузов. Киев.:Вища. школа, 1985. 518 с.
11. Иосилевич Г.Б. Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладная механика
Дополнительно
12. Кудрявцев В.Н. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1980.
13. Кузьмин К.Н. Расчеты деталей машин. - М.: ВШ, 1988.
14. Проников А.С. Надежность машин-М: Машиностроение., 1998 –592 с.
15. Решетов Д.Н. Расчет деталей машин на ЭВМ. Учебное пособие для вузов. Высшая школа, 1985.
16. Ряховский О.А., Иванов С.С. Справ. по муфтам. - Л.: Политехника, 1991.
17. Снесарев Г.А. Конструирование редукторов. Методические рекомендации по технической
механике. Выпуск 6.-М.: Высшая школа, 1982.
18. Чернавский С.А, Снесарев Г.А.и др. Проектирование механических передач: Учебно-справочное
пособие. - М.: Машиностроение,1984.
Детали машин и основы конструирования
5

6.

Рекомендуемая литература
и учебно-методическое обеспечение
Литература по выполнению курсового проекта и расчетно-графических работ
1. Иванов М.Н., Иванов В.Н. Детали машин. Курсовое проектирование. Учеб. пособие для
машиностроит. Вузов. М., «Высшая школа», 1975. [и более поздние издания]
2. Шейнблит А.Е. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие для
техникумов. – М.: Высш. шк., 1991. – 432.: ил.
3. Дунаев П.Ф.. Леликов. О.П. Детали машин. Курсовое проектирование. Учеб. пособие
для вузов. – М.: Машиностроение, 2004 г. – 560 с.
4. Чернавский С.А. Курсовое проектирование деталей машин. – М.: Машиностроение.
Справочная литература
1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Изд. 8-е в 3-х тт. - М.:
Машиностроение,1999.
2. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д.Н. Изд. 5-е в двух частях.
М.: Машиностроение, 1992.
3. Конструкционные материалы: Справочник. Под общ. Редак. Б.Н.Арзамасова.-М:
Машиностроение, 1990. –688 с.
4. Машиностроение. Энциклопедия. М.: Машиностроение, 1995. Детали машин.
Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т. IV-1/Под общ. ред. Д.Н.
Решетова.
5. Электротехнический справочник. Под. Ред. Орлова И.Н. Т2-М: Энергоатомиздат, 1985,
-711 с.
6. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике: Справочное пособие для
инженеров и конструкторов в 5 томах. –М; Наука, 1979 г.
Детали машин и основы конструирования
6

7.

Основные характеристики и требования,
предъявляемые к машинам и механизмам
Любой технический объект описывается характеристиками, по которым его можно
сравнить с другими подобными объектами, а при проектировании и эксплуатации
технического объекта он должен отвечать требованиям, что будет соответствовать
его удовлетворительной работе при его высокой конкурентоспособности.
!
Основные характеристики: назначение и область применения, способ
управления, мощность и производительность, коэффициент полезного
действия, масса, габаритные размеры, стоимость.
Основные требования:
Работоспособность –
Надежность –
Технологичность –
Экономичность – свойство конструкции, обусловленное снижением
затрат на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.
Эргономичность – свойство конструкции, связанное с совершенством и
красотой внешних форм и удобством обслуживания и эксплуатации.
Детали машин и основы конструирования
7

8.

Основные этапы проектирования машин
!
Выполнение указанных требований обеспечивается в ходе проектирования,
изготовления и эксплуатации машин и механизмов.
Проектирование является одним из ключевых этапов разработки машин, в
ходе которой закладываются их будущие параметры качества.
Чаще всего под словом “проектирование” подразумевают
практическую деятельность, направленную на удовлетворение
потребностей людей.
Проектирование включает в себя:
Конструирование –
Детали машин и основы конструирования
8

9.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
Работоспособность и надежность деталей машин характеризуется
определенными критериями:
!
?
!
Расчет по данным критериям должен обеспечивать такие параметры деталей
машин (размеры и материалы) чтобы они могли сохранять свои
эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течении
заданного срока службы и при это иметь минимальную стоимость
изготовления и эксплуатации.
ВАЖНО: Не все критерии равнозначны для различных деталей. При расчетах
выделяют 1-2 наиболее важных критерия, а остальные являются
второстепенными.
Для практического выполнения указанных требований необходимо перейти
от конкретной детали к ее модели. При этом точность определения
характеристик детали существенно зависит от того, насколько адекватно
построенная модель описывает реальную деталь.
Детали машин и основы конструирования
9

10.

Особенности инженерного расчета
!
?
ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ – ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ!
Проектировочный расчет –
Проверочный расчет –
При выполнении инженерных расчетов всегда переходят от реального
объекта к его модели!
Модель –
При построении модели учитывают только наиболее значимые факторы с
точки зрения изучения той или иной характеристики объекта. Учет всех
факторов принципиально невозможен. Для одного и того же объекта может
быть предложено несколько расчетных схем. С другой стороны, одной
расчетной схеме может соответствовать несколько реальных объектов.
Детали машин и основы конструирования
10

11.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
!
Виды изнашивания
1.Механическое изнашивание в основном определяется абразивным
изнашиванием, т.е. изнашивание посторонними твердыми частицами.
Абразивное изнашивание проявляется в виде:
2. Молекулярно-механическое изнашивание (изнашивание при схватывании).
3. Коррозионно-механическое изнашивание
Детали машин и основы конструирования
11

12.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
Тепловой расчет
Q1 Q2
Q1 – выделяемое тепло; Q2 – отводимое тепло.
[тепловыделение за единицу времени должно быть меньше или равно теплоотдаче]
В общем случае
Q1=
Где – мощность источников тепла внутри машины;
рассеивания энергии.
Q2=
,
– коэффициент
где – коэффициент теплоотдачи; – площадь поверхности теплообмена с
окружающей средой; – температура внутри машины; – температура
окружающей среды.
В случае невыполнения условия теплового баланса необходимо вводить
конструкцию элементы для дополнительного охлаждения: увеличивать
площадь теплообмена с помощью ребер охлаждений (конвективный
теплообмен) или введение циркуляционной системы охлаждения с
использованием жидкости.
Для тепловых машин используют более точные методы расчетов полей
температур, рассматриваемых в теории теплопередачи.
Детали машин и основы конструирования
12

13.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
!
?
Надежность (общая) —
НАДЕЖНОСТЬ
Безотказность —
Долговечность —
Ремонтопригодность —
Сохраняемость —
Детали машин и основы конструирования
13

14.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
Отказ –
По виду отказа:
функциональные –
!
?
параметрические –
по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей
(поломка, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение
каналов, ослабление соединений).
отказы бывают полные и частичные:
внезапные (например, поломки);
l
постепенные (изнашивание, коррозия и др.);
постепенные по развитию, но внезапные
по проявлению (усталость);
опасные для жизни человека,
тяжелые и легкие;
устранимые и неустранимые.
по времени возникновения отказы делятся на:
I – приработочные (возникающие в первый
t
период эксплуатации и связанные с отсутствием
приработки и с попаданием в сборку дефектных
III
I
II
элементов);
II – отказы при нормальной эксплуатации (до
График интенсивности отказов
проявления постепенных износовых отказов);
III – износовые отказы.Детали машин и основы конструирования
14

15.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
Основным показателем безотказности является вероятность P(t) безотказной
работы в течение заданного времени или наработки
P(t)=
,
?
!
где – общее число изделий в партии;
– число работающих изделий.
Вероятность отказа
Q(t)=
,
где
– число отказавших изделий.
Основное уравнение теории надежности
P(t)+Q(t)=1.
Средняя наработка до отказа –
t
t
i
N
Интенсивность отказов – отношение числа отказов Nотк за промежуток
времени t к числу работоспособных объектов Nраб
λ= Nотк / t∙Nраб
Вероятность безотказной работы по закону нормального распределения
t
P( t ) e
l ( t )dt
0
Для постепенных отказов справедлив закон распределения, который дает вначале низкую
плотность вероятности отказов, затем максимум и далее падение, связанное с
уменьшением числа элементов, оставшихся работоспособными.
Детали машин и основы конструирования
15

16.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
Надежность системы из n последовательно расположенных элементов.
Pс
?
Надежность системы из n параллельно расположенных элементов.
!
Pс
Система из совокупности параллельно и последовательно
расположенных элементов.
Детали машин и основы конструирования
16

17.

Критерии работоспособности
и расчета деталей машин
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Перечислите критерии работоспособности — перечислите и приведите примеры
конструкций, где тот или иной критерий является главным.
Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам.
Что подразумевает в себе процесс проектирования?
Чем различается деталь и узел машины?
Классификация типовых деталей машин.
Перечислите критерии работоспособности деталей машин и дайте им определения.
Назовите основные физические свойства материала.
Перечислите основные геометрические фигуры, которые используют при упрощенных
моделях деталей машин.
Назовите виды циклов напряжений, которые испытывают большинство деталей машин.
Условие расчета на прочность в общем виде. Понятие номинального и предельного
напряжения.
Коэффициент запаса прочности и методы его определения.
Что такое условие равнопрочности.
Размерность и физический смысл модуля упругости E.
Общий вид расчетов на жесткость.
Что такое изнашивание материала, его виды и в чем заключается его влияние на
работоспособность деталей машин?
Методы борьбы с износом и виды расчетов на износостойкость.
Общий вид расчета на теплостойкость и в чем заключаются вредные последствия
невыполнения данного критерия.
Что такое критическая частота, явление резонанса?
Условие расчета на виброустойчивость в общем виде?
Из курса «Сопротивление материалов» повторить задачи по расчету на прочность и
жесткость при различных видах нагружения (растяжение-сжатие, изгиб, кручение).
Детали машин и основы конструирования
17