Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Лабораторная работа №2

Васильев Д.В.

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ

По выполнению лабораторных и самостоятельных работ студента по дисциплине

«Основы проектирования продукции»

для студентов специальности:

направление: 221700 «Cтандартизация и метрология» 221400.62 «Управление качеством»

И др.

всех форм обучения

Тюмень 2012

Лабораторная работа №1

Основы конструирования

1. Цель работы

- Изучение основных видов конструкций машин.

- Знакомство с классификацией и назначением конструкций машин.

- Знакомство с условными обозначениями конструкций машин в кинематических схемах.

2. Теоретические положения

2.1. Общие сведения

Машины состоят из деталей. Деталью принято называть элемент конструкции, изготовленный из материала одной марки без применения операций сборки.

Число деталей в сложных машинах может достигать десятков и сотен тысяч. Некоторые совокупности совместно работающих деталей объединяются в отдельную конструкцию – сборочную единицу.

Сборочная единица (узел) – совокупность деталей, соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (завинчиванием, сваркой и т.п.) и предназначенных для совместной работы.

Многие детали и узлы различных машин похожи, имеют одинаковые функциональные назначения и применяют почти во всех машинах – их называют деталями общего назначения.

Ниже приведена классификация деталей машин (по назначению).

2.2. Классификация конструкций машин

2.2.1. Соединение конструкций машин

Для выполнения своих функций детали машин соответствующим образом соединяются между собой. При этом детали образуют подвижные (различного рода шарниры, подшипники, зацепления и др.) и неподвижные (болтовые, сварные, шпоночные и др.) соединения. Наличие подвижных соединений в машине обеспечивает относительное перемещение деталей, предусмотренное её кинематической схемой, таким образом, взаимное положение между соединяемыми деталями может изменяться во время работы. При неподвижных соединениях взаимное расположение соединяемых деталей и узлов остается неизменным. Неподвижные соединения позволяют расчленить машину на узлы и детали для того, чтобы упростить производство, облегчить сборку, ремонт, транспортировку и т.п.

Детали соединений образуют наиболее распространенную группу деталей машин; работоспособностью соединений, как показывает практика, определяется надежность конструкции в целом. В машиностроении термин "соединение" принято относить только к неподвижным соединениям деталей машин.

По форме сопрягаемых поверхностей различают плоское, цилиндрическое, коническое, сферическое, винтовое соединения.

Соединения по признаку возможности разборки делят на разъемные и неразъемные.

2.2.1.1. Разъемные соединения разбираются без разрушения деталей. К этому типу относятся резьбовые, шпоночные, штифтовые, зубчатые (шлицевые) и др. соединения.

Рис.1. Резьбовые соединения

Резьбовыми называют такие соединения (рисунок 1), в которых сопряженные детали соединяются с помощью резьбы или резьбовых крепежных деталей (болты, обычные и специальные гайки, винты, шпильки и др.)

Болт 1 представляет собой стержень с резьбой для гайки на одном конце и головкой на другом (рисунок 1, а). За головку болт вращают или, наоборот, удерживают от вращения при соединении деталей. Между гайкой 2 и соединяемыми деталями, как показано на рисунке 1, ставят шайбу 3.

Шайба – диск с отверстием, подкладывается под гайку или, головку болта для увеличения опорной поверхности. Это позволяет предотвратить повреждение детали вращающейся гайкой.

Винт 4 – это стержень обычно с головкой на одном конце и резьбой на другом конце, которым он ввинчивается в резьбовое отверстие одной из соединяемых деталей (рисунок 1, б).

Шпилька 5 представляет собой стержень, имеющий резьбу с обоих концов. При соединении шпилькой её ввёртывают в одну из скрепляемых деталей, а на другой конец шпильки навинчивают гайку (рисунок 1, в).

Гайка 2 – это деталь с резьбовым отверстием, навинчиваемая на болт (рисунок 1, а) или на шпильку (рисунок 1, в) и служащая для замыкания скрепляемых с помощью болта или шпильки деталей соединения.

Соединение болтом применяют для деталей сравнительно малой толщины, а также при многократной разборке и сборке соединений. Возможны варианты установки болтов с зазором (рисунок 1, а) и без зазора (рисунок 1, г) между болтом и соединяемыми деталями. При большой толщине соединяемых деталей предпочтительны соединения с помощью шпилек. Из всех видов соединений, применяемых в машиностроении, резьбовые – самые распространенные. До 60% деталей имеют резьбу, так как они наиболее надежны и удобны для сборки и разборки, имеют небольшие габариты и возможность фиксированного зажима в любом положении, просты в изготовлении.

В нашей стране и за рубежом существуют стандарты на наиболее распространенные виды резьбовых крепежных деталей.

Шпоночным называют соединение зацеплением с помощью шпонки двух соосных цилиндрических (конических) деталей (рисунок 2, 3, 4). Шпонкой 1 называют деталь в виде призматического (рисунок 2, б, в), круглого (рисунок 2, г) или клинового (рисунок 3) стержня, устанавливаемого в пазах вала и ступицы и препятствующего относительному повороту или сдвигу этих деталей. Шпонки преимущественно применяют для взаимного соединения и передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот.

Рис.2. Шпоночные соединения

Шпоночные соединения делятся на две группы: ненапряженные и напряженные. Ненапряженные соединения осуществляются призматическими и сегментными шпонками (рисунок 2, б, в), которые не вызывают деформации ступицы и вала при сборке. Напряженные соединения осуществляются клиновыми (рисунок 3) и круглыми шпонками (штифтами рисунок 2, г), устанавливаемыми с натягом и вызывающими деформацию вала и ступицы при сборке. Применяют также штифты для точной ориентации одной детали относительно другой (рисунок 4).

Шпонки этих типов регламентированы, их размеры выбирают по стандартам.

Рис.3. Клиновые шпонки Рис.4. Штифты

Достоинства этих соединений состоят в простоте конструкции, невысокой стоимости изготовления, удобстве сборки и разборки. Однако канавки для шпонок существенно снижают прочность вала, так как создают значительную концентрацию напряжений.

Зубчатое (шлицевое) соединение условно можно рассматривать как многошпоночное, у которого шпонки, называемые шлицами (зубьями), выполнены как одно целое с валом 1 и они входят в соответствующие пазы ступицы 2 детали (рисунок 5, а). В шлицевом соединении профиль сечения зубьев имеет прямоугольную, эвольвентную или треугольную форму (рисунок 5, б). Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными имеют некоторые преимущества: возможность передачи больших вращающих моментов в связи с большей поверхностью контакта соединяемых деталей, лучшее центрирование ступицы на валу, удобство сборки и разборки, большая усталостная прочность вала.

Недостаток шлицевых соединений – высокая трудоемкость и стоимость их изготовления.

Все размеры зубчатых (шлицевых) соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Рис.5. Шлицевые соединения

2.2.1.2. Неразъемные соединения – это соединения, при разборке которых элементы, связывающие их, разрушаются, и тем самым становятся непригодны для дальнейшей работы. К соединениям такого типа относятся: заклепочные, сварные, прессовые, клеевые и др.

Заклёпки представляют собой сплошной или полый цилиндрический стержень (рисунок 6). Заклепочные соединения образуются постановкой заклепок в совмещенные отверстия соединяемых деталей и последующей расклепкой их. Геометрические размеры заклепок стандартизованы. Основные типы заклепок, различаемых по форме головок, изображены на рисунке 6; а – с полукруглой головкой; б – с потайной; в – с полупотайной; г – трубчатая.

Рис.6. Типы заклепок

Заклёпочные соединения применяют для изделий из листового, полосового материала или профильного проката при небольшой толщине соединяемых деталей; для скрепления деталей из разных материалов; деталей из материалов, не допускающих нагрева или несвариваемых; в конструкциях, работающих в условиях ударных или вибрационных нагрузок (авиация, водный транспорт, металлоконструкции мостов и т.д.). Заклёпочные соединения вытесняются более экономичными и технологичными сварными и клеевыми соединениями, так как отверстия под заклёпки ослабляют сечения деталей на 10 – 20%, а трудоёмкость изготовления и масса клёпаной конструкции обычно больше.

Заклёпки изготавливают из низкоуглеродистых сталей, цветных металлов или их сплавов. При выборе материалов желательно, чтобы коэффициенты линейного расширения заклёпок и соединяемых деталей были примерно равными.

Сварные соединения – это неразъемные соединения (рисунок 7, а), основанные на использовании сил молекулярного сцепления между частями свариваемых деталей при их нагревании или пластическом деформировании. Сварные соединения являются наиболее совершенными неразъемными соединениями, так как лучше других приближают составные детали к целым и позволяют изготовлять детали неограниченных размеров. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла. Освоена сварка всех конструкционных сталей, цветных сплавов и пластмасс. Замена клепаных конструкций сварными уменьшает их массу до 25%, а замена литых конструкций сварными экономит до 30% и более металла. Высокая производительность сварочного процесса и хорошее качество соединений обеспечили широкое распространение сварки в технике. Основные недостатки: наличие остаточных напряжений из-за неоднородности нагрева и охлаждения; возможность коробления деталей при сваривании; возможность существования скрытых (невидимых) дефектов (трещин, непроваров), снижающих прочность соединений.

В зависимости от расположения соединяемых частей различают следующие виды сварных соединений: угловые (рисунок 7, б), тавровые (рисунок 7, в), стыковые (рисунок 7, г), нахлесточные (рисунок 7, д).

Условные изображения и обозначения швов сварных соединений стандартизованы.

Рис.7. Сварные соединения

2.2.2. Передачи вращательного движения

Механические устройства, применяемые для передачи энергии от её источника к потребителю, обычно, с изменением угловой скорости или вида движения, называют механическими передачами. В технике наиболее распространено вращательное движение, поэтому передачи для преобразования этого движения применяются весьма широко. Преобразование скорости вращательного движения сопровождается изменением вращающего момента.

Механические передачи по физическим условиям передачи движения различают:

передачи на основе зацепления (зубчатые, рисунок 8, б; червячные, рисунок 8, в; цепные, рисунок 8, д; винт-гайка, рисунок 8, е; зубчато-ременные, рисунок 12, е);

передачи трением, передающие энергию за счет трения, вызываемого прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи, рисунок 8, а) или начальным натяжением ремня (ременные передачи, рисунок 8, г).

Рис.8. Механические передачи

В зубчатых передачах усилие от одного элемента сцепляющейся пары к другому передается посредством зубьев, последовательно вступающих в зацепление. Зубчатая передача состоит из двух колес или колеса и рейки с зубьями. Зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называют шестерней, с большим числом зубьев – колесом (рисунок 8, б). Термин “зубчатое колесо” является общим.

Зубчатые передачи (рисунок 9) можно классифицировать по многим признакам, например: по расположению осей валов (с параллельными, пересекающимися, скрещивающимися осями, соосные); по условиям работы (закрытые – работающие в масляной ванне и открытые – работающие всухую или смазываемые периодически); по числу ступеней (одноступенчатые, многоступенчатые); по взаимному расположению колес (с внешним и внутренним зацеплением); по изменению частоты вращения валов (понижающие – редукторы, повышающие – мультипликаторы); по форме поверхности, на которой нарезаны зубья (цилиндрические, конические); по окружной скорости колес (тихоходные – при скорости до 3 м/с, среднескоростные – при скорости до 15 м/с, быстроходные - при скорости выше 15 м/с); по расположению зубьев относительно образующей колеса (прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейными зубьями); по форме профиля зуба (эвольвентные, круговые, циклоидальные); по характеру движения валов (неподвижные и подвижные оси – планетарные передачи).

Для преобразования вращательного движения в поступательное служат: передача винт-гайка и разновидность зубчатой – реечная передача (рисунок 9, д). Рейка представляет собой колесо бесконечно большого диаметра.

Рис.9. Зубчатые передачи

Открытые зубчатые передачи применяются редко, только в закрытых, относительно чистых помещениях, или же при небольших скоростях. Наибольшее распространение нашли зубчатые передачи, закрытые в корпусе – редукторы (сравните англ. reduce – уменьшать, сокращать); т.е. понизители скорости.

Основными преимуществами зубчатых передач в сравнении с другими видами механических передач являются: малые габариты, высокий кпд, большая долговечность и надежность, постоянство передаточного отношения, возможность применения в широком диапазоне скоростей, моментов, мощностей.

Недостатки: повышенные требования к точности изготовления и монтажа, шум при больших скоростях.

Планетарной называется передача, имеющая колеса с перемещающимися геометрическими осями. Простейшая планетарная зубчатая передача (рисунок 10) состоит из центрального вращающегося колеса 1 с неподвижной геометрической осью; сателлитов 2, оси которых перемещаются; неподвижного колеса 3 с внутренними зубьями; вращающегося водила 4, на котором установлены сателлиты.

Рис.10. Планетарная передача

Ведущим в планетарной передаче может быть либо центральное колесо, либо водило.

Достоинства: малая масса и габариты конструкции, возможность получения больших передаточных чисел (до 1000 и более), а также способность распределять мощность на несколько потоков. Недостатки: повышенные требования к точности изготовления и сборки конструкции, а также сравнительно низкий к.п.д. Планетарные передачи широко применяют в машиностроении и приборостроении.

Червячная передача относится к зубчато-винтовым передачам (рисунок 11). Винтом является червяк, а зубчатым колесом – червячное колесо. Преимущество червячной передачи перед винтовой зубчатой проявляется в том, что начальный контакт звеньев происходит по линии, а не в точке. Червячная передача относится к передачам с перекрещивающимися осями валов. Угол перекрещивания обычно равен 90°. Зубья червячного колеса имеют дуговую форму. Это способствует большему охвату червяка и увеличению, соответственно, линии контакта.

Различают два основных типа червячных передач: цилиндрические червячные передачи (цилиндрический червяк) (рисунок 11, а) и глобоидные червячные передачи (глобоидный червяк) (рисунок 11, б).

Рис.11. Червячные передачи

Глобоидный червяк имеет большую поверхность контакта с зубьями червячного колеса, т.к. число зубьев колеса и витков червяка, находящихся в зацеплении, больше по сравнению с цилиндрическим червяком, то и несущая способность ее значительно выше (в 1,5… 4 раза). Однако глобоидные червячные передачи требуют повышенной точности изготовления и монтажа.

Ведущим звеном червячной передачи в большинстве случаев является червяк, ведомым – червячное колесо.

Червячные передачи широко применяют в приборостроении, подъемно-транспортном оборудовании, транспортных машинах, также в металлорежущих станках.

К основным преимуществам червячных передач можно отнести: компактность конструкции, бесшумность и плавность работы, возможность получения очень большого передаточного числа в одной сцепляющейся паре (до 1000).

К недостаткам большинства червячных передач относится: повышенная стоимость, большие потери на трение и соответственно низкий кпд, необходимость использования дорогостоящих антифрикционных цветных металлов.

Цепной называют передачу зацеплением с помощью цепи. На ведущем и ведомом валах передачи устанавливаются звездочки (рисунок 8, д), которые огибаются гибкой связью – цепью.

Цепные передачи широко применяются в приводах роботов, транспортных и сельскохозяйственных машин, различных станков, где возникает необходимость осуществления передачи между параллельными валами при сравнительно большом расстоянии между ними (до 8м), а также приводить в движение одной цепью несколько валов. Цепная передача компактнее ременной, может работать при больших нагрузках без проскальзывания. В ней меньше нагруженность валов, так как предварительное натяжение цепи незначительно. Цепная передача имеет высокий кпд (до 0,98).

К недостаткам можно отнести: сравнительно быстрое изнашивание шарниров и, как следствие, удлинение цепи, приводящее к нарушению зацепления; повышенные вибрации и шум при работе.

Передачей винт-гайка называется механическая передача, состоящая из винта и гайки (рисунок 8, е) и предназначенная для преобразования вращательного движения в поступательное или наоборот. В зависимости от назначения винты этих передач делят на ходовые (винты металлорежущих станков, приборов) и грузовые (винты домкратов, прессов). Широкое применение таких передач в современных машинах определяется тем, что при простой и компактной конструкции удается осуществить медленные и точные перемещения. Также к достоинствам можно отнести большую нагрузочную способность, плавность и бесшумность работы. Недостатки заключаются в значительном трении в резьбовой паре, вызывающем повышенный её износ и сравнительно низкий КПД (около 0,7).

Ременная передача состоит из двух шкивов и охватывающего их ремня (рисунок 12, а). Вращение ведущего шкива 1 преобразуется во вращение ведомого 2, благодаря трению между ремнем 3 и шкивами. Трение обычно обеспечивается предварительным натяжением ремня за счет регулирования межосевого расстояния.

В зависимости от профиля сечения ремня различают плоскоременную (рисунок 12, б), клиноременную (рисунок 12, в), поликлиноременную (рисунок 12, г), круглоременную (рисунок 12, д) передачи. Разновидностью ременной передачи является зубчатоременная (рисунок 12, е), передающая усилие за счет зацепления ремня со шкивами. Зубчатые ремни (рисунок 12, е) имеют тянущий элемент в виде металлического троса, находящегося в резиновой или пластмассовой основе. Для повышения износостойкости зубья покрывают нейлоновой или другой тканью.

Рис.12. Ременные передачи

В настоящее время ременная передача применяется почти во всех отраслях машиностроения. Она используется там, где валы расположены на значительном расстоянии друг от друга или высокие скорости не позволяют применить другие виды передач. Мощность современных передач не превышает 50 кВт.

Основные преимущества ременных передач: плавность, бесшумность, малая стоимость, возможность передачи движения на большие расстояния.

К недостаткам относятся: значительные габариты, необходимость постоянного натяжения ремней и малая их долговечность, большие нагрузки на валы.

Фрикционная передача состоит из двух соприкасающихся между собой тел вращения, где вращение одного преобразуется во вращение другого за счет сил трения. Необходимая сила трения возникает за счет прижимающей силы (рисунок 8, а).

Фрикционные передачи применяются редко. Их область применения ограничена кинематическими цепями приборов, где требуется плавность движения, бесшумность, простота конструкции.

К недостаткам этих передач относится: сравнительно низкий КПД (0,8… 0,9), неравномерный износ тел качения, большие нагрузки на валы, необходимость применения специальных прижимных устройств.

2.2.3. Детали, обеспечивающие вращательное движение

2.2.3.1 Валы и оси

Валы – детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей. Валы вращаются на подшипниках. Кроме крутящих моментов, валы подвержены действию изгибающих моментов и поперечных сил. По форме геометрической оси валы бывают прямые (рисунок 13, а, б), коленчатые (рисунок 13, в) и гибкие (рисунок 13, г). Простейшие прямые валы имеют форму тел вращения. На рисунке 13 показаны гладкий (а) и ступенчатый (б) прямые валы. Ступенчатые валы являются наиболее распространенными. Изготовление ступеней на валу связано с закреплением деталей в осевом положении или с возможностью монтажа. Для уменьшения массы или для размещения внутри других деталей валы иногда делают с каналом по оси; в отличии от сплошных такие валы называют полыми. Однако они дороже сплошных из-за технологической сложности изготовления, поэтому они применяются ограниченно.

Рис.13. Валы

Оси – детали, которые служат для поддержания вращающихся деталей и не передают крутящий момент. Оси могут быть вращающиеся и неподвижные (рисунок 14). Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава (рисунок 14, б), примером невращающихся – оси блоков грузоподъемных машин (рисунок 14, а), оси передних колес автомобиля.

Рис.14. Оси

Из определений видно, что при работе валы всегда вращаются и испытывают деформации кручения или изгиба и кручения, а оси – только деформацию изгиба.

Оси и валы в основном изготавливают из углеродистых и легированных конструкционных сталей, т.к. они отличаются высокой прочностью и хорошей обрабатываемостью на станках.

Тяжелонагруженые валы сложной формы изготавливают из модифицированного или высокопрочного чугуна.

2.2.3.2 Опоры валов и осей

Устройства, предназначенные для поддержания движущихся деталей и обеспечения определенного вида движения деталей, называют направляющими.

Направляющие для вращательного движения называют опорами. Понятие “опора” охватывает два звена – цапфу и подшипник. Цапфой называют часть вала или оси, опирающуюся на подшипник.

Точность и надежность работы механизмов и машин во многом зависит от качества опор.

Подшипники – устройства, поддерживающие валы и оси, - воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус. Кроме того, подшипник обеспечивает фиксацию вала в определенном положении. Помимо валов и осей подшипники могут поддерживать детали, вращающиеся вокруг осей или валов, например, шкивы, шестерни и т.п.

По виду трения подшипники делят на подшипники скольжения и качения.

В подшипниках скольжения опорный участок вала (цапфа) скользит по поверхности подшипника (рисунок 15).

Рис.15. Подшипники скольжения

Подшипники скольжения появились значительно раньше опор качения – при создании простейших машин. В современном машиностроении подшипники скольжения используют только там, где применение их является предпочтительным. Например, для подшипников особо тяжелых валов (для которых подшипники качения не изготовляют), если необходимо иметь разъемные подшипники (для коленчатых валов) и т.п.

Подшипники скольжения (см. рисунок 15) состоят из двух основных элементов: корпуса 1 и вкладыша 2. Вкладыш, являющийся рабочим элементом, выполняется из антифрикционного материала (бронза, латунь, баббит, специальный чугун, пластмасса). Он находится в непосредственном соприкосновении с цапфой вала и воспринимает от неё нагрузки. Корпус, который может быть разъемным и неразъемным, предназначен для размещения вкладыша и восприятия нагрузок.

Достоинства подшипников скольжения – незначительные размеры в радиальном направлении; простота устройства, изготовления и монтажа; низкая стоимость; малая чувствительность к ударам и толчкам; бесшумность работы. К недостаткам следует отнести: значительные потери на трение, сложность системы смазки, высокие требования к смазке.

В современном машиностроении чаще используют подшипники качения. В них трение скольжения заменяется трением качения посредством установки тел качения между опорными поверхностями подшипника и вала.

Подшипник качения (рисунок 16) – это готовый узел, который в большинстве случаев состоит из наружного 1 и внутреннего 3 колец с углублениями – дорожками качения А, тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4, направляющего и удерживающего тела качения. В некоторых типах подшипников для уменьшения габаритов одно или оба кольца отсутствуют, а иногда отсутствует сепаратор (игольчатые).

Рис.16. Подшипник качения

Достоинства подшипников качения: малые потери на трение и незначительный нагрев, малый расход смазки, небольшие габариты в осевом направлении, невысокая стоимость (массовое производство) и высокая степень взаимозаменяемости. К недостаткам опор качения можно отнести увеличенные габариты в радиальном направлении, чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, некоторый шум в работе и сложность монтажа.

Все подшипники качения стандартизованы и в массовых количествах выпускаются специализированными заводами.

2.2.3.3 Муфты механические

Муфтами называют устройства, предназначенные для соединения валов или других вращающихся деталей в целях передачи вращающего момента без изменения его значения и направления. Потребность в соединении валов связана с тем, что большинство машин компонуют из узлов (сборочных единиц) и механизмов с входными и выходными валами, кинематическая и силовая связь между которыми выполняется с помощью муфт. Как правило, валы, соединяемые муфтой, расположены соосно, реже – под некоторым углом (карданные).

Соединение валов, с целью передачи вращающего момента – основное назначение муфты. Однако обычно муфты выполняют одну или несколько дополнительных функций: обеспечивают включение и выключение исполнительного механизма машины при работающем двигателе (управляемые сцепные); предохраняют машину от аварий при перегрузках (предохранительные); уменьшают динамические нагрузки, поглощают толчки и вибрации соединяемых валов и передач (упругие); компенсируют монтажные неточности и деформации геометрических осей валов (компенсирующие). Нерасщепляемые (глухие) муфты используют для соединения отдельных частей длинных (составных) валов, в этом случае вал работает как целый.

В общем случае муфта (рисунок 17) состоит из ведущей 1 и ведомой 2 полумуфт и соединительных элементов 3. В качестве соединительного элемента используют твердые (жесткие или упругие) тела.

Большинство муфт, применяемых в машиностроении, стандартизовано или нормализовано.

Рис.17. Муфта

3. Описание объекта исследования, приборов и оборудования

Для проведения лабораторной работы используются реальные объекты: детали машин и сборочные единицы (болты, гайки, шпонки, подшипники, редукторы и т.д.), макеты передач.

4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов

Студенты, под руководством и при непосредственном участии преподавателя, знакомятся с деталями машин общего назначения согласно классификации. Используя при этом натурные образцы, макеты, лабораторные установки и плакаты. Преподаватель выдает студенту какую-либо деталь для эскизирования, при необходимости мерительный инструмент.

5. Содержание и оформление отчета

5.1 Титульный лист.

5.2 Цель работы.

5.3 Описание, составленное по данному методическому руководству, в котором надо представить названия, характеристики, назначение, рисунки деталей, соединений и схемы передач в соответствии с условными обозначениями по ГОСТ 2.770-68, приведенные в приложении А.

5.4 Эскиз детали или сборочной единицы, по усмотрению преподавателя.

6. Вопросы для самоконтроля

1. В чем отличие детали от сборочной единицы?

2. Какие типы соединений используют в машиностроении?

3. Какие соединения относят к разъемным (неразъемным)?

4. Какие детали используются в резьбовых соединениях и их назначение?

5. Каковы достоинства резьбовых соединений?

6. Какие соединения используют для передачи вращающего момента?

7. Какие виды шпонок Вы знаете?

8. Каковы достоинства и недостатки шпоночных соединений?

9. Какой профиль могут иметь зубья шлицевого соединения?

10. Почему некоторые виды соединений называют неразъемными?

11. Какими достоинствами обладают заклепочные соединения?

12. Каковы преимущества и недостатки сварных соединений?

13. Каковы основные виды сварных соединений?

14. Какое устройство называют механической передачей?

15. За счет чего передаётся движение в механических передачах?

16. Как называются детали зубчатых передач?

17. Какие передачи используют для преобразования параметров движения между параллельными валами (непараллельными валами)?

18. В чём заключается особенности работы планетарной передачи и её преимущества и недостатки?

19. Какими достоинствами обладают зубчатые передачи?

20. Каковы достоинства червячных передач?

21. Какие передачи используют гибкую связь?

22. Какие разновидности ременных передач существуют?

23. В чем заключаются преимущества ременных передач перед цепными?

24. Какие передачи за счет сил трения Вы знаете?

25. Для чего предназначены валы и оси, и в чем их отличие?

26. Каким силовым воздействиям подвержены валы, а каким оси?

27. Какие виды валов бывают в зависимости от формы геометрической оси?

28. Что называют опорой, а что представляет собой подшипник?

29. Из каких деталей состоит подшипник скольжения?

30. Каковы достоинства подшипников скольжения?

31. Из каких деталей состоят подшипники качения?

32. Почему подшипник скольжения используются реже подшипников качения?

33. Чем принципиально отличаются подшипники скольжения от подшипников качения?

34. Из каких элементов состоит механическая муфта?

35. С какой целью используют механические муфты?

Приложение А (справочное)

Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики (ГОСТ 2.770-68)

Двигатель     Вал, ось     Неподвижное соединение детали с валом, осью   Подшипники скольжения и качения на валу (без уточнения типа): - радиальный - упорный     Муфта. Общее обозначение без уточнения типа     Передача ремнем без уточнения типа ремня     Передача плоским ремнем   Передача клиновидным ремнем     Передача зубчатым ремнем     Передача цепью общее обозначение без уточнения типа цепи     Фрикционная передача с цилиндрическими роликами

Передачи зубчатые (цилиндрические) внешнее зацепление (общее обозначение без уточнения типа зубьев)   то же, с прямыми, косыми и шевронными зубьями   то же, внутреннее зацепление     Передачи зубчатые с пересекающимися валами и конические общее обозначение без уточнения типа зубьев   то же, с прямыми, спиральными и круговыми зубьями     Передачи червячные с цилиндрическим червяком

Лабораторная работа №2

Изучение шпоночных и зубчатых (шлицевых) соединений

1. Цель работы

- Выяснить назначение шпоночных и шлицевых соединений.

- Ознакомиться с конструкциями изучаемых соединений.

- Определить параметры изучаемых соединений.

- Определить нагрузочную способность шпоночных и шлицевых соединений.

2. Теоретические положения

2.1. Описание конструкций шпоночных соединений

Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу этих деталей. Шпонки применяют преимущественно для передачи крутящего момента от вала к ступице и наоборот.

Шпоночные соединения разделяют на две группы: ненапряженные, осуществляемые призматическими или сегментными шпонками, и напряженные – клиновыми шпонками.

Призматические могут быть трех исполнений (рис. 1).

Исполнение А Исполнение В Исполнение С

Рис. 1

Обычно в соединении ставят одну шпонку. При большой напряженности можно ставить две шпонки, устанавливаемые под углом 120 или 180. Конструкции шпоночных соединений показаны на рис. 2

Призматические шпонки по назначению разделяются на простые, предназначенные только для передачи крутящего момента (рис.2), а также направляющие и скользящие, служащие дополнительно для направления при осевом перемещении детали вдоль вала. Конструкция направляющей шпонки представлена на рис.3. Направляющие шпонки дополнительно притягивают к валу винтами. Скользящие шпонки перемещаются вместе со ступицей вдоль вала. Их применяют при больших перемещениях. Эти шпонки имеют цилиндрические выступы – головки, которые входят в соответствующие отверстия в ступицах. Вид скользящей шпонки показан на рис.4.

Рис. 2

Рис.3 Рис.4

Рис.5

Шпонки всех основных видов стандартизованы и их размеры выбирают по ГОСТам в зависимости от диаметра вала d. Стандартными является сечение шпонки b x h.

Длина шпонки l определяется обычно длиной ступицы l_ст:

Основным расчетом для призматических шпонок является условный расчет на смятие в предложении равномерного распределения давления по поверхности контакта, боковых граней с валом и для простоты расчета полагают, что плечо сил, действующих на шпонку, равно 0,6d. Тогда условие прочности шпонки на смятие (рис. 5):

, МПа

где k= 0,4h – глубина врезания шпонки в ступицу, d – диаметр вала (мм), Т – крутящий момент на валу (Нм), – допускаемое напряжение смятия материала шпонки.

, Нм (1)

Вторым видом ненапряженных шпонок являются сегментные шпонки (рис.6), которые характеризуются двумя основными параметрами: шириной b и диаметром заготовки d₁.

Рис. 6

Ширина и глубина врезания в ступицу выбираются примерно такими же, как и призматических:

, Нм

где k=h–t

Обозначение сегментной шпонки:

Шпонка Сегм. 6 х 10 ГОСТ8795 – 68

Шпоночные соединения просты по конструкции и надежны, но они ослабляют вал и являются концентраторами напряжений. Недостатком призматических шпонок являются также трудность обеспечения их взаимозаменяемости, т.е. необходимость ручной пригонки или подбора. Сегментные шпонки более технологичны, чем призматические, и положение их на валу более устойчиво. Однако, они требуют более глубокой канавки на валу, и сборка соединения с сегментной шпонкой сложнее, чем с призматической.

Существует еще целый ряд ненапряженных шпонок: шестигранные, цилиндрические и торцевые.

2.2. Описание конструкции зубчатых (шлицевых) соединений

Зубчатые соединения вал – ступица представляют собой соединения, образуемые выступами – зубьями на валу, входящими во впадины соответствующей формы в ступице. Эти соединения можно представить как многошпоночные, у которых шпонки выполнены за одно целое с валом.

Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными имеют:

а) большую несущую способность;

б) большую усталостную прочность вала;

в) лучшее центрирование деталей на валу и лучшее направление при перемещении детали вдоль вала.

Зубчатые соединения применяются в качестве подвижных и неподвижных.

В зависимости от формы сечения зубьев различают три вида соединений:

1) Прямобочные, имеющие на валу зубья постоянной толщины.

2) Эвольвентные, с профилем зубьев очерченым эвольвентой.

3) Треугольные, с сечением зуба в форме треугольника.

Прямобочные соединения в зависимости от нагрузочной способности трех серий: легкой, средней и тяжелой. Кроме того, эти соединения различают по системе центрирования ступицы на валу: по боковым граням (рис. 7,а), по наружному диаметру (рис.7,б), по внутреннему диаметру (рис. 7,в).

Рис. 7

Центрирование по боковым граням применяется при передаче больших крутящих моментов, когда не требуется высокой точности центрирования ступицы и вала. В таком случае возможно перемещение вала в ступице на величину зазоров, но распределение нагрузки между зубьями оказывается наиболее равномерным.

В конструкциях, требующих строго соосного расположения ступицы и вала применяют центрирование по наружному диаметру. Вид центрирования определяется технологическими условиями – способом получения зубьев на валу и впадин в ступице. По внутреннему диаметру можно обеспечить более высокие точности центрирования.

Обозначение шлицевого соединения: Д8 х 36 х 40, где первая цифра обозначает число зубьев, вторая – диаметр окружности впадин, третья – диаметр окружности выступов. Буква перед цифрами обозначает способ центрирования (в примере – центрирование по наружному диаметру). Другие способы:

b 8 х 36 х 40 то же с центрированием по боковым граням,

d 8 х 36 х 40 – с центрированием по внутреннему диаметру. После обозначения шлицевого соединения необходимо указать соответствующие поля допусков (по центрирующей поверхности и по боковым сторонам зубьев).

Например:

В эвольвентном зубчатом соединении профили зубьев такие же, как у зубчатых колес. Поскольку в шлицевом соединении перекатывания нет, высота зубьев уменьшена до 0,9 … 1 модуля и угол профиля рейки увеличен до 30. Эвольвентные соединения обладают повышенной прочностью из – за большого числа зубьев и меньшей концентрации напряжений, связанной с закруглением профиля у основания зуба. Эти соединения перспективны, их применение ограничивается сложностью изготовления протяжек, с помощью которых нарезаются шлицы в ступицах.

Центрирование обычно осуществляется по боковым поверхностям, реже по наружному диаметру.

Соединения треугольного профиля применяют обычно в качестве неподвижных при стесненных радиальных габаритах. Центрирование в них осуществляется по боковым граням. Основными геометрическими параметрами являются числа зубьев, модули и угол впадин.

Зубчатые соединения выходят из строя из-за повреждения рабочих поверхностей: износа, смятия, заедания. В качестве расчетного критерия работоспособности принимается смятие боковых поверхностей шлицев:

, Нм (2)

где z – число зубьев;

h – высота поверхности контакта зубьев (мм);

d_ср – средний диаметр поверхности контакта зубьев (мм);

- коэффициент, учитывающий неравномерную работу зубьев, обычно принимается равный 0,75;

l - длина поверхности контакта зубьев (мм);

Т – передаваемый крутящий момент (Нм).

Для зубьев прямоугольного профиля

(3)

где f - высота фаски.

Для зубьев эвольвентного профиля

h=m; d_ср=mz; (4)

Для зубьев треугольного профиля

(5)

В ответственных случаях, когда требуется плавность работы, большой срок службы, отсутствие зазоров, малые усилия перемещения применяют шариковые шлицевые соединения, в которых трение скольжения при осевых перемещениях заменено трением качения.

3. Методика проведения испытаний и обработка результатов

3.1. Исследование шпоночных соединений

Ознакомимся на макетах со шпоночными соединениями. С помощью штангенциркуля замерить ширину шпонки первого исполнения и ширину паза второго исполнения. Определить размеры стандартного сечения, соответствующего полученным данным, для чего воспользоваться таблицей 1.

Таблица 1

Измерить длину шпонок l. После этого оценить нагрузочную способность обоих шпоночных соединений, т.е. определить наибольший крутящий момент Т, который может быть передан данным соединением по формуле (1).

Размер длины шпонки l брать из ряда: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100.

Величину допускаемых напряжений смятия МПа, выбирать в зависимости от режима работы (по указанию преподавателя) из таблицы 2.

Таблица 2

Зарисовать виды шпонок (всех трех исполнений) и соединений, получаемых при помощи этих шпонок.

Ознакомиться с направляющей шпонкой, ее конструкцией и назначением. Определить размеры шпонки, сопоставить со стандартом. Оценить нагрузочную способность по формуле (1). Дать эскиз шпоночного соединения с направляющей шпонкой. Записать стандартные обозначения шпонок.

Примеры:

Шпонка А – 18 х 11 х 100 СТ СЭВ 189 – 75 – исполнение А;

Шпонка В – 18 х 11 х 100 СТ СЭВ 189 – 75 – исполнение В.

3.2. Исследование шлицевых соединений

Ознакомиться со шлицевыми соединениями, представленными для выполнения лабораторной работы. Определить вид соединений – прямобочное, эвольвентное, треугольное.

Отобрать прямобочные соединения. Провести подсчет числа зубьев, измерить наружные диаметры, данные занести в таблицу.

По таблице 3 определить серию соединения.

Таблица 3

Используя внешний осмотр соединений, определить виды центрирования. Дать эскизы шлицевых валов и соединений. Дать эскизы всех видов центрирования. Оценить удельную нагрузочную способность всех исследуемых соединений с использованием формул (2-3). Удельная нагрузочная способность определяется для единицы длины шлицевого соединения, т.е. при l = 10 мм.

Величины допускаемых напряжений смятия МПа выбрать из таблицы 4. Режим работы указывает преподаватель.

Таблица 4

Найти шлицевой вал для эвольвентного соединения. Произвести измерение числа зубьев, наружного и внутреннего диаметров. Определить модуль, согласовать со стандартным рядом модулей: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 5.

Дать эскиз шлицевого вала с эвольвентным профилем зубьев, здесь модули выбирать из ряда:

0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5.

Нагрузочная способность определяется по формулам (2) и (5).

3.3. Ход выполнения работы

1. Ознакомиться со шпоночными соединениями.

2. Провести измерения ширины и длины шпонок.

3. Определить стандартные размеры шпонок.

4. Изобразить эскизы шпонок трех исполнений.

5. Изобразить эскизы шпоночных соединений трех исполнений.

6. Оценить нагрузочную способность двух шпоночных соединений.

7. Ознакомиться с зубчатыми соединениями.

8. Произвести измерения прямобочных шлицевых валов и соединений.

9. Определить вид центрирования.

10. Изобразить эскизы исследуемых шлицевых валов и соединений.

11. Изобразить эскизы видов центрирования прямобочных шлицевых соединений.

12. Оценить нагрузочную способность (на единицу длины соединения) исследуемых зубчатых валов.

13. Произвести измерения зубчатого вала с эвольвентным профилем (число зубьев, диаметры окружностей выступов и впадин). Определить модуль.

14. Изобразить эскиз шлицевого вала с эвольвентным профилем.

15. Оценить нагрузочную способность вала с эвольвентным профилем (на единицу длины).

4. Содержание и оформление отчета

4.1 Титульный лист.

4.2 Цель работы.

4.3. Изучение шпоночных соединений.

4.3.1. Результаты измерений и вычислений (табл. 5)

Таблица 5

4.3.2. Эскизы шпонок трех исполнений.

4.3.3. Шпоночное соединение трех исполнений.

4.3.4. Оценка нагрузочной способности шпоночных соединений (расчетные формулы и вычисления).

4.4. Изучение зубчатых (шлицевых) соединений.

4.4.1. Результаты измерений и вычислений (табл. 6)

Таблица 6

Примечание: если периметр не измеряется и не вычисляется – в таблице ставить прочерк.

4.4.2. Эскизы шлицевых валов и соединений.

4.4.3. Эскизы видов центрирования.

4.4.4. Оценка нагрузочной способности шлицевых соединений (расчетные формулы и вычисления).

5. Вопросы для самоконтроля

1. Что такое " шпоночное соединение ", его назначение.

2. Классификация шпоночных соединений.

3. Виды призматических шпонок?

4. Конструкция и назначение шпоночных соединений с направляющими и скользящими шпонками.

5. Как подбираются призматические шпонки?

6. Как проводится расчет призматических шпонок?

7. Что такое " сегментная шпонка"? Дать эскиз конструкции соединения с сегментной шпонкой.

8. Достоинства и недостатки шпоночных соединений.

9. Что такое зубчатое соединение? Назначение зубчатых соединений.

10. Достоинства и недостатки зубчатых соединений.

11. Виды зубчатых соединений.

12. По каким параметрам различают прямобочные зубчатые соединения?

13. Виды центрирования шлицевых соединений. От чего зависит выбор центрирования?

14. Обозначение шлицевых соединений.

15. Дать характеристику зубчатого соединения с эвольвентным профилем зубьев.

16. Дать характеристику зубчатого соединения с треугольным профилем зубьев.

17. Как определяется нагрузочная способность зубчатого соединения?

18. Обозначение шпонок различных исполнений.

19. Из каких материалов изготавливаются шпонки?

20. Каково влияние шпоночных канавок и шлицев на концентрацию напряжений и условную прочность вала.