Конструируем машины шаг за шагом. Часть 2

            А.С. ИВАНОВ





                Конструируем машины шаг за шагом

                ч.п










Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2 0 0 3

УДК 621:658.512.2
ББК 34.42

     И20


Федеральная целевая программа «Культура России» (подпрограмма «Поддержка полиграфии и книгоиздания России»)

Рецензенты: Л. В. Коновалов, С.А. Шувалов

      Иванов А.С.
И20 Конструируем машины шаг за шагом: В 2 ч. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003,- Ч. 2. — 392 с.: ил.
         ISBN 5-7038-2097-9

         Во второй части книги (шаги 10—17) доступным языком изложена методика расчета и конструирования деталей, узлов, машин. Большое внимание уделено учету контактной жесткости при выполнении проектных расчетов. Приведены необходимые для конструирования справочные данные по материалам, полуфабрикатам, допускам, шероховатостям поверхностей, коэффициентам контактной податливости стыков и т. п. Проанализированы некоторые новые тенденции в развитии мирового машиностроения и на основе этого предложены новые расчеты и конструктивные исполнения узлов машин. Приведены примеры расчетов. При написании книги автор использовал материалы лекций по курсам «Основы конструирования машин» и «Транспортно-накопительные устройства», читаемым им в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
         Для широкого круга читателей, желающих научиться конструированию. Может быть полезна в качестве учебного пособия для студентов и преподавателей, а также в качестве справочного пособия инженерам-конструкторам.



                                                           УДК 621:658.512.2
                                                           ББК 34.42











                                                  © А.С. Иванов, 2003
                                                  © Издательство МГТУ

ISBN 5-7038-2097-9

им. Н.Э. Баумана, 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие........................................................9
Шаг 10. Конструирование зубчатых, червячных и фрикционных передач............................................................11
    10.1. Зубчатые цилиндрические передачи.........................12
        10.1.1. Геометрические параметры прямозубых колес.........12
        10.1.2. Геометрические параметры косозубых колес..........14
        10.1.3. Смещение исходного контура........................15
        10.1.4. Геометрические параметры передачи. Корригирование . . 16
        10.1.5. Точность зубчатых передач.........................21
        10.1.6. Критерии работоспособности зубчатых передач. Материалы.................................................21
        10.1.7. Расчет рабочих поверхностей зубьев на контактную выносливость..............................................23
        10.1.8. Расчет зубьев на выносливость при изгибе..........26
        10.1.9. Силы в зацеплении.................................29
        10.1.10. Общие сведения о планетарных передачах...........34
        10.1.11. Зубчатые планетарные передачи....................36
        10.1.12. Оформление чертежа зубчатого колеса..............37
        10.1.13. Волновые передачи ...............................38
    10.2. Зубчатые конические передачи............................41
        10.2.1. Общие сведения....................................41
        10.2.2. Силы, действующие в зацеплении....................44
    10.3. Червячные передачи......................................47
        10.3.1. Общие сведения....................................47
        10.3.2. Геометрические параметры червяка..................48
        10.3.3. Параметры червячной передачи и червячного колеса ... 51
        10.3.4. КПД передачи и силы в зацеплении .................52
        10.3.5. Расчеты на выносливость и допускаемые напряжения................................................54
        10.3.6. Тепловой расчет...................................57
        10.3.7. Оформление чертежей червяка и червячного колеса .... 58
    10.4. Фрикционные планетарные передачи........................58
    10.5. Практика конструирования. Червячная передача привода ленточного конвейера...........................................59
        10.5.1. Постановка задачи.................................59
        10.5.2. Выбор электродвигателя............................61

3

        10.5.3. Разбивка передаточного числа привода.............61
        10.5.4. Расчет червячной передачи........................61
    Приложения П. 10.............................................68
    Список литературы............................................71
Шаг 11. Конструирование ременных и цепных передач................73
    11.1. Ременные передачи......................................74
        11.1.1. История развития.................................74
        11.1.2. Конструкция передачи.............................74
        11.1.3. Силы в передаче. Формула   Эйлера................74
        11.1.4. Силы в ветвях ленточного  конвейера..............79
        11.1.5. Ремни ременной передачи       ...................84
        11.1.6. Работа ремня на шкивах        ...................87
        11.1.7. Расчет ремней по несущей способности.............89
        11.1.8. Шкивы ременных передач        ...................91
    11.2. Цепные передачи........................................92
        11.2.1. Параметры передач................................92
        11.2.2. Цепи.............................................94
        11.2.3. Звездочки........................................95
    11.3. Зубчатоременная и шарикоременная передачи..............97
    11.4. Практика конструирования. Клиноременная передача.......99
        11.4.1. Постановка задачи................................99
        11.4.2. Расчет клиноременной передачи. Чертеж ведомого шкива...................................................100
    11.5. Практика конструирования. Оценка необходимой силы натяжения ленты конвейера....................................102
        11.5.1. Постановка задачи...............................102
        11.5.2. Расчет..........................................104
    Приложения П. 11 ...........................................105
    Список литературы...........................................108
Шаг 12. Конструирование опор.................................  .109
    12.1. Подшипники скольжения.................................110
        12.1.1. Режимы трения и типы подшипников.................НО
        12.1.2. Режимы работы и расчет гидродинамического подшипника..............................................111
        12.1.3. Расчет подшипника сухого   трения...............116
        12.1.4. Области применения..............................116
    12.2. Подшипники качения....................................116
        12.2.1. Классификация подшипников.......................116
        12.2.2. Материал подшипников качения....................122
        12.2.3. Выбор подшипников...............................122
        12.2.4. Значения коэффициентов Хи Y.....................127
        12.2.5. Основные типы осевой фиксации валов.............128
       12.2.6. Реакции в опорах с подшипниками нерегулируемых типов.....................................132

4

        12.2.7. Реакции в опорах с подшипниками регулируемых типов...................................................135
        12.2.8. Опора вала в виде опорно-поворотного подшипника . . . 138
        12.2.9. Использование для передачи осевых сил от вала на корпус пружинных упорных колец вместо крышек подшипников.............................................140
        12.2.10. Рекомендации по конструированию подшипниковых узлов...................................................142
    12.3. Практика конструирования. Выбор радиально-упорных роликоподшипников для        вала червяка..................  143
       12.3.1. Постановка задачи................................143
        12.3.2. Выбор радиально-упорных роликоподшипников для вала червяка при установке подшипников враспор .... 144
        12.3.3. Выбор подшипников для вала червяка с одной плавающей и другой фиксирующей в двух осевых направлениях опорами ...................................146
    Приложения П.12...........................................  149
    Список литературы...........................................161
Шаг 13. Конструирование резьбовых и заклепочных соединений......162
    13.1. Резьбовые соединения..................................163
       13.1.1. Классификация резьб. Момент завинчивания.........163
       13.1.2. Передача винт—гайка..............................167
       13.1.3. Метрическая резьба...............................171
        13.1.4. Распределение нагрузки по виткам резьбы. Длина свинчивания.............................................172
       13.1.5. Определение необходимого диаметра болта при
              нагружении резьбового соединения в плоскости стыка . . 175
        13.1.6. Определение необходимого диаметра болта при нагружении резьбового соединения отрывающей силой и опрокидывающим моментом.........................181
       13.1.7. Винты, подверженные действию переменной нагрузки . . 191
       13.1.8. Винты самонарезающие и самосверлящие.............193
        13.1.9. Конструктивные рекомендации по изготовлению, затяжке и стопорению резьбовых соединений ...... 194
    13.2. Заклепочные соединения................................200
       13.2.1. Конструктивные рекомендации .....................200
       13.2.2. Расчет на прочность..............................201
    13.3. Практика конструирования. Выбор болтов для крепления опор приводного барабана к раме..............................202
        13.3.1. Постановка задачи ..............................202
        13.3.2. Составление расчетной схемы.....................203
        13.3.3. Проектный расчет резьбового соединения на нераскрытие и несдвигаемость стыка при малом влиянии его контактной податливости .... 204
        13.3.4. Проверочный расчет резьбового соединения на нераскрытие и несдвигаемость стыка при большом влиянии его контактной податливости . . . 205

5

   Приложения П.13...............................................209
   Список литературы.............................................210
Шаг 14. Конструирование соединений шпоночных, шлицевых и с натягом. . 211
   14.1. Шпоночные соединения....................................211
        14.1.1. Конструкция шпоночных соединений.................211
        14.1.2. Расчет шпоночных соединений......................214
   14.2. Шлицевые соединения.....................................216
        14.2.1. Конструкция шлицевых соединений..................216
        14.2.2. Расчет шлицевых соединений.......................219
   14.3. Соединения с натягом....................................220
        14.3.1. Конструкции......................................220
        14.3.2. Прочность соединения.............................221
        14.3.3. Запрессовка зубчатого колеса винтом, завинчиваемым в торец вала................................224
        14.3.4. Использование винтов для сборки зубчатых колес с валами внутри редуктора и переноса плоскостей разъема редуктора в его ненагруженные зоны................227
   14.4. Практика конструирования. Соединение с натягом..........228
        14.4.1. Постановка задачи................................228
        14.4.2. Решение задачи...................................230
   Приложения П.14...............................................233
   Список литературы.............................................235
Шаг 15. Конструирование литых, сварных и штампованных деталей .... 236
   15.1. Литые детали............................................236
        15.1.1. Исторические сведения о сталях и чугунах.........236
        15.1.2. Способы литья....................................237
        15.1.3. Классы точности отливок..........................239
        15.1.4. Толщина стенок отливок...........................239
        15.1.5. Конструирование внешнего контура отливок.........240
        15.1.6. Конструирование сопряжений стенок и ребер........241
        15.1.7. Нанесение размеров на чертежах литых деталей.....243
   15.2. Сварные детали..........................................244
        15.2.1. Изобретение дуговой электрической сварки.........244
        15.2.2. Свариваемые материалы и виды сварки..............244
        15.2.3. Виды сварных соединений..........................245
        15.2.4. Расчет прочности сварных швов при статической нагрузке..................................248
        15.2.5. Расчет прочности сварных швов при переменной нагрузке...................................255
        15.2.6. Оформление чертежа сварной детали................256
   15.3. Штампованные детали.....................................257
        15.3.1. Общие сведения...................................257
        15.3.2. Вырубка отверстий................................258
        15.3.3. Радиусы гибки....................................258
   15.4. Прокат..................................................259

6

       15.4.1. История создания Эйфелевой башни................259
       15.4.2. Сортамент проката...............................260
   15.5. Практика конструирования. Сварной шкив................261
       15.5.1. Постановка задачи...............................261
       15.5.2. Оценка степени нагруженности сварных швов.......262
       15.5.3. Выбор высоты катета сварного шва и расчет сварных швов на прочность...............................263
       15.5.4. Разработка рабочего чертежа шкива...............264
   Приложения П. 15........................................... 266
   Список литературы...........................................289
Шаг 16. Конструирование валов, пружин, муфт и тормозов. Выбор соединений сборочных единиц....................................290
   16.1. Валы..................................................291
       16.1.1. Особенности конструкции.........................291
       16.1.2. Материалы.......................................293
       16.1.3. Проектные расчеты...............................293
       16.1.4. Проверочные расчеты на прочность................293
       16.1.5. Проверочный расчет на жесткость.................298
   16.2. Пружины...............................................299
       16.2.1. Витые пружины растяжения-сжатия.................299
       16.2.2. Тарельчатые пружины...........................  301
   16.3. Соединения сборочных единиц...........................302
       16.3.1. Соединения муфтами..............................302
       16.3.2. Соединения «вал в вал»..........................312
       16.3.3. Навесное исполнение сборочных единиц............320
       16.3.4. Оптимизация соединений..........................331
   16.4. Тормоза...............................................341
       16.4.1. Ленточные тормоза ..............................341
       16.4.2. Дисковый тормоз.................................342
   16.5. Практика конструирования. Червяк......................343
       16.5.1. Постановка задачи...............................343
       16.5.2. Проектные расчеты и чертеж червяка..............344
       16.5.3. Проверочные расчеты прочности червяка...........346
   Приложения П.16.............................................350
   Список литературы...........................................351
Шаг 17. Конструирование как объект деятельности................352
   17.1. Конструирование как один из видов творческой деятельности . 353
       17.1.1. Выбор профессии.................................353
       17.1.2. Деятельность конструктора при проектировании машины..................................................354
       17.1.3. Связь между уровнем интеллекта и способностью к конструкторской деятельности..........................356
       17.1.4. Качества, которыми желательно обладать людям творческих профессий....................................359
       17.1.5. Типология индивидуальных различий...............360

7

       17.1.6. Качества, которыми желательно обладать конструктору...............................................365
    17.2. Психологические и педагогические аспекты обучения......367
        17.2.1. Численность группы обучаемых......................367
        17.2.2. Улучшение запоминания изучаемого материала и повышение умения решать задачи..........................369
        17.2.3. Развитие умения думать на ранней стадии обучения . . . 371
        17.2.4. Методика проведения занятий.......................371
       17.2.5. Необходимые условия для развития творческих способностей...............................................372
    17.3. Повышение качества обучения конструированию машин .... 374
        17.3.1. Анализ традиционного обучения.....................374
       17.3.2. Мероприятия, способные повысить качество обучения конструированию машин.............................375
    17.4. Практика конструирования. Выбор оптимального конструктивного исполнения привода транспортера...............379
        17.4.1. Постановка задачи.................................379
        17.4.2. Решение задачи....................................379
    Приложения П.17...............................................382
    Список литературы.............................................388

175-летию
                                   МГТУ им. Н.Э. Баумана посвящается







Предисловие

   Первая часть (шаги 1—9) предлагаемого издания была посвящена общим вопросам конструирования. Во второй (шаги 10—17) рассмотрены вопросы конструирования отдельных групп деталей машин и передач, а также машин в целом; дан анализ места творчества в деятельности конструктора.
   При этом автор стремился изложить сложные проблемы простым и доступным языком с привлечением большого количества рисунков, поясняющих текст.
   Расчеты при конструировании обычно выполняют по упрощенным схемам и формулам, так как сначала путем проведения большого количества разнотипных расчетов конструктор стремится сформировать у себя многосторонний взгляд на разрабатываемую им конструкцию, чтобы потом отобрать наиболее оптимальный вариант конструктивного исполнения машины, ее узлов и деталей. Расчеты, как правило, проводят для установившегося режима движения. Книга позволяет не только обучить этим действиям, но и выполнить их. Приведенного в ней справочного материала достаточно, чтобы начать конструировать.
   Когда машина сконструирована и разработаны ее чертежи, приближенные расчетные схемы заменяют более точными, учитывающими реальный закон распределения нагрузки. Для проведения уточненных расчетов необходимо знание дифференциального и интегрального исчислений, теоретической механики и теории механизмов и машин, сопротивления материалов, теории колебаний, компьютерных расчетов и компьютерной графики, гидравлики и т. д. Поэтому 17 шагов можно рассматривать как основной модуль обучения конструированию для студентов младших курсов.
   Автор благодарен ректору МГТУ им. Н.Э. Баумана профессору И.Б. Федорову за постоянное внимание к этой работе и поддержку.

9

   Автор выражает свою признательность профессору кафедры «Основы конструирования машин» С.А. Шувалову за ценные рекомендации по уточнению вопросов расчетов и конструирования передач, а также доценту этой кафедры И.К. Гануличу за советы по оформлению конструкторской документации.
   Автор благодарит Е.Н. Ставицкую и Л.М. Элькинд за помощь на завершающих стадиях работы над книгой.
   Автор признателен участникам (преподавателям, конструкторам предприятий, студентам) научно-технических семинаров «Конструирование конкурентоспособных машин» и сотрудникам редакции журнала «Вестник машиностроения» за обсуждение ряда проблем, поднятых в книге.
   Автор благодарен студентам, которые под его руководством разработали многие перспективные конструктивные решения, приведенные в книге, и доложили о них на студенческих научно-технических конференциях.
   Если после прочтения книги читатель разобрался в проблеме конструирования машин в целом, у него появился интерес к конструированию, а полученные навыки позволили ему начать проектирование машин, хотя и не очень сложных, то автор может считать свою задачу выполненной.