Детали машин. Прикладная механика. Основы конструирования. Детали машин и основы конструирования

В. Г. Нечепаев, М. Ю. Ткачев, В. А. Голдобин






            ДЕТАЛИ МАШИН



ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ. ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ



Учебное пособие








Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.81/.01
ББК 34.4

Н59

Рекомендовано ученым советом ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего профессионального образования (протокол № 05 от 09.09.2022 г.)

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор высшей школы механики и процессов управления ФГАОУ ВО «СПбПУ Петра Великого» (г. Санкт-Петербург)
Артюх Виктор Геннадиевич;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механического оборудования заводов черной металлургии ГОУ ВПО (г. Донецк) Еронько Сергей Петрович;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инжиниринга технологического оборудования НИТУ «МИСиС» (г. Москва) Горбатюк Сергей Михайлович

     Нечепаев, В. Г.
Н59 Детали машин. Прикладная механика. Основы конструирования. Детали машин и основы конструирования : учебное пособие / В. Г. Нечепаев, М. Ю. Ткачев, В. А. Голдобин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 320 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1472-2

          Даны основы теории прикладной механики, основы конструирования. Включены примеры расчета зубчатых и червячных передач. Приведены рекомендации по объему, методике и последовательности выполнения отдельных разделов курсового проекта, перечень стандартов, которые являются обязательными для использования.
          Для обучающихся по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования») квалификационного уровня «бакалавр», преподавателей образовательных организаций высшего профессионального образования.

УДК 621.81/.01
ББК 34.4

ISBN 978-5-9729-1472-2

© Нечепаев В. Г., Ткачев М. Ю., Голдобин В. А., 2023
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.......................................................................6


Раздел I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КУРСОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПО ДИСЦИПЛИНАМ ДЕТАЛИ МАШИН, ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА.........................9
Глава 1. Место курсового проекта при изучении дисциплин детали машин, прикладная механика.....................................................11
  1.1. Цель курсового проектирования....................................11
  1.2. Содержание курсового проекта.....................................12
Глава 2. Общие сведения о редукторах....................................14
  2.1. Общая характеристика.............................................14
  2.2. Классификация редукторов.........................................14
  2.3. Зубчатые редукторы...............................................15
  2.4. Червячные редукторы..............................................17


Раздел II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ..............................21
Глава 3. Определение исходных данных...........................................23
  3.1. Техническое задание на проектирование............................23
  3.2. Определение основных параметров привода и выбор электродвигателя.24
  3.3. Исходные данные для расчетов передач привода.....................34
  3.4. Пример определения основных параметров привода и выбор электродвигателя.36
Глава 4. Проектирование передач.........................................44
  4.1. Основные условные обозначения и исходные данные..................45
  4.2. Проектный расчет зубчатой передачи...............................47
  4.3. Проверочный расчет зубчатых передач..............................62
  4.4. Проектный и проверочный расчеты червячных передач................68
  4.5. Конструирование зубчатых, червячных колес и червяков.............77
  4.6. Примеры расчета зубчатых и червячных передач.....................82
Глава 5. Проектирование валов...........................................92
  5.1. Общие положения..................................................92
  5.2. Проектный расчет вала............................................93
  5.3. Примеры компоновки некоторых типов редукторов...................102
  5.4. Разработка расчетной схемы вала редуктора.......................111
  5.5. Проверочный расчет вала на усталостную прочность................112
Глава 6. Выбор подшипников качения.....................................137
  6.1. Расчет долговечности подшипников качения........................137
  6.2. Приведенная нагрузка на подшипник при постоянной и переменной во времени внешней нагрузке..........................................138
  6.3. Определение осевой нагрузки на подшипники.......................140
  6.4. Пример расчета подшипников качения..............................144
  6.5. Смазывание подшипников качения..................................145
  6.6. Рекомендации по выбору уплотнительных устройств.................147
  6.7. Проектирование подшипниковых узлов. Общие сведения..............151

3

Глава 7. Классификация, выбор и проверка муфт..........................159
  7.1. Общие сведения..................................................159
  7.2. Муфты неуправляемые.............................................161
  7.3. Муфты сцепные (управляемые).....................................167
  7.4. Муфты самоуправляемые...........................................173
  7.5. Пример выбораирасчетазубчатоймуфты..............................175
Глава 8. Проектирование корпусов редукторов............................176
  8.1. Проектирование основных конструктивных элементов................176
  8.2. Конструирование вспомогательных элементов.......................184
  8.3. Расчеты на прочность корпусных деталей..........................189


Раздел III. Автоматизированное проектирование машин....................191
Глава 9. Общие сведения об автоматизированном проектировании..............193
  9.1. Организационные формы проектирования машин.........................193
  9.2. Оптимизация проектных решений......................................196
  9.3. Автоматизированное проектирование на базе САПР..................198
Глава 10. Автоматизированное проектирование в среде распространенных САПР.204
  10.1. APM WinMachine.................................................204
  10.2. MDESIGN*.......................................................216
  10.3. SolidWorks.....................................................223
  10.4. КОМПАСА........................................................228
  10.5. Программа «Привод-6»...........................................233


Раздел IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ.....................237
Глава 11. Проблемные задачи при курсовом проектировании................239
  11.1. Общие параметры привода........................................239
  11.2. Зубчатые и червячные передачи..................................241
  11.3. Валы...........................................................244
  11.4. Подшипники.....................................................246
  11.5. Шпоночные, зубчатые (шлицевые) и штифтовые соединения..........248
  11.6. Муфты..........................................................249
  11.7. Комплексные проблемные задачи..................................250
Глава 12. Задачи с элементами научных исследований (НИРС).................252
  12.1. Определение рациональных параметров цилиндрических зубчатых колес на основе исследования их нагрузочной способности....................252
  12.2. Особенности расчета валов, ослабленных шпоночным пазом.........253
  12.3. Разработка комплексной методики анализа прочности редуктора конвейера проходческого комбайна КПД в среде САПР АРМ WinMachine...............259


Раздел V. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.................265
Глава 13. Основные правила и примеры оформления текстовой части проекта...267
Глава 14. Основные правила и примеры оформления графической части проекта.275
  14.1. Основные требования ЕСКД..........................................275
  14.2. Правила простановки допусков и посадок.........................275
  14.3. Примеры оформления чертежей.......................................280

4

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............300

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................303
  Приложение П1. Кинематические схемы редукторов...................305
  Приложение П2. Условные обозначения элементов кинематических схем (ГОСТ 2.770-68)..................................................308
  Приложение П3. Ориентировочные значения коэффициентов полезного действия и передаточного числа составляющих приводов......................310
  Приложение П4. Типы и основные параметры электродвигателей серии 4А.311
  Приложение П5. Единый ряд передаточных чисел (ГОСТ 1285-66).........317

5

ВВЕДЕНИЕ



     Курсовым проектом по группе дисциплин «Детали машин», «Прикладная механика», «Основы конструирования», «Детали машин и основы конструирования» завершается этап изучения комплекса общеинженерных дисциплин. При выполнении курсового проекта на базе решения конкретной индивидуальной инженерной задачи - проектирование привода машины - закрепляются знания, которые получены при изучении теоретического курса.
     Основное содержание пособия опирается на курс лекций, который излагается в Донецком национальном техническом университете применительно к модели обучения общеинженерным дисциплинам, разработанной на кафедре «Основы проектирования машин».
     Главной особенностью указанной модели обучения общеинженерным дисциплинам является ее построение на основе методов активного обучения в сквозной интегрированной компьютерной среде высокотехнологического специализированного программного обеспечения, адаптированного к проведению учебного процесса.
     В процессе проектирования во время выполнения курсового проекта студент выполняет ролевую функцию проектировщика, конструктора проектного бюро и частично технолога машиностроительного завода.
     Для увеличения времени студента на творческой процесс проектирования привода машины и выполнения нескольких вариантов проекта с целью выбора оптимального варианта, стандартизированные расчеты (зубчатых передач, валов и т. п.) выполняются с использованием компьютерных технологий.
     Во время выполнения проекта студент учится самостоятельно обосновывать и принимать решение при решении проектно-конструкторских задач:
      •  составлять расчетные схемы и выполнять расчеты на прочность типовых деталей машин;
      •  использовать справочники, стандарты и нормали;
      •  решать вопросы экономики, технологии изготовления деталей и монтажа узлов;
      •  знакомиться с методами регулирования узлов и особенностями их эксплуатации;
      •  выполнять проектирование привода в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД);
      •  пользоваться программными продуктами компьютерных технологий систем автоматизированного проектирования.

6

    Темой курсового проекта является расчет и проектирование приводов конвейеров, лебедок, подъемных кранов, металлорежущих станков и т. п.
     Полученные знания и опыт должны стать основой для последующего выполнения курсовых проектов по специальным дисциплинам, дипломного проектирования и дальнейшей самостоятельной работы на производстве.

Раздел I



ОБЩИЕСВЕДЕНИЯ О КУРСОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПО ДИСЦИПЛИНАМ ДЕТАЛИ МАШИН, ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА

Глава 1
МЕСТО КУРСОВОГО ПРОЕКТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДИСЦИПЛИН ДЕТАЛИ МАШИН, ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА

1.1. Цель курсового проектирования

     Курсовой проект по группе дисциплин является первой конструкторской работой студента, где он решает ряд технических задач, связанных с расчетом и проектированием передаточного механизма привода машины и поэтому его значение особенно существенное. Изучение основ проектирования начинают с проектирования простейших элементов машин общего назначения, одним из которых является передаточный механизм привода машины. Знания и опыт, приобретенные студентом при проектировании простых элементов машин, являются базой для его дальнейшей конструкторской работы, а также для выполнения курсовых проектов по специальным дисциплинам.
     Кроме разработки конструкции передаточного механизма, студент должен учесть и требования экономики, технологии машиностроения, эксплуатации привода и транспортировки. Для обеспечения этих требований он должен обладать знаниями для выполнения кинематических, силовых и прочностных расчетов. Из многих материалов, имеющих различные свойства, он должен выбрать такие, которые позволяют наиболее выгодным образом использовать эти свойства для повышения эффективности и надежности привода.
     Для решения этих задач студенту необходимы знания, полученные при изучении следующих дисциплин:
      • теоретической механики и теории механизмов и машин, позволяющих определить действующие на деталь усилия и законы движения деталей;
      • сопротивления материалов, позволяющих рассчитывать детали машин на прочность, устойчивость и выносливость;
      • технологии конструкционных материалов, позволяющих обосновать рациональный выбор материала деталей и вида термообработки;
      • технологии машиностроения, позволяющих учесть технологические требования к конструкции деталей;
      • технического черчения, что позволяет правильно выполнить рабочие и сборочные чертежи деталей и узлов.
     Этот далеко не полный перечень задач, требующих решения при проектировании, показывает, какими глубокими и разнообразными познаниями в области теоретических и прикладных наук должен обладать будущий специалист.

11

1.2. Содержание курсового проекта


     Тематику задания на курсовой проект составляют так, чтобы студент имел возможность освоить основы проектирования наибольшего числа типовых элементов машин: зубчатых, червячных, ременных и других передач; шпоночных, шлицевых, резьбовых и других соединений; муфт, подшипниковых узлов, корпусных деталей и рам.
     Наибольшее распространение получили задания на проектирование передаточных механизмов - редукторов приводных устройств конвейеров, приводов станков, транспортных машин и т. д. Такие задачи весьма разнообразны и многовариантные - они позволяют широко варьировать возможные конструктивные решения.
     Во время выполнения курсового проекта тщательно прорабатывают конструкции во всех ее деталях - каждая деталь, каждый размер и даже каждая линия должны быть продуманы и обоснованы.
     Объем задач и конкретная тема курсового проекта по деталям машин зависит от профилей подготовки студента. Для профилей механической направленности студенты получают задания на проектирование двух- или трехступенчатого редуктора привода машины. Курсовой проект состоит из расчетной и графической части. Расчетная часть выполняется в виде пояснительной записки объемом 40...50 с. Графическая часть посвящена разработке привода механизма, сборочных единиц (редуктора, рамы), рабочих чертежей деталей.
     При выполнении курсового проекта студент должен проявлять максимум самостоятельности и творческой инициативы в выборе вариантов конструкции, материалов, форм деталей, расчетов, графического оформления и др.
     Чертежи типовых конструкций, образцы изделий и прочее, которые можно найти в атласах и других пособиях, не должны рассматриваться как образцы для слепого копирования. Они должны помочь студенту освоить опыт проектирования и на основе этого опыта разработать свою конструкцию, которая удовлетворяет требованиям задания. Только при самостоятельной и творческой работе студент может получить прочные знания и хорошо защитить свой проект.
     Во время самостоятельной работы студента над курсовым проектом системно оказывается консультативная помощь. Консультант проверяет работу студента, помогает ему разобраться в неясных вопросах, дает советы и указания по улучшению конструкции и графического оформления чертежей. Критический разбор самостоятельной работы студента на консультации, беседа с опытным консультантом является для студента эффективным средством освоения методики и опыта проектирования.
     Правила проектирования и оформления курсового проекта определены государственными стандартами ЕСКД.
     При разработке конструкции необходимо помнить, что в конструкторской работе нет мелочей. Даже незначительные изменения размеров или формы детали могут вызвать большие осложнения, потому что с ними может

12

быть связан целый ряд параметров других деталей. Поэтому при проектировании следует обосновывать каждый размер, каждую линию своего чертежа, каждый элемент конструкции. С этой целью выполняют расчеты, используют государственные стандарты, практические рекомендации и др.
     Расчеты конструкции должны сопровождаться разработкой чертежей, так как многие размеры, необходимых для расчета (расстояния между опорами валов, места приложения нагрузок и т. д.), можно получить с помощью чертежа. В то же время поэтапное вычерчивание конструкции в процессе расчета является проверкой этого расчета. Неправильный результат расчета обычно проявляется в нарушении пропорциональности конструкции.
     Первые проектные расчеты выполняют, как правило, приближенными. Окончательный расчет выполняют в форме проверочного для данной конструкции.
     Некоторые размеры элементов конструкций при проектировании не рассчитывают, а принимают в соответствии с опытом проектирования подобных конструкций. Опыт проектирования наиболее распространенных элементов конструкций обобщен в государственных стандартах и практических рекомендациях - учебниках, справочниках. Например, для зубчатого колеса расчетом определяют только диаметр и ширину зубчатого венца, а размеры всех других элементов (обода, диска, ступицы) по рекомендациям. Размеры всех элементов литого корпуса редуктора рекомендуют принимать в зависимости от крутящего момента на выходном валу.
     Для студентов, начинающих проектирование, использование государственных стандартов и рекомендаций связано с определенными трудностями. Поэтому знакомство с государственными стандартами и рекомендациями, приобретение навыков их применения является одной из задач курсового проекта по деталям машин.
     В последнее время широкое применение находят компьютерные методы расчетов деталей машин с использованием соответствующего программного обеспечения. Эти методы можно рассматривать как прогрессивные факторы развития проектирования машин и их деталей. Однако понимание и творческое применение компьютерных методов расчетов возможно только после глубокого понимания сути и усвоения теоретических положений, которые положены в их основу.