Курсовое проектирование по прикладной механике

    КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКЕ

Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.81:681.3
ББК 34.42+32.81
      К93

Авторы:
Митюрев А. А., Пузырев Н. М., Гараников В. В., Дорогов О. В.


Рецензенты: заведующий кафедрой технологических машин и оборудования ТвГТУ, лауреат Премии Правительства РФ в области науки и техники, профессор, доктор технических наук Зюзин Б. Ф.;
директор ООО «Научно-производственное объединение “Нисаба”» доктор технических наук, профессор Гамаюнов С. Н.


К93       Курсовое проектирование по прикладной механике : учебное по-
     собие / [Митюрев А. А. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 352 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1138-7

          Изложены сведения из области кинематики и динамики рычажных механизмов и механических передач. Представлены теоретические основы сопротивления материалов, методы расчёта на прочность, жёсткость, долговечность наиболее распространенных деталей и узлов механизмов и машин. Даются практические навыки по конструированию некоторых машин и агрегатов, являющихся общими для различных областей машиностроения. Рассмотрены и пояснены примеры решения задач теории механизмов и машин: анализа и синтеза механизмов, структурного, кинематического и силового анализа рычажных механизмов и электромеханических приводов машин. Приведены примеры выполнения отдельных разделов курсовых работ и курсовых проектов с использованием графических, графоаналитических и аналитических методов.
          Будет полезно при самостоятельной работе над расчётно-графическими, курсовыми работами и курсовыми проектами студентам, изучающим дисциплину «Прикладная механика».


УДК 621.81:681.3
ББК 34.42+32.81



ISBN 978-5-9729-1138-7

    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ГЛАВА 1


ВВЕДЕНИЕ В ПРИКЛАДНУЮ МЕХАНИКУ

     Прикладная механика - это техническая наука, посвященная изучению и исследованию основных принципов устройства, разработки, эксплуатации механизмов и машин, представляющая основу общеинженерной подготовки. Дисциплина «Прикладная механика» состоит из трёх основных разделов: «Теория механизмов и машин», «Сопротивление материалов» и «Детали машин и основы конструирования машин».
     Курсовые работы, проекты по «Прикладной механике» выполняются преимущественно студентами немашиностроительных направлений, как правило, в течение одного или двух учебных семестров. При этом, как показывают современные реалии, из некоторых учебных планов исчезают или сокращены до минимума важные курсы общеинженерной подготовки, например, такие как «Теоретическая механика», «Материаловедение» и другие. Учитывая это, авторский коллектив ставит перед собой цель - в доступной форме дать общее представление об основах проектирования и расчёта типовых элементов конструкций, деталей механизмов и машин, а также ознакомить с общими принципами устройства и работы типовых узлов и механизмов.

1.1.  Основные принципы и этапы разработки и проектирования машин

     Процесс разработки машин имеет сложную, разветвлённую неоднозначную структуру и обычно обозначается широким термином «проектирование» -создание прообраза, представляющего в общих чертах основные параметры объекта.
     Проектирование (по ГОСТ 22487-77) - это процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта (алгоритма его функционирования или алгоритма процесса), путём преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на различных языках. По сравнению с условиями предприятий в условиях учебного процесса стадии проектирования несколько упрощаются.
     Проект (от лат. projectus - брошенный вперёд) - совокупность документов и описаний на различных языках (графическом - чертежи, схемы, диаграммы и графики; математическом - формулы и расчёты; в виде инженерных терминов и понятий - тексты описаний, пояснительные записки) для создания какого-либо сооружения или изделия.


3

     Инженерное проектирование - процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания новой системы, устройства или машины, приносящих обществу определённую пользу.
     При проектировании используются:
     1)       прямые аналитические методы синтеза (разработаны для ряда простых типовых механизмов);
     2)       решение задач проектирования на уровне изобретений (например, алгоритм решения изобретательских задач);
     3)       синтез методами анализа - перебор возможных решений по определенной стратегии с проведением сравнительного анализа по совокупности качественных и эксплуатационных показателей;
     4)       системы автоматизированного проектирования (САПР), когда компьютерная программная среда моделирует объект проектирования и определяет его качественные показатели. После принятия решения - выбора проектировщиком параметров объекта - система в автоматизированном режиме выдает проектную документацию;
     5)      другие методы.
     Основные этапы процесса проектирования:
     1. Осознание общественной потребности в разрабатываемом изделии.
     2. Техническое задание на проектирование (первичное описание).
     3. Анализ существующих технических решений.
     4. Разработка функциональной схемы.
     5. Разработка структурной схемы.
     6. Метрический синтез механизма (синтез кинематической схемы).
     7. Статический силовой расчёт.
     8. Эскизный проект.
     9. Кинетостатический силовой расчёт.
     10. Силовой расчёт с учётом трения.
     11.       Расчёт и конструирование деталей и кинематических пар (прочностные расчёты, уравновешивание, балансировка, виброзащита).
     На этом этапе целесообразно выполнить следующие действия:
     а)  уточнить служебное назначение сборочной единицы;
     б)       разобрать кинематическую схему узла (механизма), то есть выделить составляющие звенья кинематической цепи, уточнить последовательность передачи энергии от начального (ведущего) звена по кинематической цепи к конечному (рабочему, исполнительному) звену, выделить неподвижное звено (корпус, стойку и т. п.), относительно которого перемещаются все остальные звенья, уточнить связи между звеньями, то есть вид кинематических пар, установить служебные функции неподвижного звена и всех подвижных звеньев;
     в)       рассчитать восприятие звеньями усилия, так как от их величин зависит тип и размеры составляющих их деталей;
     г)       начать конструирование узла с наиболее ответственного звена, определить тип узла, выделить составляющие его элементы, расчётом или конструк

4

тивно определить основные размеры элементов кинематических пар и элементов звена;
     д)       последовательно конструировать все звенья узла, выполняя проработку их элементов;
     е)  эскизно сконструировать неподвижное звено узла;
     ж)  уточнить разделение каждого узла на детали;
     з)  разделить каждую деталь на составляющие элементы;
     и)       установить служебную функцию (функции) и назначение каждого элемента, а также его связи с другими элементами;
     к)       выделить сопрягаемые, прилегающие и свободные поверхности каждого элемента детали;
     л)  установить окончательно форму и положение всех поверхностей;
     м) окончательно оформить изображение каждой детали на изображении сборочной единицы.
     12. Технический проект (общий вид с расчётами).
     13.       Рабочий проект (разработка рабочих чертежей деталей, технологии изготовления и сборки).
     14. Изготовление опытных образцов.
     15. Испытания опытных образцов.
     16. Технологическая подготовка серийного производства.
     17. Серийное производство изделия.
     Объём настоящего учебного пособия, к сожалению, объективно не позволяет охватить все этапы создания нового механизма или машины, поэтому авторским коллективом рассмотрены следующие разделы:
     -       анализ существующих технических решений и конструкций типовых деталей машиностроения;
     -      разработка функциональной и структурной схемы механизмов;
     -      синтез кинематической схемы механизмов;
     -      кинематический и силовой анализ механизмов;
     -      конструирование и расчёт деталей типовых механизмов и машин.

1.2. Условия нормальной работы деталей, механизмов и машин

     Успешная работа деталей, отдельных узлов механизмов и машин заключается в обеспечении надёжности и работоспособности при заданных нагрузках.
     Надёжностью по ГОСТ 27.002-2015 называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
     Надёжность - общая и чрезвычайно актуальная проблема машиностроения. Надёжность должна обеспечиваться на всех этапах разработки,

5

изготовления и эксплуатации машины. Ошибки при проектировании, погрешность в производстве, небрежность при упаковке и транспортировке, отступление от правил эксплуатации изделия отрицательно сказываются на его надёжности. Теория надёжности базируется на элементах теории вероятности, теории случайных процессов, теории массового обслуживания и на математической статистике.
     Современные технические средства состоят из множества взаимодействующих механизмов, аппаратов и приборов. Недостаточная надёжность оборудования приводит к огромным затратам на ремонт, простою оборудования, авариям, приводящим к большим экономическим потерям, разрушениям и человеческим жертвам.
     Средства, ежегодно расходуемые предприятиями на восстановление работоспособности отдельных групп машин, иногда превышают стоимость выпускаемой ими продукции.
     Различают три периода, от которых зависит надёжность: проектирование, производство и эксплуатация. При проектировании закладывается фундамент надёжности. При производстве обеспечиваются все средства повышения надежности, заложенные конструктором. Отклонения от конструкторской документации нарушают надёжность. При эксплуатации изделия его надёжность реализуется при условии обязательного соблюдения установленных правил. Такие качества надёжности, как безотказность и долговечность, проявляются в процессе работы машины и зависят от методов и условий её эксплуатации, системы ремонта, технического обслуживания.
     Для повышения надёжности на стадии проектирования изделия необходимо:
     1)       стремиться проектировать по возможности простые изделия с меньшим числом деталей;
     2)      предусматривать предохранительные устройства;
     3)      широко использовать стандартные узлы и детали.
     Надёжность предполагает сочетание частных свойств - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
     Безотказность (надёжность в узком смысле) - способность сохранять свои эксплуатационные показатели в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых влечёт опасность для жизни людей или остановку автоматизированного производства.
     Отказ - явление, связанное с частичной или полной утратой работоспособности изделия.
     По своей природе отказы бывают полными и частичными; внезапными (например, поломка) и постепенными (изнашивание, коррозия); опасными для жизни человека; тяжёлыми и лёгкими, устранимыми и неустранимыми. В зависимости от причин возникновения отказы подразделяются на конструкционные, производственные и эксплуатационные. На стадии конструирования они обу

6

словливаются ошибками конструктора, несовершенством принятых методов расчёта и конструирования; при изготовлении - нарушением принятой техно-ло-гии, а также её несовершенством; при эксплуатации - нарушением правил эксплуатации, внешним воздействием, не свойственным нормальным условиям эксплуатации. В соответствии с этим отказы устраняют заменой деталей, регулировкой или очисткой.
     Возможные причины отказов:
     1)       конструктивные ошибки и недостатки (недостаточная прочность, неучтённые температурные и механические деформации, плохая защита от влаги и пыли и т. п.);
     2)       производственные дефекты (раковины, трещины, включения примесей в металле);
     3)       неправильная эксплуатация изделия (отсутствие регулировки подшипников, систематические перегрузки и т. п.);
     4)      естественный износ, старение, потеря усталостной прочности детали.
     Долговечность (ресурс) - свойство изделия длительно сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние характеризуется невозможностью дальнейшей эксплуатации изделия, снижением эффективности или безопасности (например, выработка каната, минимальный ремонтный размер шеек коленчатого вала и т. д.).
     Реалии современного производства неразрывно связаны с экономическими показателями эффективности, поэтому в настоящее время делаются попытки нахождения оптимальной долговечности деталей (рис. 1.1), то есть такой, при которой себестоимость производства и дальнейшей эксплуатации изделия будет минимальна.
     Долговечность, соответствующую минимуму себестоимости продукции, предлагается считать оптимальной. Однако в ряде случаев подобная трактовка слишком упрощена.
     Ремонтопригодность - приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей посредством техобслуживания и ремонта. В конструкцию многих современных машин закладывают систему диагностики неисправностей, иначе машина неконкурентоспособна.
     Сохраняемость - способность сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения и транспортирования. Практическая значимость этого свойства особенно актуальна для военной техники и приборов.
     Каждое из частных свойств количественно оценивается показателями надёжности. Одним из основных показателей надёжности является вероятность безотказной работы в течение заданного периода времени.

7

Рис. 1.1. Составляющие оптимальной долговечности деталей:
1 - постоянные затраты, не зависящие от срока эксплуатации (энергия, материалы, зарплата); 2 - амортизационные расходы, обратно пропорциональные времени эксплуатации; 3 - годовые эксплуатационные расходы (ремонт, техническое обслуживание и т. д.)

1.3. Главные критерии работоспособности деталей машин


     Надёжность характеризуют следующие состояния: работоспособное, исправное и неисправное.
     Работоспособность - это состояние объекта, при котором значения всех параметров выполняемых функций соответствуют требованиям нормативно-технической или конструкторской документации. Оценочными качественными показателями работоспособности являются прочность, жёсткость, износо- и коррозионная стойкость, тепло-, холодо- и виброустойчивость, стойкость к старению.
     Прочность - это способность деталей машин выполнять свои функции в пределах предусмотренных нагрузок без пластических деформаций и разрушения.
     Жёсткость - способность деталей машин сопротивляться любой деформации (то есть любым изменениям формы или размера).
     Износостойкость - способность деталей машин сохранять первоначальную форму своей поверхности, сопротивляясь износу.
     Теплостойкость - способность деталей машин сохранять свои свойства при действии высоких температур.
     Виброустойчивость - способность деталей машин работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.
     Стойкость к старению - способность деталей машин сопротивляться повреждению материала в связи с изменением структуры и свойств, появлением хрупкости. Объёмное старение - разрушение, деформация, изменение свойств. Поверхностное старение - прогар, трещинообразование, изменение шероховатости, твёрдости, отражательной способности, напряжённое состояние.


8

     При расчёте и проектировании деталей машин обычно используются один или два критерия работоспособности, а остальные критерии удовлетворяются автоматически или не имеют практического значения для данных деталей.
     Соблюдение указанных критериев работоспособности обеспечивает надёжность эксплуатации конструкции в течение заданного срока службы.
     Развитие современного машиностроения связано с применением множества взаимодействующих узлов и автоматических устройств, поэтому отказ в работе хотя бы одной детали или соединения приводит к нарушению работы всей конструкции.
     Надёжность зависит от качества изготовления конструкции и от соблюдения норм эксплуатации. При всей значимости описанных выше критериев нетрудно заметить, что прочность является важнейшим критерием работоспособности и надёжности.
     Невыполнение условия прочности автоматически делает бессмысленными прочие требования и критерии качества механизмов и машин.
     Действительно, немногого будет стоить технологичная, жёсткая, износостойкая, теплостойкая, виброустойчивая, дешёвая в эксплуатации, ремонтопригодная конструкция машины и, при этом, самого передового дизайна, если она разрушится при первой же нагрузке!

1.3.1. Общие принципы прочностных расчётов деталей машин

     Все этапы проектирования, каждый шаг конструктора сопровождаются расчётами. Это естественно, так как грамотно выполненный расчёт намного проще и в сотни раз дешевле проведённых экспериментальных испытаний.
     Чаще всего конструктор имеет дело с расчётами на прочность.
     Прочность - главный критерий работоспособности большинства деталей, характеризующий длительную и надёжную работу механизмов и машин. Его применяют для того, чтобы оценить способность детали сопротивляться разрушению или пластическому деформированию под действием приложенных к ней нагрузок.
     Основы расчётов на прочность изучаются в курсе «Основы сопротивления материалов» (см. гл. 3). В курсе «Детали машин и основ конструирования машин» (см. гл. 4-7) общие принципы расчётов на прочность рассматриваются на примерах конкретных деталей.
     Различают объёмную и поверхностную (контактную) прочность.
     При недостаточной объёмной прочности деталь разрушается по всему сечению (поломка вала, разрыв болта), при недостаточной контактной прочности деталей происходит разрушение (выкрашивание) поверхности контакта (выкрашивание поверхности зуба у шестерни или зубчатого колеса, рабочей поверхности колец у подшипников качения).
     Различают также разрушение деталей под действием однократного нагружения и при действии переменных нагрузок. В последнем случае плавное изме-

9

нение нагрузки Q за время цикла нагружения (например, нагружение зуба косозубого колеса) обычно заменяют ступенчатым изменением нагрузки путём вписывания прямоугольников со сторонами Qi; tᵢ (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Переменное нагружение деталей: а - действительное; б - эквивалентное

      При расчётах на прочность заданная изначально переменная нагрузка Q 1, Q2, ..., Qi обычно заменяется постоянной нагрузкой Qp, равноценной по результату её влияния на прочность детали (см. рис. 1.2, б). С этой целью находится эквивалентное число циклов нагружения NE < N0, при котором нагрузка Qₚ = Q 1 оказывается равноценной заданной переменной нагрузке по её влиянию на прочность.
      При этом необходимо пользоваться уравнением кривой усталости (рис. 1.3) с некоторыми уточнениями:

QF’-Ne = Q^-Ni,

(1.1)

где m' = m / v; m - показатель степени кривой усталости; v - уточняющий коэффициент.

Рис. 1.3. Пример кривой усталости

10