Е.Ф. ЧУБЕНКО ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Е.Ф. ЧУБЕНКО
ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Министерство образования и науки РФ
Владивостокский государственный университет
экономики и сервиса
Е.Ф. ЧУБЕНКО
Детали машин и основы конструирования
Методические указания и контрольные задания
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2012
2
ББК 34.44
УДК 621.81
Ч 81
Рецензенты C.Н. Малясев, доцент
каф. Эксплуатация и управление
транспортом
ФГОУ ВПО Дальрыбвтуз (ДВГТРУ)
Т.Е. Коршунова, к.т.н.,
доцент. каф. Эксплуатация и
управление транспортом
ФГОУ ВПО Дальрыбвтуз (ДВГТРУ)
Чубенко Е.Ф.
Ч 81, Детали машин и основы конструирования:
Методические указания и контрольные задания. - Владивосток:
Изд-во ВГУЭС, 2012.-,,,,,,,,,,, с.
Методические указания и контрольные задания разработаны в
соответствии с учебной программой курса, а также требованиями
образовательного стандарта России к учебной дисциплине Детали
машин и основы конструирования.
Содержат
необходимые
сведения
о
деталях
машин
общемеханического назначения, видах и режимах нагрузок, сварных,
резьбовых, шпоночных и шлицевых соединениях, зубчатых, червячных,
ременных, фрикционных и цепных передачах, осях и валах,
подшипниках качения и скольжения.
Для студентов направления 190600.62 Эксплуатация транспортных
средств заочной формы обучения.
ББК 34.44
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина Детали машин и основы конструирования охватывает
теорию, расчет и конструирование деталей и узлов машин
общемеханического назначения.
Курс базируется на общенаучных и общетехнических дисциплинах.
Данные методические указания и контрольные задания составлены
в полном соответствии с ФГОС-3 и программой курса Детали машин и
основы проектирования.
Цель изучения дисциплины – исходя из заданных условий работы
деталей и узлов машины, усвоить методы, правила и нормы их
проектирования, обеспечивающие выбор наиболее рациональных для
них материалов, форм, размеров, степени точности и качества
поверхности, а также технических условий их изготовления.
По курсу планируется выполнить контрольную работу и сдать
экзамен.
В процессе изучения курса следует разобраться в чертежах и
расчетных формулах, чтобы ясно представить себе сущность изучаемой
конструкции или формулы и уметь самостоятельно их воспроизвести.
4
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
При выполнении контрольной работы следует изучить основы
конструирования и расчета деталей машин. Этот раздел дисциплины
призван ознакомить студентов с видами и режимами нагрузок,
действующих на детали машин, с методами выбора допускаемых
напряжений и запасов прочности, технологическим требованиями,
предъявляемыми к деталям машин общемеханического назначения.
Особое внимание следует уделить принципиальным основам
расчета деталей машин на прочность, жесткость, устойчивость,
износостойкость и теплостойкость.
При изучении сварных соединений нужно подробно рассмотреть
вопросы расчета сварных швов на прочность, на их преимущества и
недостатки.
Резьбовые соединения занимают особое место в машиностроении.
Следует усвоить следующие вопросы: резьбы и их разновидности,
ГОСТы на резьбы, достоинства, недостатки и области применения
отдельных видов резьб, конструкции болтов, винтов, шпилек, гаек,
шайб и гаечных замков, их материалы для изготовления.
Особое внимание следует уделить расчету болтов под действием
статических и переменных нагрузок, способам увеличения прочности
болтов, винтов, шпилек и гаек.
Нужно ознакомиться с конструкциями шпонок, шлицевых и
профильных соединений, изучить способы центрирования и расчет
шпонок и шлицевых соединений.
При изучении передач нужно уяснить их назначение и роль в
машинах, классификацию, общие кинематические и энергетические
соотношения, определение передаточных отношений, КПД и
контактных напряжений в условиях статического нагружения.
Зубчатые и червячные передачи занимают особое место в
машиностроении. Необходимо разбираться в видах зубчатых и
червячных передач, их устройстве, достоинствах и недостатках, методах
расчета на контактную прочность и на изгиб, способах смазки и
тепловом расчете.
Также нужно рассмотреть следующие вопросы: основные виды
ременных передач и их области применения, материал и конструкция
ремней, геометрические, кинематические и силовые зависимости в
ременных передачах, расчет ремней по тяговой способности на
долговечность.
При изучении цепных передач следует рассмотреть основные виды
цепных передач, области их применения, кинематические и силовые
зависимости, а также подбор цепей по ГОСТам.
5
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Указания к выполнению контрольных заданий
Студенты
ИЗДО
направления
190600.62
Эксплуатация
транспортно-технологических машин и комплексов (профиль
Автомобильный сервис) выполняют одну контрольную работу, которая
состоит из 10 задач, приведенных в 10 вариантах. Номер варианта
соответствует последней цифре шифра зачетной книжки студента.
Оформление контрольной работы должно соответствовать
требованиям действующего СТО.
При выполнении задач необходимо полностью переписать условие,
составить эскиз того соединения или передачи, которые рассчитывают,
указать все действующие на них усилия и моменты и выписать
заданные величины.
Эскиз и необходимые графические построения следует выполнять с
помощью изученного студентом графического редактора с
использованием требований ЕСКД по выполнению чертежей.
При решении задачи следует вначале наметить ход решения и
допущения, которые могут быть положены в его основу, а затем
выполнить само решение. Все необходимые вычисления следует
сделать вначале в общем виде, обозначая все данные и искомые
величины буквами, а затем привести числовое решение. Везде
необходимо придерживаться стандартных обозначений.
Решение
должно
быть
выполнено
в
определенной
последовательности, чтобы был виден логический ход решения,
обосновано теоретически и пояснено необходимым текстом и краткими
формулировками произведенных действий.
Контрольная работа в обязательном порядке должна содержать
список использованных источников.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ
Задача 1
Рассчитать сварное соединение, крепящее неподвижный блок
монтажного устройства к плите (рис.1) по данным таблицы 1.
Величина
F, кН
α, мм
h, мм
1
400
π/4
500
2
410
π/5
520
3
420
π/6
540
Таблица 1
Варианты
4
5
6
430 440 450
π/4 π/5 π/6
560 580 600
7
460
π/4
620
8
470
π/5
640
9
480
π/6
660
10
500
π/4
680
6
Рис. 1
Задача 2
Подобрать по ГОСТу подвижное шлицевое соединение блока
шестерен с валиком коробки скоростей (рис.2) и проверить его на
прочность. Блок шестерен переключается не под нагрузкой. Диаметр
вала D и передаваемый крутящий момент Т приведены в таблице 2.
Величина
D, мм
T, Нм
1
40
500
2
42
510
3
44
520
Таблица 2
Варианты
4
5
6
46
48
50
530 540 550
7
52
560
8
54
570
9
56
580
10
58
600
Рис. 2
Материал вала – сталь 45, материал блока – сталь 40Х,
7
Задача 3
Рассчитать шпильки, которыми крышка прикреплена к паровому
цилиндру (рис.3). Давление пара в цилиндре часто меняющееся от 0 до
максимального значения р. Максимальное рабочее давление пара р,
внутренний диаметр цилиндра D и наружный диаметр крышки и фланца
цилиндра D1 приведены в таблице 3. Недостающие данные задать
самостоятельно.
Величина
р,
МПа
D,
мм
D1,
мм
1
0,4
2
0,5
3
0,4
Таблица 3
Варианты
4
5
6
0,5
0,4 0,5
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
500
7
0,4
8
0,5
9
0,4
10
0,5
Рис. 3
Задача 4
Рассчитать клиноременную передачу (рис. 4). Передаваемая
ведущим шкивом мощность Р1, угловая скорость его ω1 и угловая
скорость ведомого шкива ω2 приведены в таблице 4. Режим работы
передачи задать самостоятельно.
8
Величина
Р1, кВт
ω1, рад/с
ω2, рад/c
1
12
300
100
2
13
290
90
3
14
280
80
Таблица 4
Варианты
4
5
6
15
16
17
270 260 250
70
60
50
7
18
240
40
8
19
230
30
9
20
220
30
10
21
210
30
Рис. 4
Задача 5
Рассчитать глобоидную передачу редуктора (рис.5). Передаваемая
червяком мощность Р1, угловая скорость его ω1 и угловая скорость
червячного колеса ω2 приведены в таблице 5. Срок службы редуктора
35000 часов.
Величина
Р1, кВт
ω1, рад/с
ω2, рад/c
1
10
100
5
2
15
100
6
3
20
100
7
Таблица 5
Варианты
4
5
6
25
30
35
100 100 120
8
9
10
7
40
120
9
8
45
120
8
9
50
120
7
10
55
120
6
9
Рис. 5
Задача 6
По данным предыдущей задачи 5 рассчитать вал червячного колеса
редуктора (рис.5) и подобрать для него по ГОСТу подшипники качения.
Расстояние между подшипниками вала принять конструктивно.
Недостающие данные задать самостоятельно. Привести рабочий чертеж
вала (пример показан на рис. 6).
Рис. 6
10
Задача 7
Рассчитать винт и гайку домкрата (рис. 7). Вес груза приведен в
таблице 6.
Материал винта – сталь 40, станины чугун СЧ 15-32. Винт
самотормозящийся с прямоугольной резьбой. Коэффициент трения на
поверхности резьбы и на торце винта 0,15. Недостающие данные задать
самостоятельно.
Величина
F, кВт
1
50
2
60
3
65
Таблица 6
Варианты
4
5
6
70
75
80
7
85
8
90
9
95
10
100
Рис. 7
Задача 8
Определить основные размеры открытой фрикционной передачи
коническими катками (рис. 8) и нагрузки на ее валы по данным,
приведенным в таблице 7, где N – передаваемая мощность, n1 - частота
вращения ведущего вала, n2 – частота вращения ведомого вала.
Материал катков – сталь ШХ15, допускаемое контактное напряжение
[σ]к = 700 Н/мм2. Валы пересекаются под прямым углом.
11
1
5
400
2
6
500
3
7
600
Таблица 7
Варианты
4
5
6
8
9
8
700 800 900
100
200
300
400
Величина
N, кВт
n1,
об/мин
n2,
об/мин
100
200
7
7
800
8
6
700
9
5
600
10
5
500
300
400
100
200
Рис. 8
Задача 9
Рассчитать открытую плоскоременную передачу от асинхронного
двигателя мощностью N при частоте вращения n1 к насосу с частотой
вращения n2. Работа односменная. Угол наклона передачи к горизонту
300. Электродвигатель без стандартного шкива установлен на
поворотной платформе для периодического регулирования натяжения
ремня. Исходные данные приведены в таблице 8.
1
10
750
2
15
900
3
20
750
Таблица 8
Варианты
4
5
6
25
30
35
900 750 900
500
600
400
500
Величина
N, кВт
n1,
об/мин
n2,
об/мин
600
400
7
40
750
8
45
900
9
50
750
10
55
900
500
600
400
500
12
Задача 10
Подобрать роликовую цепь для привода конвейера по следующим
данным: мощность на валу ведущей звездочки N, частота вращения
ведущей звездочки n1, частота вращения ведомой звездочки n2,
регулировка натяжения цепи за счет перемещения опор ведущей
звездочки, нагрузка с толчками, линия наклона под углом β = 50 0 к
горизонту, работа двухсменная, смазка периодическая. Исходные
данные приведены в таблице 9.
Таблица 9
Величина
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
N, кВт
2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4
n1,
750 800 850 900 750 800 850 900 750 900
об/мин
n2,
300 400 500 300 400 500 300 400 500 300
об/мин
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ
При подготовке к защите контрольной работы следует
ориентироваться на следующие контрольные вопросы.
1). В чем сущность расчетов деталей машин на прочность,
устойчивость,
жесткость,
износостойкость,
виброустойчивость,
износостойкость?
2). Каковы методы выбора допускаемых напряжений и запасов
прочности в машиностроении?
3). Какие машиностроительные материалы являются основными?
4). В чем сущность соединения вал – ступица?
5). Каковы основные виды разъемных и неразъемных соединений?
6). В чем заключаются преимущества сварных соединений по
сравнению с клепаными, литыми и коваными?
7). Каковы основные виды сварки в машиностроении?
8). Каковы основные виды сварных швов?
9). Как рассчитывают угловые, лобовые, фланговые и
комбинированные сварные швы?
10). Как рассчитывают сварной шов, подверженный действию
изгибающего момента?
11). Как рассчитывают сварные швы соединений, работающих на
сложное сопротивление?
Как рассчитывают стыковые сварные швы?
Как рассчитывают сварные швы при переменных нагрузках?
13
Как различают типы резьб по назначению и по геометрической
форме и какие из них являются стандартными?
Какие существуют виды резьбы по числу заходов и по
направлению наклона витков и где их применяют?
Почему для болтов применяют треугольную резьбу?
Какие различают виды метрической резьбы?
Почему метрическая резьба с крупным шагом имеет
преимущественное применение?
Когда применяют резьбы с мелкими шагами, а также
прямоугольную трапецеидальную упорную и круглую?
Как рассчитывают резьбу?
Какие различают болты и винты по форме головок и какие из них
нормализованы ГОСТами?
Какие различают болты, винты и шпильки по назначению и по
конструкции?
Какие гайки, шайбы и гаечные замки различают по конструкции и
какие из них нормализованы ГОСТом?
Из какого материала выполняют болты, винты, шпильки, гайки,
шайбы и гаечные замки?
Как рассчитывают болты, винты и шпильки при действии на них
статических нагрузок в следующих случаях: а) болт нагружен осевой
растягивающей силой; б) болт нагружен осевой силой и крутящим
моментом затяжки; в) предварительно затянутый болт дополнительно
нагружен осевой растягивающей силой с последующей затяжкой болта
или без нее; г) болт, установленный в отверстие с зазором, нагружен
поперечной силой; д)
предварительно затянутый болт с
эксцентрической головкой дополнительно нагружен внешней
эксцентрической силой?
Какие устройства применяю для разгрузки болта от действующей
поперечной силы?
Когда применяют шпильки и винты вместо болтов?
Как рассчитывают болт, винт и шпильку при действии на них
переменных нагрузок?
Какова методика расчета групп болтов?
Как определяют допускаемые напряжения для болтов, винтов и
шпилек при расчете их на прочность?
Для чего служат шпонки?
Какие шпонки нормализованы ГОСТами?
Где применяют различные виды шпонок?
Из какого материала изготавливают шпонки и как определяют их
размеры?
Как
производится
проверочный
расчет
призматических,
сегментных и клиновых шпонок?
14
Какие различают шлицевые соединения и какие из них
нормализованы ГОСТом?
Какие преимущества имеют шлицевые соединения по сравнению
со шпоночными?
Как осуществляется центрирование шлицевых соединений?
Как рассчитывают шлицевые соединения?
Каково назначение механических передач?
В чем заключается классификация механических передач?
Как определяют передаточное отношение и КПД передач?
Какие различают виды зубчатых передач и где их применяют?
Каковы основные достоинства зубчатых передач по сравнению с
другими передачами?
Почему эвольвентное зацепление имеет преимущественное
применение?
Каков стандартный исходный профиль рейки эвольвентного
зацепления?
Какие различают виды зубьев и где их применяют?
Что такое модуль зацепления?
Какие модули различают для косых, шевронных и криволинейных
зубьев?
Как определяют начальный и делительный диаметры зубчатого
колеса?
Как вычисляют диаметры вершин и впадин зубьев?
Что такое коэффициент перекрытия и каково его минимальное
значение?
Какое минимальное число зубьев допускается для колес различных
видов зубчатых передач?
Что представляет собой передача со смещением и для чего ее
применяют?
Что такое коэффициент смещения?
Какое максимальное передаточное число допускается для одной
пары различных видов зубчатых передач?
Какие потери имеют место в зубчатой передаче и чему равен ее
КПД?
Как определяют силы давления на валы со стороны зубчатых колес
в различных видах зубчатых передач?
Из каких материалов изготавливают зубчатые колеса и их зубья?
Какие различают зубчатые колеса по конструкции?
По каким причинам зубчатые передачи выходят из строя?
Как производится расчет зубьев на изгиб и контактную прочность?
По какому зубчатому колесу производится расчет зубьев на
контактную прочность и по какому на изгиб?
Что такое зубчатый редуктор?
15
Какова классификация зубчатых редукторов?
Как осуществляют смазку зубчатых колес?
Как производят расчет зубчатых редукторов на отвод теплоты?
Какие различают виды червяков и червячных передач?
Почему червячная цилиндрическая передача с архимедовым
червяком имеет преимущественное распространение?
Каковы преимущества и недостатки червячной передачи по
сравнению с зубчатой и где ее применяют?
Как определяется КПД червячной передачи?
Чем характеризуется самоторможение червячной передачи?
Когда применяют самотормозящую червячную передачу?
Из каких материалов изготавливают червяки и червячные колеса?
Чему равно минимальное число зубьев червячного колеса?
Как определяют число заходов резьбы червяка и делительный
диаметр цилиндра?
Какие силы действуют на червяк и на червячное колесо и как их
определяют?
Как производится расчет зубьев червячных колес на контактную
прочность и на изгиб?
Какова конструкция современных червячных редукторов?
Как осуществляется смазка червячных передач?
Как производится тепловой расчет червячных редукторов?
Какие различают виды ремней по форме их поперечного сечения?
Из каких материалов изготавливают плоские, клиновые и зубчатые
ремни?
Какие плоские и клиновые ремни нормализованы ГОСТами?
Каковы достоинства и недостатки отельных типов ремней?
Какие различают виды ременных передач и где их применяют?
Каковы достоинства и недостатки ременной передачи по
сравнению с другими передачами?
Как определяют передаточное число ременной передачи с учетом
проскальзывания ремня?
Как определяют силы натяжения ветвей ремня?
От чего зависит коэффициент трения между шкивом и ремнем?
Какие потери мощности имеют место в ременной передаче и чему
равен ее КПД?
Как рассчитывают плоские и клиновые ремни по тяговой
способности?
Как рассчитывают ремни на долговечность?
Из каких материалов изготавливают шкивы?
Какие размеры шкивов нормализованы ГОСТами?
Какие различают виды ременных вариаторов, как они устроены и
где их применяют?
16
Какие различают основные виды фрикционных передач?
Каковы достоинства и недостатки фрикционных передач?
Где применяют фрикционные передачи с постоянным
передаточным отношением и где вариаторы?
Из каких материалов изготавливают колеса фрикционных передач?
Какими способами увеличивают трение между колесами
фрикционных передач?
Как определяют передаточное отношение отдельных видов
фрикционных передач?
Что такое диапазон регулирования вариатора и как его
определяют?
Какие потери имеют место во фрикционных передачах и чему
равен КПД этих передач?
Как производится расчет колес фрикционных передач на
контактную прочность?
Каковы достоинства и недостатки цепной передачи и где ее
применяют?
Какие различают виды приводных цепей и какие из них
нормализованы ГОСТами?
Где применяют различные виды цепей?
Какие потери имеют место в цепной передаче и чему равен ее
КПД?
Как осуществляется смазка цепных передач?
Из каких материалов изготавливают звездочки и приводные цепи?
Как производится расчет цепи на долговечность?
Что такое ось и вал и какая между ними разница?
Какие различают виды осей и валов?
Что называется цапфой, шипом, шейкой и пятой?
Какие различают по конструкции цапфы и пяты и где применяют
их различные виды?
Из каких материалов изготавливают оси и валы?
Как рассчитывают оси и валы на статическую прочность? На
сопротивление усталости? на жесткость?
В каких случаях валы можно рассчитывать только на кручение?
Что такое критическая угловая скорость оси или вала?
В каких областях машиностроения применяют подшипники
скольжения?
Какие различают виды трения в подшипниках скольжения и чем
они отличаются между собой?
Почему при жидкостном трении режим работы подшипника
скольжения является самым благоприятным?
Какие различают подшипники скольжения в зависимости от
направления воспринимаемой ими нагрузки?
17
Какие различают типы подшипников скольжения по конструкциям
и какие из них нормализованы ГОСТом?
Для чего предназначены вкладыши?
Из каких материалов изготавливают корпуса и вкладыши
подшипников скольжения?
Как определяют основные размеры подшипников скольжения?
Какие смазочные материалы применяют в подшипниках
скольжения?
Из каких деталей состоят подшипники качения?
Из каких материалов изготавливают шарики, ролики, кольца и
сепараторы подшипников качения?
Каковы достоинства и недостатки подшипников качения по
сравнению с подшипниками скольжения?
Какие различают виды подшипников качения по форме тел качения
и по направлению воспринимаемой ими нагрузки?
Что представляют собой стандартные размерные серии
подшипников качения?
Какие различают серии подшипников качения и когда их
применяют?
Какие различают основные виды шарико- и роликоподшипников по
конструкции и где их применяют?
Каковы достоинства и недостатки шарикоподшипников по
сравнению с роликоподшипниками?
Какие существуют способы посадки и закрепления подшипников
качения на валах и в корпусах?
Для чего применяют смазку в подшипниках качения и как она
осуществляется?
Как рассчитывают подшипники качения на долговечность и по
статической нагрузке?
Как подбирают подшипники качения по ГОСТу?
Какие различают группы муфт по назначении и по принципу
действия?
Какие различают способы смазки?
Где применяют жидкую, консистентную и твердую смазки?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
Гузенков П.Г. Детали машин. -М.: Высшая школа, 2006.
Мархель И.И. Детали машин. -М.: Машиностроение, 2006.
Кузьмин А.В. Расчеты деталей машин: Справочное пособие. –
М.: Высшая школа, 2011, с. 341.
Подшипники качения. Справочник-каталог. Под ред. В.Н.
Нарышкина и Р.В. Коросташевского. -М.: Машиностроение,
2004, с. 280.
18
19