Лекция №1

Тема 1. Введение

«ОК и ДМ» – научная дисциплина по теории, расчету и конструированию деталей и узлов общемашиностроительного применения. В ее задачи входят обобщение инженерного опыта создания машиностроительных конструкций, разработка научных основ расчета и проектирования надежных элементов и узлов конструкций.

В учебном курсе «ОК и ДМ» комплексно рассматривают конструирование, расчет и технологию изготовления отдельных деталей и узлов машин. Эта дисциплина наглядно демонстрирует, как инженерный замысел претворяется в конструкцию. «ОК и ДМ» – наука о рациональном проектировании – является базой для построения специальных дисциплин.

Курс «ОК и ДМ», являясь одним из ведущих и старейших курсов общеинженерной подготовки, непрерывно развивается вместе с прогрессом науки и техники: появляются новые направления в технике, новые материалы и технологии, требующие новых конструктивных решений, совершенствования методов расчета. Необходимость повышения производительности, быстроходности и надежности машин при уменьшении их массы и создание машин новых поколений требует непрерывного углубления теории и уточнения расчетов деталей и узлов машин.

В курсе «ОК и ДМ» вероятностные расчеты используют в следующих видах:

– принимают значения некоторых параметров, обеспечивающие заданную надежность (например, коэффициента безопасности – аналога квантили – в расчетах зубчатых и волновых передач, коэффициента надежности при расчетах подшипников качения);

– определяют рассеяние значений с заданной вероятностью (например, при расчете зазоров в подшипниках скольжения или натягов в соединениях с натягом).

В изделии детали находятся во взаимосвязи и взаимозависимости, определяющих качественные характеристики изделия. Детали, следовательно, являются элементами системы и необходим системный подход при их расчете и разработке.

Тем большее значение приобретают физические основы и общие принципы построения расчетов, их связь с конструированием.

Основные определения и понятия курса

Расположим понятия по степени сложности.

Деталь – (франц. detail – кусочек) – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций (ГОСТ 2.101-68).

Звено –  группа деталей, образующая подвижную или неподвижную относительно друг друга механическую систему тел.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (ГОСТ 2.101-68).

Узел – законченная сборочная единица, состоящая из деталей общего функционального назначения.

Механизм – система деталей, предназначенная для передачи и преобразования движения.

Аппарат – (лат. apparatus – часть) прибор, техническое устройство, приспособление, обычно некая автономно-функциональная часть более сложной системы.

Агрегат – (лат. aggrego – присоединять) унифицированный функциональный узел, обладающий полной взаимозаменяемостью.

Машина – (греч. «махина» – огромная, грозная) система деталей, совершающая механическое движение для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения труда. Машина характерна наличием источника энергии и требует присутствия оператора для своего управления. Всякая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов.

Автомат – (греч. «аутомотос» – самодвижущийся) машина, работающая по заданной программе без оператора.

Робот – (чешск. robot – работник) машина, имеющая систему управления, позволяющую ей самостоятельно принимать исполнительские решения в заданном диапазоне.

Среди множества разнообразных деталей и узлов можно выделить такие, которые применяют в разных машинах: крепежные винты, зубчатые колеса, валы, подшипники качения, муфты. Эти детали (узлы) называют деталями (узлами) общемашиностроительного применения и изучают в курсе «ОК и ДМ».

Другие детали – поршни, гребные винты, лопатки турбин и др. – применяют только в одном или нескольких типах машин. Их относят к деталям специального назначения и изучают в соответствующих курсах.

Детали и узлы общемашиностроительного применения изготовляют ежегодно в больших количествах (в одном легковом автомобиле более пяти тысяч типодеталей, более тридцати подшипников), поэтому знание основных методов расчета, правил и норм проектирования, подтвержденных статистикой эксплуатации, очень важно для конструкторской подготовки.

Тема 2. Основы проектирования, конструирования и расчета деталей и узлов машин

Процесс разработки машин имеет сложную, разветвлённую неоднозначную структуру и обычно называется широким термином проектирование –  создание прообраза объекта, представляющего в общих чертах его основные параметры.

Проектирование – один из этапов так называемого жизненного цикла изделия, в который входят также этапы производства, эксплуатации и утилизации.

Проектирование представляет собой процесс решения многовариантной и в соответствии с многочисленными и разнообразными требованиями, которым каждый из возможных вариантов должен отвечать, еще и многокритериальной задачи.

Под конструированием некоторые авторы понимают весь процесс от идеи до изготовления машин, некоторые – лишь завершающую стадию его подготовки. Но в любом случае цель и конечный результат конструирования – создание рабочей документации (ГОСТ 2.102-68), по которой можно без участия разработчика изготавливать, эксплуатировать, контролировать и ремонтировать изделие.

Здесь также требуется дать базовые понятия:

Техническое задание – документ, составляемый совместно заказчиком и разработчиком, содержащий общее представление о назначении, технических характеристиках и принципиальном устройстве будущего изделия.

Техническое предложение – дополнительные или уточнённые требования к изделию, которые не могли быть указаны в техническом задании (ГОСТ 2.118-73).

Творчество – специфическая материальная или духовная деятельность, порождающая нечто новое или новую комбинацию известного.

Изобретение – новое решение технической задачи, дающее положительный эффект.

Эскизирование – процесс создания эскиза (франц. es quisse – из размышлений), предварительного рисунка или наброска, фиксирующего замысел и содержащего основные очертания создаваемого объекта.

Компановка – расположение основных деталей, узлов, сборочных единиц будущего объекта.

Расчет – численное определение усилий, напряжений и деформаций в деталях, установление условий их нормальной работы; выполняется по мере необходимости на каждом этапе конструирования.

Чертеж – точное графическое изображение объекта, содержащее полную информацию об его форме, размерах и основных технических условиях изготовления.

Пояснительная записка – текстовый документ (ГОСТ 2.102-68), содержащий описание устройства и принципа действия изделия, а также технические характеристики, экономическое обоснование, расчёты, указания по подготовке изделия к эксплуатации.

Спецификация – текстовый табличный документ, определяющий состав изделия (ГОСТ 2.102-68).

Эскизный проект – первый этап проектирования (ГОСТ 2.119-73), когда устанавливаются принципиальные конструктивные и схемные решения, дающие общие представления об устройстве и работе изделия.

Технический проект – заключительный этап проектирования (ГОСТ 2.120-73), когда выявляются окончательные технические решения, дающие полное представление об изделии.

Рабочий проект – полный комплект рабочей документации (текстовой и графической ГОСТ 2.102-68; 2.106-68), в которой содержится полная информация о конструкции, изготовлении, эксплуатации и ремонте машины.

В любом случае, приступая к каждому этапу конструирования, необходимо чётко обозначить три позиции:

Исходные данные – любые объекты и информация, относящиеся к делу («что мы имеем?»).

Цель – ожидаемые результаты, величины, документы, объекты («что мы хотим получить?»).

Средства достижения цели – методики проектирования, расчётные формулы, инструментальные средства, источники энергии и информации, конструкторские навыки, опыт («что и как делать?»).

Деятельность конструктора-проектировщика обретает смысл только при наличии заказчика – лица или организации, нуждающейся в изделии и финансирующих разработку.

Теоретически заказчик должен составить и выдать разработчику

Техническое Задание – документ, в котором грамотно и чётко обозначены все технические, эксплуатационные и экономические параметры будущего изделия. Но, к счастью, этого не происходит, поскольку заказчик поглощён своими ведомственными задачами, а, главное, не имеет достаточных навыков проектирования. Таким образом, инженер не остаётся без работы.

Работа начинается с того, что заказчик и исполнитель совместно составляют (и подписывают) Техническое Задание. При этом исполнитель должен получить максимум информации о потребностях, пожеланиях, технических и финансовых возможностях заказчика, обязательных, предпочтительных и желательных свойствах будущего изделия, особенностях его   эксплуатации, условиях ремонта, возможном рынке сбыта.

Тщательный анализ этой информации позволит проектировщику правильно выстроить логическую цепочку «Задание – Цель – Средства» и максимально эффективно выполнить проект.

Разработка Технического Предложения начинается с изучения Технического Задания. Выясняются назначение, принцип устройства и способы соединения основных сборочных единиц и деталей. Всё это сопровождается анализом научно-технической информации об аналогичных конструкциях. Выполняются кинематический расчёт, проектировочные расчёты на прочность, жёсткость, износостойкость и по критериям работоспособности. Из каталогов предварительно выбираются все стандартные изделия – подшипники, муфты и т.п. Выполняются первые эскизы, которые постепенно уточняются. Необходимо стремиться к максимальной компактности расположения и удобства монтажа-демонтажа деталей.

На стадии Эскизного Проекта выполняются уточнённые и проверочные расчёты деталей, чертежи изделия в основных проекциях, прорабатывается конструкция деталей с целью их максимальной технологичности, выбираются сопряжения деталей, прорабатывается возможность сборки-разборки и регулировки узлов, выбирается система смазки и уплотнения. Эскизный проект должен быть рассмотрен и утверждён, после чего он становится основой для Технического Проекта. При необходимости изготавливаются и испытываются макеты изделия.

Технический Проект должен обязательно содержать чертёж общего вида, ведомость технического проекта и пояснительную записку. Чертёж общего вида по ГОСТ 2.119-73 должен дать сведения о конструкции, взаимодействии основных частей, эксплуатационно-технических характеристиках и принципах работы изделия. Ведомость Технического Проекта и Пояснительная Записка, как и все текстовые документы должны содержать исчерпывающую информацию о конструкции, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия. Они оформляются в строгом соответствии с нормами и правилами ЕСКД (ГОСТ 2.104-68; 2.105-79; 2.106-68).

Таким образом, проект приобретает окончательный вид – чертежей и пояснительной записки с расчётами, называемыми рабочей документацией.

Среди общих правил конструирования можно отметить следующие три.

Первое. При проектировании рассчитывают на нормальные условия эксплуатации. Так, если рассчитывать детали велосипеда из условий их не повреждения при наезде на непреодолимое препятствие, то получится перетяжеленная конструкция, которая будет трудна в эксплуатации.

Второе. Конструирование есть поиск оптимального компромиссного решения. Часто при проектировании должны быть удовлетворены противоречивые требования. Так, у боевого самолета должно быть обеспечено и достаточное бронирование кабины пилота (что требует увеличения массы) и необходимая дальность и скорость полета (что требует снижения массы).

Третье. При конструировании должно быть выполнено условие равнопрочности. Очевидно, что нецелесообразно конструировать отдельные элементы машины с излишними запасами несущей способности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с отказом конструкции из–за разрушения или повреждения других элементов.

Все этапы проектирования, каждый шаг конструктора сопровождается расчётами. Это естественно, т.к. грамотно выполненный расчёт намного проще и в сотни раз дешевле экспериментальных испытаний.

Чаще всего конструктор имеет дело с расчётами на прочность.

Проектировочным расчетом называют определение основных размеров детали при выбранном материале и по формулам, соответствующим главному критерию работоспособности (прочности, жесткости, износостойкости и др.). Этот расчет применяют в тех случаях, когда размеры конструкции заранее не известны. Проектировочные расчеты являются упрощенными, их выполняют как предварительные.

Проверочным расчетом называют определение фактических характеристик главного критерия работоспособности детали или определение наибольшей допустимой нагрузки на деталь по допускаемым значениям главного критерия работоспособности. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы наклона сечений, температуру, ресурс при заданной нагрузке или допустимую нагрузку при заданных размерах и т.д.

Проверочный расчет является уточненным, его проводят, когда форма и размеры детали известны из проектировочного расчета или приняты конструктивно, когда определена технология изготовления (способ получения заготовки, вид термообработки, качество поверхности и др.).

Несмотря на такие «провокационные» названия, следует помнить, что оба этих вида расчётов всегда сопутствуют друг другу и выполняются на стадии проектирования деталей и машин.

Математическая формулировка условия прочности любой детали очень проста:

, .

Или, говоря техническим языком: напряжения в материале детали должны быть меньше или равны допускаемым напряжениям.

Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых. В качестве допускаемых нельзя назначать предельные напряжения, при которых наступает разрушение материала. Разница между допускаемыми и предельными напряжениями похожа на разницу между краем платформы метро и «белой линией», проведённой примерно в полуметре перед краем. Переход через «белую линию» грозит замечанием от дежурного, а стояние на краю – гибелью.

Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, «с запасом»:

,

где n– коэффициент запаса, (обычно ).

В разных обстоятельствах коэффициент запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин.

Следует обратить внимание на то, какой вид поломок встречается чаще всего. Именно по этому виду поломок, точнее по вызывающим их напряжениям, следует выполнять предварительно проектировочный расчёт. По его результатам строится форма детали, а проверочный расчёт выполняется по напряжениям, вызывающим менее опасные дефекты.

В расчётах не следует гнаться за «абсолютной» точностью и использовать сложные «многоэтажные» формулы. Обширный опыт инженеров-расчётчиков показывает, что усложнение методик расчёта не даёт новых результатов. В расчётах необходимо стремиться к корректным упрощениям.

Расчеты и конструирование органически связаны. Конструированием называют творческий процесс создания механизма или машины в чертежах на основе проектировочных и проверочных расчетов. При разработке конструкции машины рассматривают различные варианты с целью получения оптимальной конструкции при наименьшей стоимости ее изготовления и эксплуатации. Конструирование подразумевает проведение всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт проектирования, изготовления и эксплуатации машин данного типа. Задачи оптимизации выполняют с применением ЭВМ.

Современная проектно–конструкторская деятельность подразумевает системный образ мышления и комплексный подход к проектированию машин.