Общие сведения о структуре машин и механизмови машин

Раздел I. Общие сведения о структуре машин и механизмов

Глава 1. Детали машин

 

Машиной называется техническое устройство, в котором разные виды энергии (электрическая, мускульная и др.) превращаются в  механическую энергию. Машина, которая  выполняет все необходимые операции по заданной программе без непосредственного участия человека, — это уже автомат.

 

Машина представляет собой совокупность нескольких механизмов (узлов), при  приведении в действие одного из которых  приходит в действие вся машина.

 

Механизм — это совокупность нескольких деталей, деталь — наименьшая часть, предел делимости машины.

 

1.1 .Общие  сведения  о машиностроительных материалах

Из сплавов цветных металлов чаще применяются латуни, бронза, баббиты, алюминиевые сплавы.

Латунями  называются сплавы меди с цинком; в некоторые латуни добавляют другие легирующие компоненты, улучшающие их свойства. Латуни тверже и прочнее самой меди, более коррозионностойкие.

Бронза — сплав меди с любыми металлами, кроме цинка. Данные сплавы обладают хорошей коррозионностойкостью, высокими антифрикционными свойствами.

Баббиты представляют собой сплавы олова или свинца с различными добавками, антифрикционные свойства которых позволяют использовать их для изготовления вкладышей подшипников.

Алюминиевые сплавы — соединения алюминия с медью, марганцем, кремнием и магнием.

Машиностроительные материалы  обладают следующими механическими  характеристиками: твердостью, упругостью, пластичностью, хрупкостью.

Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого тела.

Упругость — свойство материала изменять свою форму под воздействием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения такого воздействия.

Пластичность — свойство материала деформироваться под действием нагрузки и сохранять приобретенную форму после прекращения нагрузки.

Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием быстродействующих сил.

В последнее время в оборудовании для предприятий общественного  питания много деталей изготавливается из пластмасс (соединение органических смол с различными добавками). Такие детали легче, не проводят электроток, не горят, дешевле, но с теми же механическими характеристиками, что и детали из металлов или сплавов.

 

Черные и цветные металлы  в чистом виде применяются редко, так как в них отсутствует  комплекс необходимых свойств. Из чистых металлов в основном применяются алюминий, медь, олово, хром, никель.

Механизмы и детали машин изготавливаются  из различных материалов: металлов, пластмасс, оргстекла, дерева, теплоизоляционных  материалов, пластика и композиционных материалов. Наибольшее применение в машиностроении нашли металлы, которые используются или в чистом виде, или в виде сплавов.

Сплавы же по своим характеристикам  значительно превосходят многие чистые металлы, поэтому большинство  деталей изготавливается из сплавов металлов друг с другом и сплавов нескольких металлов и металлов с неметаллами (рис. 1.1).

 

 

Рис. 1.1. Классификация  сплавов

 

Из сплавов черных металлов наиболее часто применяются сталь и  чугун, представляющие собой соединение железа с углеродом. В стали углерода содержится до 2%, в чугуне — 2—4%.

 

Наличие в чугуне углерода свыше 2% позволяет ему выдерживать намного  большие нагрузки, чем сталь, но при  этом повышается хрупкость.

 

На свойства стали значительное влияние оказывают различные примеси и добавки металлов, а также термическая обработка — закаливание, отпуск, отжиг. Закаливание — это нагрев стали до определенной температуры, а затем быстрое ее охлаждение, что приводит к увеличению хрупкости, прочности, твердости. Отпуск и отжиг представляют собой нагрев до определенной температуры с последующим постепенным охлаждением. Отпуск и отжиг стали уменьшают действие закаливания, твердость и хрупкость, повышают пластичность.

 

1.3. Детали соединений

 

Жесткое соединение деталей  машин может быть двух видов: разъемное и неразъемное.

 

1.3.1. Неразъемные соединения

 

Неразъемные соединения позволяют выдерживать большие  нагрузки, чем разъемные, они проще и дешевле, но при необходимости разъединения деталей приходится нарушать их целостность. Как видно из рис. 1.2, к неразъемным относятся сварные, заклепочные, клеевые соединения, а также соединения пайкой (паяные) и посадка с натягом.

 

Сварные соединения образуются путем сварки деталей. При этом различают сварку давлением, плавлением, контактную, трением, ультразвуком, электронно-лучевую и т. д.

 

Сварка — соединение деталей  посредством их местного нагрева  до пластичного состояния и использования  сил молекулярного взаимодействия на месте стыка, где образуется сварной  шов. Для местного нагрева используется энергия электрической дуги (электросварка), энергия горящего газа (газосварка), нагрев тел при трении. Для сварки тугоплавких металлов и получения высококачественных швов применяют электронно-лучевую сварку, при которой нагрев производится электронным лучом в вакууме.

 

 

 

По назначению различают сварные  швы: прочные, способные выдерживать  большие нагрузки, плотные, обеспечивающие герметичность, и прочно-плотные, например, для изготовления сосудов, работающих под повышенным давлением.

 

В зависимости от расположения в пространстве соединяемых деталей швы бывают стыковые, когда детали нахо дятся в одной плоскости (рис. 1.3,а,б) и угловые, когда детали соединяются внахлестку (в), в тавр (г) и под углом (д).

 

 

 

Рис. 1.2. Классификация деталей машин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соединения пайкой выполняются тогда, когда невозможно и (или) нежелательно применять сварку. В этом случае до температуры плавления нагревают не соединяемые детали, а припои — специальный металл или сплав, который плавится при более низкой температуре, чем металл соединяемых деталей. С помощью паяльника расплавленным припоем обрабатывают поверхности соединяемых деталей и они соединяются силами молекулярного сцепления. После остывания припоя детали жестко соединяются друг с другом.

 

 

 

Рис. 1.3. Сварные швы

 

Заклепочные соединения. В случаях когда невозможно применять самый дешевый способ соединения сваркой, детали соединяют специальным элементом — заклепкой (рис. 1.4).

 

Заклепка  — стержень цилиндрической формы 2 с закладной головкой 1, которая  может быть различной формы: полусферической (а), потайной (б), полупотайной (в) и плоскоконической (г).

 

Заклепки  изготавливаются из алюминия, меди, их сплавов, реже из стали. Размеры заклепок и их форма стандартизированы. Для  соединения деталей в них просверливаются сквозные отверстия; отверстия совмещают и снизу вставляют заклепку, под которую устанавливают поддержку. На выступающий конец заклепки воздействуют обжимкой (молотком, кувалдой), в результате чего конец превращается в замыкающую головку 3, а заклепка становится короче, но толще, заполняя пространство между деталями. Расположенные в ряд заклепки образуют заклепочные швы, которые по назначению бывают: прочные, плотные и прочно-плотные. При соединении деталей встык применяют одну или две накладки (рис. 1.4, д), которые располагают над или под соединяемыми деталями.

 

 

 

Рис. 1.4. Заклепки:

 

I — заклепочное  соединение, II — виды заклепок

 

Посадка с натягом применяется значительно реже, чем сварные и заклепочные соединения. Для этого одну из соединяемых деталей со сквозным отверстием или углублением нагревают до высокой температуры, при этом диаметр отверстия увеличивается, деталь натягивают на другую. При остывании отверстие принимает первоначальный размер и происходит жесткое соединение деталей. При необходимости аналогичным образом детали можно рассоединить.

 

Клеевые соединения. В последнее время промышленность стала выпускать новые виды клея, способного скреплять различные материалы: дерево с металлом, пластик с металлом, металлы с металлами и т. п. Новые виды клея позволяют соединяемым деталям выдерживать определенные нагрузки, что расширяет возможности использования клеевых соединений в машиностроении.

 

1.3.2. Разъемные соединения

 

В отличие от неразъемных разъемные  соединения позволяют производить  многократную сборку и разборку деталей без нарушения их целостности. К разъемным относятся резьбовые, шпоночные, шлицевые, клиновые, штифтовые и профильные соединения (см. рис. 1.2).

 

Резьбовые соединения. В них соединение деталей происходит путем завинчивания одной детали внутрь другой с помощью резьбовой (винтовой) поверхности.

 

В таких соединениях резьба у  одной детали нарезается снаружи, а  у другой внутри. При этом завинчиваемая  деталь совершает вращательное движение вокруг своей оси и одновременно поступательное движение вдоль нее.

 

В торговом машиностроении для соединения деталей и агрегатов широко применяются  различные крепежные детали с  резьбой: болты, винты, шпильки, гайки  и шайбы.

 

Болты и винты по конструкции  схожи между собой — цилиндрической формы стержень с головкой на одном конце и резьбой на другом. Головки болтов бывают различной формы: шестигранной (рис. 1.5, а), шестигранной с отверстием (б), полукруглой и с квадратным подголовником (в) или с усом (г), потайной (д). Соединение болтом наиболее простое и распространенное. В соединяемых деталях просверливаются сквозные отверстия; отверстия совмещают и вставляют в них болт, а на выступающий конец с резьбой навинчивают гайку.

 

 

 

Рис. 1.5. Болты:

 

 

I - соединение с помощью болта; II — виды болтов

 

Гайкой называется деталь различной  формы со сквозным отверстием и внутренней резьбой (рис. 1.6). Наиболее часто применяются  гайки шестигранной (а, б), реже —  квадратной и круглой /в, г) формы. Гайки, которые завинчиваются "от руки" (гайки-барашки), бывают открытые и закрытые (д, е). Иногда при вибрациях и динамических нагрузках происходит самовывинчивание гаек. Для предотвращения этого и увеличения силы трения применяют гаечный замок — вплотную к основной гайке 2 навинчивают контргайку 1 (рис. 1.6, ж) или используют пружинные шайбы, имеющие срез, загнутые концы которого предотвращают самовывинчивание.

 

 

 

Рис. 1.6. Гайки

 

 

Винты применяются в том случае, когда невозможно или экономически невыгодно применять соединение болтом. Винтовое соединение менее  надежно, выдерживает меньшие нагрузки, чем болтовое. Для соединения винтом в одной из деталей просверливают сквозное отверстие, а в другой детали в углублении для стержня винта нарезается внутренняя резьба. Через деталь со сквозным отверстием вставляют стержень винта и вкручивают его во вторую деталь. Головки винтов могут быть различной формы: шестигранные и четырехгранные под гаечный ключ (рис. 1.7, ж, з), потайные (д), полупотайные, полусферические со шлицей (прорезью) под отвертку (г), шестигранные и четырехгранные со шлицей для двойного применения (б, в), полукруглые (а), без головки со шлицей (и) и под ключ (к), с головкой под ключ (е). Для облегчения подъема изделий применяются рым-болты (л), головка которых выполнена в виде большого кольца для захвата грузоподъемными машинами. Для закрепления на валах различных деталей применяют установочные винты (и, к) с плоскими, коническими или цилиндрическими концами без головок, имеющие шлицы под отвертку обыкновенную либо с крестообразным шлицем под специальную отвертку.

Рис. 1.7. Винты:

I - соединение с помощью винта, II — виды винтов

 

Шпилька — цилиндрический стержень с резьбой на обоих концах. При соединении с помощью шпильки можно получать как болтовое соединение (реже), так и соединение винтом. Если в обеих деталях имеются сквозные отверстия, то в совмещенные отверстия вставляется шпилька, а на выступающие концы стержня с двух сторон навинчиваются гайки.

Если в одной из деталей есть резьбовое углубление, то в него до отказа завинчивается один конец  шпильки, на стержень надевается вторая деталь, а затем на свободный конец шпильки навинчивается гайка (рис. 1.8). Для разборки соединения достаточно отвинтить гайку и удалить деталь, а шпильку можно не выворачивать.

 

 

 

 

 

 

 

 

Соединения с помощью шпилек более надежны, чем соединения винтом, а в некоторых случаях и надежнее, чем болтом.

 

Клиновые соединения. В соединениях данного типа для скрепления деталей используется клин, представляющий собой пластинку, ограниченную параллельными или непараллельными плоскостями (рис. 1.9, а). Для скрепления деталей в них проделываются соответствующей формы отверстия, затем отверстия совмещают и вставляют клин. Если у клина параллельные плоскости, то он вставляется и вынимается свободно и соединение называется ненапряженным. В напряженных клиновых соединениях (рис. 1.9, б) боковые стороны клина непараллельны, клин вставляют в пазы скрепляемых деталей и заколачивают. Благодаря малому углу между боковыми сторонами клин надежно удерживается в пазах деталей силой трения.

 
Рис. 1.8. Шпилька             Рис. 1.9. Клиновые соединения

 

Штифтовые соединения. Штифт — крепежная деталь цилиндрической или конической формы с головками или без них (рис. 1.10). Для соединения в деталях просверливаются сквозные отверстия (например, на валу и в детали), отверстия совмещают и в них вставляют штифт. Штифтовые соединения бывают напряженными (a) и ненапряженными (б, в). Иногда конец штифта снабжается пропилом и разводится после монтажа, а при необходимости демонтажа усики пропила сводятся и штифт легко удаляется (г). Конические штифты бывают с резьбой на конце (в) или без нее (a). Штифты устанавливаются перпендикулярно оси вала.

 

Рис. 1.10. Штифтовые соединения

 

Шпоночные соединения. В торговом машиностроении шпоночные соединения применяются достаточно широко: для крепления к валам и передачи вращения шкивам, колесам, звездочкам и другим деталям, а также для жесткой фиксации деталей друг с другом, например, в мясорубке для фиксации ножевых решеток внутри корпуса (рис. 1.11). Шпонка — клиновая деталь с параллельными или непараллельными гранями, в отличие от штифтов устанавливается параллельно оси вала.