Детали машин

(от франц. détail — подробность)

        элементы машин, каждый из которых представляет собой одно целое и не может быть без разрушения разобран на более простые, составные звенья машин. Д. м. является также научной дисциплиной, рассматривающей теорию, расчёт и конструирование машин.

         Число деталей в сложных машинах достигает десятков тысяч. Выполнение машин из деталей прежде всего вызвано необходимостью относительных движений частей. Однако неподвижные и взаимно неподвижные части машин (звенья) также делают из отдельных соединённых между собой деталей. Это позволяет применять оптимальные материалы, восстанавливать работоспособность изношенных машин, заменяя только простые и дешёвые детали, облегчает их изготовление, обеспечивает возможность и удобство сборки.

         Д. м. как научная дисциплина рассматривает следующие основные функциональные группы.

         Корпусные детали (рис. 1), несущие механизмы и другие узлы машин: плиты, поддерживающие машины, состоящие из отдельных агрегатов; станины, несущие основные узлы машин; рамы транспортных машин; корпусы ротационных машин (турбин, насосов, электродвигателей); цилиндры и блоки цилиндров; корпусы редукторов, коробок передач; столы, салазки, суппорты, консоли, кронштейны и др.

         Передачи — механизмы, передающие механическую энергию на расстояние, как правило, с преобразованием скоростей и моментов, иногда с преобразованием видов и законов движения. Передачи вращательного движения, в свою очередь, делят по принципу работы на передачи зацеплением, работающие без проскальзывания, — зубчатые передачи (См. Зубчатая передача) (рис. 2, а, б), червячные передачи (См. Червячная передача) (рис. 2, в) и цепные, и передачи трением — ремённые передачи (См. Ремённая передача) и фрикционные с жёсткими звеньями. По наличию промежуточного гибкого звена, обеспечивающего возможность значительных расстояний между валами, различают передачи гибкой связью (ремённые и цепные) и передачи непосредственным контактом (зубчатые, червячные, фрикционные и др.). По взаимному расположению валов — передачи с параллельными осями валов (цилиндрические зубчатые, цепные, ремённые), с пересекающимися осями (конические зубчатые), с перекрещивающимися осями (червячные, гипоидные). По основной кинематической характеристике — передаточному отношению — различают передачи с постоянным передаточным отношением (редуцирующие, повысительные) и с переменным передаточным отношением — ступенчатые (коробки передач (См. Коробка передач)) и бесступенчатые (Вариаторы). Передачи, преобразующие вращательное движение в непрерывное поступательное или наоборот, разделяют на передачи винт — гайка (скольжения и качения), рейка — реечная шестерня, рейка — червяк, длинная полугайка — червяк.

         Валы и оси (рис. 3) служат для поддерживания вращающихся Д. м. Различают валы передач, несущие детали передач — зубчатые колёса, шкивы, звёздочки, и валы коренные и специальные, несущие, кроме деталей передач, рабочие органы двигателей или машин орудий. Оси, вращающиеся и неподвижные, нашли широкое применение в транспортных машинах для поддержания, например, неведущих колёс. Вращающиеся валы или оси опираются на Подшипники (рис. 4), а поступательно перемещающиеся детали (столы, суппорты и др.) движутся по направляющим (См. Направляющие). Опоры скольжения могут работать с гидродинамическим, аэродинамическим, аэростатическим трением или смешанным трением. Опоры качения шариковые применяются при малых и средних нагрузках, роликовые — при значительных нагрузках, игольчатые — при стеснённых габаритах. Наиболее часто в машинах используют подшипники качения, их изготавливают в широком диапазоне наружных диаметров от одного мм до нескольких м и массой от долей г до нескольких т.

         Для соединения валов служат муфты. (См. Муфта) Эта функция может совмещаться с компенсацией погрешностей изготовления и сборки, смягчением динамических воздействий, управлением и т.д.

         Упругие элементы предназначаются для виброизоляции и гашения энергии удара, для выполнения функций двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров и натяга в механизмах. Различают витые пружины, спиральные пружины, листовые рессоры, резиновые упругие элементы и т.д.

         Соединительные детали являются отдельной функциональной группой. Различают: неразъёмные соединения (См. Неразъёмное соединение), не допускающие разъединения без разрушения деталей, соединительных элементов или соединительного слоя — сварные (рис. 5, а), паяные, заклёпочные (рис. 5, б), клеевые (рис. 5, в), вальцованные; разъёмные соединения (См. Разъёмное соединение), допускающие разъединение и осуществляемые взаимным направлением деталей и силами трения (большинство разъёмных соединений) или только взаимным направлением (например, соединения призматическими Шпонками). По форме присоединительных поверхностей различают соединения по плоскостям (большинство) и по поверхностям вращения — цилиндрической или конической (вал — ступица). Широчайшее применение в машиностроении получили сварные соединения. Из разъёмных соединений наибольшее распространение получили резьбовые соединения, осуществляемые винтами, болтами, шпильками, гайками (рис. 5, г).

         Прообразы многих Д. м. известны с глубокой древности, самые ранние из них — рычаг и клин. Более 25 тыс. лет назад человек стал применять пружину в луках для метания стрел. Первая передача гибкой связью была использована в лучковом приводе для добывания огня. Катки, работа которых основана на трении качения, были известны более 4000 лет назад. К первым деталям, приближающимся по условиям работы к современным, относятся колесо, ось и подшипник в повозках. В древности и при строительстве храмов и пирамид пользовались Воротами и Блоками. Платон и Аристотель (4 в. до н. э.) упоминают в своих сочинениях о металлических цапфах, зубчатых колёсах, кривошипах, катках, полиспастах. Архимед применил в водоподъёмной машине винт, по-видимому, известный и ранее. В записках Леонардо да Винчи описаны винтовые зубчатые колёса, зубчатые колёса с вращающимися цевками, подшипники качения и шарнирные цепи. В литературе эпохи Возрождения имеются сведения о ремённых и канатных передачах, грузовых винтах, муфтах. Конструкции Д. м. совершенствовались, появились новые модификации. В конце 18 — начале 19 вв. широкое распространение получили заклёпочные соединения в котлах, конструкциях ж.-д. мостов и т.п. В 20 в. заклёпочные соединения постепенно вытеснялись сварными. В 1841 Дж. Витвортом в Англии была разработана система крепёжных резьб, явившаяся первой работой по стандартизации в машиностроении. Применение передач гибкой связью (ремённой и канатной) было вызвано раздачей энергии от паровой машины по этажам фабрики, с приводом трансмиссий и т.д. С развитием индивидуального электропривода ремённые и канатные передачи стали использовать для передачи энергии от электродвигателей и первичных двигателей в приводах лёгких и средних машин. В 20-е гг. 20 в. широко распространились клиноремённые передачи. Дальнейшим развитием передач с гибкой связью являются многоклиновые и зубчатые ремни. Зубчатые передачи непрерывно совершенствовались: цевочное зацепление и зацепление прямобочного профиля со скруглениями было заменено циклоидальным, а потом эвольвентным. Существенным этапом было появление круговинтового зацепления М. Л. Новикова. С 70-х годов 19 в. начали широко применяться подшипники качения. Значительное распространение получили гидростатические подшипники и направляющие, а также подшипники с воздушной смазкой.

         Материалы Д. м. в большой степени определяют качество машин и составляют значительную часть их стоимости (например, в автомобилях до 65—70%). Основными материалами для Д. м. являются сталь, чугун и цветные сплавы. Пластические массы применяют как электроизолирующие, антифрикционные и фрикционные, коррозионно-стойкие, теплоизолирующие, высокопрочные (стеклопласты), а также как обладающие хорошими технологическими свойствами. Резины используют как материалы, обладающие высокой упругостью и износостойкостью. Ответственные Д. м. (зубчатые колёса, сильно напряжённые валы и др.) выполняют из закалённой или улучшенной стали. Для Д. м., размеры которых определяются условиями жёсткости, используют материалы, допускающие изготовление деталей совершенных форм, например незакалённую сталь и чугун. Д. м., работающие при высоких температурах, выполняют из жаростойких или жаропрочных сплавов. На поверхности Д. м. действуют наибольшие номинальные напряжения от изгиба и кручения, местные и контактные напряжения, а также происходит износ, поэтому Д. м. подвергают поверхностным упрочнениям: химико-термической, термической, механической, термо-механической обработке.

         Д. м. должны с заданной вероятностью быть работоспособными в течение определённого срока службы при минимально необходимой стоимости их изготовления и эксплуатации. Для этого они должны удовлетворять критериям работоспособности: прочности, жёсткости, износостойкости, теплостойкости и др. Расчёты на прочность Д. м., испытывающих переменные нагрузки, можно вести по номинальным напряжениям, по коэффициентам запаса прочности с учётом концентрации напряжений и масштабного фактора или с учётом переменности режима работы. Наиболее обоснованным можно считать расчёт по заданной вероятности и безотказной работы. Расчёт Д. м. на жёсткость обычно осуществляют из условия удовлетворительной работы сопряжённых деталей (отсутствие повышенных кромочных давлений) и условия работоспособности машины, например получения точных изделий на станке. Для обеспечения износостойкости стремятся создать условия для жидкостного трения, при котором толщина масляного слоя должна превышать сумму высот микронеровностей и др. отклонений от правильной геометрической формы поверхностей. При невозможности создания жидкостного трения давление и скорости ограничивают до установленных практикой или ведут расчёт на износ на основе подобия по эксплуатационным данным для узлов или машин того же назначения. Расчёты Д. м. развиваются в следующих направлениях: расчётная оптимизация конструкций, развитие расчётов на ЭВМ, введение в расчёты фактора времени, введение вероятностных методов, стандартизация расчётов, применение табличных расчётов для Д. м. централизованного изготовления. Основы теории расчёта Д. м. были заложены исследованиями в области теории зацепления (Л. Эйлер, X. И. Гохман), теории трения нитей на барабанах (Л. Эйлер и др.), гидродинамической теории смазки (Н. П. Петров, О. Рейнольдс, Н. Е. Жуковский и др.). Исследования в области Д. м. в СССР проводятся в Институте машиноведения, Научно-исследовательском институте технологии машиностроения, МВТУ им. Баумана и др. Основным периодическим органом, в котором публикуются материалы о расчёте, конструировании, применении Д. м., является «Вестник машиностроения».

         Развитие конструирования Д. м. происходит в следующих направлениях: повышение параметров и разработка Д. м. высоких параметров, использование оптимальных возможностей механических с твёрдыми звеньями, гидравлических, электрических, электронных и др. устройств, проектирование Д. м. на срок до морального старения машины, повышение надёжности, оптимизация форм в связи с новыми возможностями технологии, обеспечение совершенного трения (жидкостного, газового, качения), герметизация сопряжений Д. м., выполнение Д. м., работающих в абразивной среде, из материалов, твёрдость которых выше твёрдости абразива, стандартизация и организация централизованного изготовления.

         Лит.: Детали машин. Атлас конструкций, под ред. Д. Н. Решетова, 3 изд., М., 1968; Детали машин. Справочник, т. 1—3, М., 1968—69.

         Д. Н. Решетов.

        

        Рис. 1. Корпусные детали: а — плита; б — горизонтальная станина; в — стойка; г — портальная станина; д — корпус электродвигателя с крышками; е — корпус редуктора; ж — стол.

        

        Рис. 2. Передачи: а — зубчатая цилиндрическая; б — зубчатая коническая; в — червячная.

        

        Рис. 3. Валы и оси: а — вал ступенчатый; б — шпиндель металлорежущего станка; в — вал коленчатый.

        

        Рис. 4. Подшипники: а — шариковый; б — роликовые цилиндрический и конический; в — скольжения.

        

        Рис. 5. Соединения: а — сварное; б — заклёпочное; в — клеевое; г — резьбовое.