Программа дисциплины "Детали машин и основы конструирования" Для специальностей дипломированных инженеров Москва, 1995 Настоящая программа составлена в соответствии с Госу- дарственным образовательным стандартом утвержденным Госкомву- зом России 7 мая 1993г для групп специальностей 110000 "Метал- лургия", 120000 "Машиностроение и металлообработка", 130000 "авиационная и ракетно-космическая техника", 140000 "Судостро- ение", 150000 "Автомобили и тракторы", 160000 "Энергетическое машиностроение", 170000 "Технологические машины и оборудова- ние", а также для специальностей групп 240000 "Эксплуатация транспорта", 310000 "Сельское и лесное хозяйство", для которых учебными планами предусмотрено изучение дисциплин, перечислен- ных в предисловии к настоящей программе. Программа носит реко- мендательный характер. 1. Предисловие Основой для создания настоящей программы послужил анало- гичный документ "Программа дисциплины "Детали машин и основы конструирования", выпущенной в 1989г. и утвержденной 11.04.89 (под ред.Д.Н.Решетова, О.А.Ряховского, К.Г.Гана, индекс ГУ- МУ-10/1; авторы отдельных блоков и модулей указаны и в новой редакции программы). Данная программа действует сейчас в тех- нических вузах России. При составлении настоящего варианта программы, предназначенного для подготовки бакалавров и инже- неров, содержание старого варианта подверглось несущественной переработке, сводящейся, главным образом, к сокращению текста и редакционным изменениям. В программе сохранен блочно-модульный принцип. Это озна- чает, что при подготовке рабочих программ, составляемых кафед- рами вузов, следует придерживаться следующих принципов: 1) Главы лекционного курса, именуемые "ядром", (см.раздел 2.1) являются обязательными для подготовки инженеров. При этом кафедрам предоставляется право излагать отдельные вопросы яд- ра более или менее подробно, руководствуясь имеющимся объемом часов и особенностями профиля выпускаемых специалистов. 2) Дополнительные главы - модули (раздел 2.2) предназна- чены для расширения лекционного материала. Кафедрам предостав- ляется возможность свободного выбора материала из модулей, ко- торые можно использовать как полностью, так и частично. Подбор модулей определяется профилем вуза и возможностью прочесть выбранный материал в пределах отведенной учебным планом сетки часов. Большое число предлагаемых программой модулей не должно смущать составителей рабочих программ, поскольку использование этого дополнительного материала вовсе не обязательно. 3) При выборе тематики практических занятий и лаборатор- ных работ следует также руководствоваться возможностями кафед- ры и профилем вуза. Аналогичную рекомендацию можно дать по те- матике и содержанию курсовых проектов. 4) Кафедрам дается право самостоятельно составлять моду- ли, соответствующие профилю вуза и включать их в рабочую прог- рамму (при обязательном сохранении ядра). Студент, изучивший курс, должен обладать ниже перечислен- ным комплексом знаний и умений. Студент должен знать: 1) Основные критерии работоспособности деталей машин и виды отказов. 2) Основы теории и расчета деталей и узлов машин. 3) Типовые конструкции деталей и узлов машин, их свойства и области применения. 4) Основы автоматизации расчетов и конструирования дета- лей и узлов машин, элементы машинной графики и оптимизации проектирования. Студент должен уметь: 1) Самостоятельно конструировать узлы машин общего назна- чения по заданным выходным параметрам. 2) Самостоятельно подбирать справочную литературу, стан- дарты, а также прототипы конструкций при проектировании. 3) Учитывать при конструировании требования технологич- ности, экономичности, ремонтопригодности, стандартизации, про- мышленной эстетики, унификации машин, охраны труда, экологии. 4) Выбирать наиболее подходящие материалы для деталей ма- шин и рационально их использовать. 5) Выполнять расчеты деталей и узлов машин, пользуясь справочной литературой и стандартами. 6) Оформлять графическую и текстовую конструкторскую до- кументацию в полном соответствии с требованиями ЕСКД и ЕСДП. 7) Пользоваться при подготовке расчетной и графической документации типовыми программами ЭВМ, а также самостоятельно составлять простейшие программы. Курс базируется на комплексе общенаучных и общетехни- ческих дисциплин - математике, физике, теоретической механике, теории механизмов и машин, черчении, сопротивлении материалов, технологии материалов, ВСТИ. Все перечисленные дисциплины ор- ганично вплетаются в состав курса, и пробелы в знаниях студен- та в выше перечисленных предметах неизбежно скажутся при изу- чении дисциплины "Основы конструирования и детали машин". Название дисциплины по данной программе является услов- ным. Программу следует рассматривать как обобщающий документ, интегрирующий содержание следующих дисциплин, включенных УМО в учебные планы. 1) Детали машин. 2) Детали машин и подъемно-транспортные машины. 3) Детали машин и подъемно-транспортные устройства. 4) Детали машин и подъемно-транспортное оборудование. 5) Детали машин и основы проектирования. 6) Детали машин и основы конструирования. 7) Детали машин, ПТМ и основы конструирования. 8) ТММ и детали машин. 9) ТММ, детали машин и основы конструирования. 10) Основы конструирования и САПР. 11) Основы проектирования и конструирования машин. 12) Основы конструирования машин. 13) Прикладная механика. Для дисциплин, названных в п.8, 9 и 13, данная программа используется в той части курса, которая касается деталей машин и основ конструирования. При подготовке рабочих программ конкретное распределение числа часов устанавливается кафедрой в зависимости от общей учебной нагрузки, установленной учебным планом. На самостоя- тельную работу рекомендуется планировать 40...50% общего числа часов, предусмотренных учебным планом. 2. Содержание дисциплины 2.1. Ядро лекционного курса - обязательный материал. (Г.Б.Иосилевич, К.Г.Ган) 2.1.1. Введение Роль и значение курса в системе подготовки инженера-меха- ника. Роль машиностроения в экономике. Основные направления развития конструкций машин. Основные задачи курса. Связь курса с общетехническими и специальными дисциплинами. 2.1.2. Общие вопросы проектирования деталей и узлов машин. Основные требования к деталям и узлам машин. Понятия рабо- тоспособности, технологичности, экономичности. Критерии работоспособности деталей машин. Прочность (мо- дели нагружения, модели разрушения). Конструктивные и техноло- гические методы повышения прочности. Жесткость деталей машин, ее влияние на работоспособность. Теплоустойчивость и вибро- устойчивость деталей машин. Основы триботехники деталей. Природа трения скольжения, режимы трения. Природа изнашивания. Конструктивные и техноло- гические способы повышения износостойкости сопряжений. Стадии проектирования узлов и деталей машин. 2.1.3. Соединения. Характеристика и назначение соединений. Классификация соединений. Сварные, паяные, клеевые соединения. Характеристика и об- ласти применения. Основные конструкции сварных швов. Виды их повреждений и критерии работоспособности. Расчеты сварных швов при постоян- ных во времени нагрузках. Допускаемые напряжения. Соединения с натягом. Характеристика, особенности техно- логии сборки и критерии работоспособности. Расчеты соединений с натягом. Резьбовые соединения. Характеристика и область примене- ния. Соединения болтами, винтами и шпильками. Материалы резь- бовых деталей. Понятие о самоторможении и стопорении резьбовых соединений. Расчет резьбовых соединений при совместном действии силы затяжки и внешней нагрузки, не лежащей в плоскости стыка. Виды повреждений и критерии работоспособности резьбовых соединений. Особенности расчета и конструирования многоболтовых соединений. Шпоночные, штифтовые и шлицевые соединения. Сравнительная характеристика и области применения. Виды повреждений и крите- рии работоспособности. Расчет ненапряженных шпоночных соедине- ний (призматическими и сегментными шпонками). 2.1.4. Механический привод и основные типы механических передач. Назначение и структура механического привода, его харак- теристики. Назначение и классификация передач. Зубчатые передачи, их характеристика и область примене- ния. Основные параметры. Материалы и термообработка. Понятие о контактных напряжениях. Критерии работоспособности зубчатых передач. Расчет зубчатых передач на усталость по изгибу. Расчетная модель и расчетные формулы. Расчет цилиндрических зубчатых передач на контактную вы- носливость. Определение расчетной нагрузки в зубчатых переда- чах. Коэффициенты концентрации и динамичности нагрузки. Допус- каемые напряжения для зубчатых передач. Косозубые передачи. Область применения, геометрические, эксплуатационные особенности. Специфика расчета. Конические зубчатые передачи, их классификация. Геометри- ческие и эксплуатационные особенности. Специфика расчета. Силы, действующие в зубчатых передачах. Червячные переда- чи, их характеристика и область применения. Виды червяков. Стандартные параметры червячной передачи. Материалы колеса и червяка. Критерии работоспособности и виды отказов. Расчет до- пускаемых напряжений. Определение коэффициента нагрузки в червячных передачах. Расчет червячных передач на контактную выносливость и на уста- лость по изгибу. КПД червячных передач, его расчет. Способы повышения КПД. Расчет червячных передач на нагрев. Силы, действующие в червячных передачах. 2.1.5. Опоры, валы и оси, муфты. Роль опор в машинах. Классификация опор. Подшипники качения, их характеристика. Область примене- ния. Классификация. Основные конструкции. Распределение нагрузки по телам качения. Виды повреждений подшипников и критерии работоспособности. Принципы выбора подшипников качения. Определение эквива- лентной нагрузки. Выбор подшипников по динамической грузоподъ- емности. Валы и оси, из роль в машинах. Конструктивные разновид- ности валов. Материалы и термообработка. Расчет валов на прочность (условный по крутящему моменту и по статической несущей способности). Муфты, их роль в машинах. Виды погрешностей взаимного расположения валов. Классификация муфт. Глухие муфты, их конструкция (1-2 примера) и расчет. Жесткие компенсирующие муфты, конструкция и расчет (1-2 приме- ра). Упругие муфты и их свойства. Компенсирующая и демпфирую- щая способность. Характеристика упругой муфты (линейная и не- линейная). Конструкция и расчет упругих муфт (1-2 примера). Понятие об управляемых и самоуправляемых муфтах. 2.2. Модули лекционного курса. 2.2.1.Конструирование соединений. (Г.Б.Иосилевич) Сварные соединения, работающие при переменных во времени нагрузках. Конструктивные и технологические способы уменьшения концентрации напряжений. Расчет на сопротивление усталости. Клеерезьбовые, клеезаклепочные и клеесварные соединения. Соединения контактной сваркой: конструирование и расчет (стыковые, торцовые, шовные). Паяные соединения. Методы пайки. Область применения пая- ных соединений. Конструирование и расчет. Клеевые соединения в машиностроении, их конструкция и расчет. Заклепочные соединения, их применение. Классификация, ти- пы заклепок. Расчет на прочность. Резьбовые соединения. Расчет группового резьбового соеди- нения под действием момента или сдвигающей нецентральной силы в плоскости стыка. Расчеты герметичных болтовых соединений (фланцы труб, крышки цилиндров). Расчет резьбовых соединений при переменных во времени нагрузках. Расчет резьбовых соединений, нагруженных силами и момен- тами, расположенными в любой плоскости (расчет крепления кронштейна). Конструктивные и технологические мероприятия по повышению выносливости винтов. Распределение нагрузки по винтам гайки (задача Н.Е.Жуковского). Фрикционные (клеммовые) резьбовые соединения, их примене- ние. Методика расчета. Расчет резьб винтовых механизмов. Виды грузовых резьб. Критерии работоспособности и виды отказов. Допускаемые напря- жения. Расчет резьбовых соединений на ползучесть и релаксацию напряжений. Напряженные шпоночные соединения (клиновые, фрикционные, тангенциальные шпонки), их конструирование и расчет. Прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицевые соедине- ния. Способы базирования. Расчеты на смятие (приближенный и уточненный) и на износ. Соединения коническими кольцами. Профильные соединения. Области применения. Развитие соединений вал-втулка. Понятие о шариковых шли- цевых соединениях. 2.2.2. Конструирование зубчатых и червячных передач. (В.А.Лифанов) Контроль качества изготовления зубчатых колес (по элемен- там и комплексный). Степени точности по ГОСТ 1643-81 и 1758-81. Выбор степени точности по условиям работы. Учет сов- местной работы зубьев. Особенности расчета зубчатых цилиндрических передач на заедание. Особенности конструкции и расчета передач с зацеплением Новикова. Передачи с арочными зубьями. Редукторы цилиндрические, конические, цилиндро-кони- ческие, одно-,двух- и трехступенчатые. Основы проектирования и разбивки передаточных чисел по ступеням. Винтовые и зубчатые передачи, область применения, основ- ные параметры. Выбор материалов и расчет зубьев на прочность и износ. Гипоидные передачи, область применения и геометрические особенности. Материалы. Требования к свойствам смазочных мате- риалов. Литература: (5),(8) из 8.2, (13) из 8.3. 2.2.3. Конструирование волновых зубчатых передач (ВЗП). (С.А.Шувалов) Общие понятия об устройстве волновых передач. Расчет пе- редаточного числа и чисел зубьев. Типы и размеры генераторов волн. Передачи двух-трехволновые. Работа в режиме редуктора и мультипликатора. Классификация передач: по назначению (фрикционные, зубча- тые, герметичные, муфты, передачи винт-гайка), по числу волн, по расположению и типу генератора. Характеристика ВЗП (их преимущества и недостатки). Крите- рии работоспособности ВЗП. Упрощенные зависимости для опреде- ления размеров и нагрузочной способности. Геометрические параметры зацепления. Конструкции гибких колес и рекомендуемые размеры их элементов. Генераторы волн и их размеры. Силы, действующие в ВЗП. Литература: (4) из 8.3. 2.2.4. Конструирование планетарных передач. (С.А.Шувалов) Общие понятия об устройстве и принципах работы. Планетар- ные и дифференциальные механизмы. Расчет передаточных чисел. Расчет моментов на звеньях передач. Реакции опор сателлитов; конструкция сателлитов. Методы выравнивания нагрузки между са- теллитами. КПД планетарных передач и его расчет. Условия соосности, сборки и соседства. Нахождение чисел зубьев. Особенности расчета на прочность по контактным напряжени- ям и напряжениям изгиба. Конические прецессирующие передачи. Назначение, свойства и применение. Кинематический и прочностной расчет. Литература: (5),(7) из 8.2. 2.2.5. Конструирование передач винт-гайка. (В.Г.Беляев) Передача винт-гайка скольжения. Область применения, преи- мущества и недостатки. Материалы и термообработка. Способы устранения зазора в резьбе. Выбор параметров передачи. Конструкции винтов и гаек. Допускаемые напряжения и скорости скольжения. Расчет передачи. Критерии точности передачи. Шариковинтовые передачи. Принцип действия. Область приме- нения, преимущества и недостатки. Материалы и термообработка деталей. Геометрические параметры деталей, профили резьбы. Способы возврата шариков и регулирования зазора. Распределение нагрузки по виткам. Расчет на статическую прочность и долговечность, жест- кость, определение необходимого предварительного натяга. Расчет потерь на трение и КПД. Роликовые передачи винт-гайка. Принцип действия. Класси- фикация, область применения, преимущества и недостатки. Профи- ли резьбы. Способы возврата роликов. Методы регулирования за- зора. Расчет на статическую прочность и долговечность. Шариковые винтореечные передачи. Принцип действия, преи- мущества и недостатки. Область применения. Профили резьбы. Регулирование зазора. Конструкции. 2.2.6. Конструирование фрикционных передач. (В.Г.Беляев) Принцип работы и область применения, эксплуатационные ха- рактеристики. Типы фрикционных передач. Материалы и термообра- ботка. Основные принципы конструирования. Передачи с постоянным и регулируемым передаточным числов (вариаторы). Типы вариаторов. Кинематика передач, точность передаточного числа. Расчет сил в передаче. Расчет контактных напряжений. Расчет потерь на трение и КПД. Литература: (9) из 8.2. 2.2.7. Конструирование передач гибкой связью. (А.Т.Скойбеда) Ременные передачи. Основные характеристики, области при- менения, разновидности передач. Типы и материалы ремней. Теория ременной передачи. Соотношения сил в передаче. Формула Эйлера. Предварительное натяжение ремня. Центробежные силы в передаче. Учет податливости ремня и деталей передачи. Напряжения в ремне. Критерии работоспособности передачи и дол- говечности ремня. Силы, действующие на валы. Кривые скольжения. Расчет требуемой площади сечения ремня в зависимости от нагрузки. Особенности расчета клиноременной передачи. Конструкции и материалы шкивов. Поликлиновые передачи, особенности их конструкции и расчета. Зубчатоременные передачи. Особенности геометрии и работы. Критерии работоспособности. Конструкции зубчатых ремней. Проектирование зубчатоременной передачи. Расчет сил. Конструкция шкивов. Цепные передачи. Виды приводных цепей. Характеристика и область применения передачи. Основные геометрические и кинема- тические параметры передачи. Анализ работы цепной передачи. Кинематика. Неравномер- ность движения цепи. Динамические силы. Виды разрушения цепных передач, критерии работоспособ- ности. Проектирование цепных передач. Расчет геометрических па- раметров, определение шага цепи и числа зубьев звездочки. Про- верочный расчет на износостойкость шарниров. Расчет нагрузок на валы. КПД и смазка цепных передач. Литература: (9) из 8.2, (5) из 8.3. 2.2.8. Конструирование опор и валов. (К.Г.Ган) Система условных обозначений подшипников качения. Новые тенденции в развитии конструкций подшипников каче- ния. Повышение качества подшипниковых сталей за счет внедрения вакуумного и электрошлакового переплава. Повышение требований к качеству смазочных материалов. Роль загрязнений масла при работе подшипника. Гидродинамический режим смазки в подшипниках качения и его влияние на работоспособность опоры. Особенности подбора по динамической грузоподъемности ра- диально-упорных подшипников. Расчет собственных осевых нагру- зок. Расчет подшипников, работающих при переменных во времени нагрузках. Точность подшипников качения. Классы точности. Кинематика подшипников качения. Расчет частоты вращения тел качения и сепаратора. Контактные напряжения в подшипниках качения и их расчет. Жесткость подшипников качения. Предельные частоты вращения опор качения. Особенности конструкции высокоскоростных подшипников. Потери на трение в подшипниках качения. Роль момента тре- ния в работе опорного узла. Расчет моментов трения по методике SKF. Зазоры в подшипниках качения; нормы зазоров. Посадки под- шипников качения на вал и в корпус. Смазывание подшипников качения; способы смазывания. Сма- зочные материалы. Уплотнения, их конструкция и применение. Конструкции подшипниковых узлов. Фиксирующие и плавающие опоры. Установка в распор и в растяжку. Подшипники для работы в экстремальных условиях: самосма- зывающиеся и керамические. Направляющие качения, шариковые втулки для линейного перемещения. Подшипники скольжения; характеристика (преимущества и не- достатки). Области применения, режимы работы. Кривая Герси-Штрибека. Материалы подшипников скольжения (подшипниковые сплавы, металлокерамика, композиционные материалы). Резиновые подшип- ники скольжения. Смазочные материалы для подшипников скольжения (жидкие, пластичные, твердые). Конструкции подшипников скольжения. Разъемные и неразъем- ные вкладыши. Самоустанавливающиеся подшипники скольжения. Подпятники скольжения. Конструкции гидростатических подшипни- ков. Методы, облегчающие возникновение режима гидродинами- ческой смазки. Виды расточек вкладышей. Критерии работоспособности подшипников скольжения. Виды отказов. Расчет подшипников скольжения в режиме смешанного трения. Расчет подшипников скольжения в условиях гидродинами- ческой смазки. Уравнение Рейнольдса. Трение в подшипниках скольжения. Формула Петрова. Расчет моментов трения в подшипниках скольжения. Тепловой расчет под- шипников скольжения. Подшипники с газовой смазкой, принцип работы, режимы эксплуатации, область применения. Материалы. Критерии рабо- тоспособности. Явление полускоростного вихря. Конструкции под- шипников с газовой смазкой и их расчет. Магнитные и электромагнитные подшипники. Принципы работы. Применяемые материалы. Конструкции радиальных и радиаль- но-упорных магнитных подшипников. Расчет и конструирование валов и осей. Уточненный расчет валов на выносливость с учетом действия концентраторов напря- жений. Основы вероятностного расчета валов на прочность. Расчет валов на жесткость. Определение предельных до- пустимых деформаций кручения и изгиба. Критерии работоспособности скоростных валов. Расчет валов на критическую скорость. Литература: (6),(11) из 8.2, (1),(3) из 8.3. 2.2.9. Конструирование муфт. (О.А.Ряховский) Классификация муфт. Расчетные нагрузки и моменты. Упругие муфты и их работа в машинах при действии ударных и периодически меняющихся моментах. Муфты с неметаллическими и металлическими упругими элементами. Конструкции, критерии ра- ботоспособности, расчет. Муфта с тороидальным упругим элементом; муфта с резиновой звездочкой, резиновой конической шайбой, муфта втулочно-паль- цевая (МУВП). Муфты со змеевидной пружиной, со стальными стержнями. Жесткие компенсирующие и подвижные муфты: зубчатые, шар- нирные, цепные, кулачково-дисковые. Конструкции, критерии ра- ботоспособности, расчет. Сцепные муфты. Управляемые сцепные муфты: муфты с про- фильным замыканием (кулачковые, зубчатые). Форма зубьев. Муфты с замыканием силами трения (фрикционно-дисковые, конусные шин- но-пневматические). Фрикционные материалы для муфт и их свойства. Динамика машин при включении муфт. Механизмы включения управляемых муфт - механические, электромагнитные, пневматические. Самоуправляемые сцепные муфты: предохранительные муфты с разрушающимся элементом, пружинно-шариковые, фрикционные. Конструкция, критерии работоспособности, расчет. Обгонные муфты: роликовые, кулачковые. Конструкции, кри- терии работоспособности, расчет. Центробежные муфты - колодочные, с сыпучим рабочим телом. Конструкция, критерии работоспособности, расчет. Понятие об асинхронных и синхронных электромагнитных муф- тах. Понятие о комбинированных муфтах. 2.2.10. Конструирование пружин и упругих элементов. (К.Г.Ган) Классификация пружин и упругих элементов, их роль в маши- нах. Материалы и допускаемые напряжения. Характеристика пружи- ны. Конструирование и расчет цилиндрических винтовых пружин растяжения и сжатия. Фасонные и многожильные пружины. Тарель- чатые пружины. Витые цилиндрические пружины кручения. Плоские спиральные пружины. Рессоры. Резиновые упругие элементы: амор- тизаторы и демпферы. 2.2.11. Конструирование корпусных деталей. (К.Г.Ган) Классификация корпусных деталей. Материалы и критерии ра- ботоспособности. Конструирование литых корпусов (общие принципы). Элементы литых корпусов. Понятие о сварных корпусах. Конструкции кор- пусов из полимербетона. 2.2.12. Конструирование деталей их композиционных матери- алов (КПМ). (В.Н.Кестельман) Номенклатура КПМ и особенности их физико-механических характеристик. Влияние свойств и технологии на конструкцию де- талей. Технологическое обеспечение точности деталей машин. До- пуски и посадки деталей из пластмасс. Принципы конструирования деталей машин из КПМ, получаемых различными методами. Типовые конструкции зубчатых колес, подшипников, шкивов, звездочек и других деталей. Принципы конструирования деталей из стекло-и углепласти- ков. Оптимальное проектирование изделий из КПМ с использовани- ем ЭВМ и САПР. Литература: (22),(23) из 8.3. 2.2.13. Расчет деталей машин на надежность. (Р.М.Чатынян) Основные понятия и показатели надежности. Представление нагрузки и несущей способности, как функции случайных величин. Композиции законов распределения. Метод линеаризации функции случайных элементов. Вероятность безопасной работы. Гамма-процентный ресурс. Расчет на надежность деталей машин: подшипников качения, зубчатых передач, валов, соединений с натягом и т.д. Расчет сборочных единиц машин на надежность. Расчет надежности по ин- тенсивности отказов. Расчет на надежность механических систем без резервирова- ния и с резервированием. Литература: (17),(18) из 8.3. 2.2.14. Автоматизация проектирования деталей машин. (А.В.Клыпин) Автоматизированное проектирование деталей машин, как составная часть САПР. Содержание САПР - проектные исследования, автоматизиро- ванное проектирование объекта (расчеты и графические работы), подготовка к производству, обработка результатов испытаний опытных образцов. Структура и материально-техническая основа САПР. Виды обеспечения САПР: техническое (ЭВМ), математическое, лингвистическое и программное, информационное, организацион- ное. Структура математической модели. Конструирование деталей и узлов машин. Пакеты программ машинной графики. Способы формирования изображений. Интерак- тивный режим при формировании и редактировании изображений. Банк графических данных. Результаты автоматизированного проек- тирования: чертежи, выполненные на графопостроителе, массивы данных для САПР технологических процессов. Литература: (16) из 8.2, (7) из 8.3. 2.2.15. Оптимальное проектирование деталей машин. (З.Г.Керимов) Основные задачи оптимального проектирования. Понятие об оптимальном проектировании. Критерии и качество технических объектов. Проблемы оптимального проектирования и их современ- ное состояние. Основные уравнения решения задач оптимального проектиро- вания. Задача оптимального проектирования, решаемая в рамках САПР. Математические модели оптимального проектирования. Форма- лизованное описание критерия и качества условия, обеспечиваю- щего выполнение заданных функций объектов. Формализация задач оптимального проектирования однокрите- риальной и многокритериальной задачи оптимизации конструкций. Анализ математической модели оптимального проектирования. Выявление выпуклости, вогнутости, унимодальности, многоэкстре- мальности, исследование совместности ограничений, исследование допустимого подпространства проектирования, выявление адекват- ности модели проектируемому объекту. Методы решения задач оптимального проектирования. Иссле- дование функций классического анализа, метод множителей Лаг- ранжа, вариационное исчисление, принцип максимума Понтрягина, динамическое программирование, линейное и нелинейное програм- мирование, методы случайного поиска. Программное обеспечение решения задач оптимального проек- тирования. Оптимальный синтез механизмов с применением эвристическо- го подхода декомпозиции. Оптимальный синтез механизмов с при- менением методов теории игр в многокритериальной оптимизации. Оптимальное проектирование привода. Выбор оптимального привода для роботов и манипуляторов. Оптимальное проектирование зубчатых передач, червячных передач, валов, осей и опор, корпусных деталей, крышек и муфт. Литература: (7),(19) из 8.3. 2.2.16. Триботехника сопряжений деталей машин. (Ю.Н.Дроздов, К.Г.Ган) Адгезионно-деформационная теория трения и ее приложение к проектированию деталей машин. Понятие о третьем теле. Трение в отсутствии смазки, при граничной и периодической смазке. Природа трения качения. Потери на дифференциальное сколь- жение и упругий гистерезис. Основные виды смазочных материалов. Жидкие смазочные ма- териалы, их состав, марки и применение. Присадки и их действие. Пластичные смазочные материалы, их марки, состав и структура. Твердые смазочные материалы, механизм действия, разновидности и применение. Понятие о газовой смазке. Изнашивание деталей машин. Количественные параметры из- носа. Динамика процесса изнашивания, кривые изнашивания. Виды изнашивания, их природа. Основные факторы, влияющие на изнаши- вание. Современные методы борьбы с изнашиванием (оптимизация конструкций, выбор материалов, защита от загрязнения, выбор смазочных материалов, поверхностная обработка пар трения и т.д.). Износ при качении. Понятие об явлении избирательного пе- реноса. Ресурс деталей по критерию изнашивания. Принципы расчета на износ зубчатых передач и подшипников. Литература: (9)-(12) из 8.3. 2.2.17. Контактная гидродинамика деталей машин. (Е.П.Жильников) Зависимости свойств смазочной жидкости от давления и тем- пературы. Неньютоновское поведение смазочных жидкостей. Упру- гие деформации смазываемых поверхностей. Основные положения контактной гидродинамики. Распределе- ние давления и формы зазоров. Тепловыделение в смазочном слое. Учет шероховатости поверхностей. Расчет толщины смазочных слоев и сил трения в зубчатых передачах и подшипниках качения. Учет эллиптичности площадей контакта и масляного голодания. Оценка степени жидкостного трения в контактах шероховатых поверхностей и влияние ее на долговечность по контактной вы- носливости. Рекомендации по подбору смазки и профилированию поверхностей трения. Расчет толщины смазочных слоев в эластичных подшипниках скольжения. Профилирование поверхностей трения с учетом упру- гих деформаций. Конструкции эластичных металлополимерных вкла- дышей. Литература: (8),(20),(21) из 8.3. 2.2.18. Подъемно-транспортные машины и работы. (В.А.Лифанов, П.К.Попов) 2.2.18.1. Введение.Классификация ПТМ, основные требования и пути их развития. Роль ПТМ в народном хозяйстве. Основные классы ПТМ. Стан- дартный ряд грузоподъемностей. Требования к ПТМ. 2.2.18.2. Машины непрерывного транспорта. Основные вопросы теории: производительность, тяговый расчет, потребляемая мощность. Ленточные конвейеры, их характеристика. Узлы ленточного конвейера и их конструкция. Пластинчатые конвейеры, их характеристика. Типы применяе- мых цепей, их выбор. Подвесные конвейеры; разновидности (грузонесущие, толкаю- щие, грузотянущие). Приводы угловые и гусеничные. Натяжные устройства. Элеваторы, их характеристики, основные узлы, способы заг- рузки и разгрузки. Роликовые конвейеры; области применения, устройство, типы роликов, привод. 2.2.18.3. Проектирование машин циклического действия. Режимы эксплуатации и расчетные нагрузки ПТМ. Цикличность работы, повторно-кратковременный режим и его параметры. Пра- вила Госгортехнадзора. Электропривод ПТМ. Свойства привода на переменном и постоянном токе. Система управления, регулирование скорости. Уравнение неустановившегося движения. Время пуска и торможе- ния. Гидрооборудование. Применение гидропривода в ПТМ. Тормозные устройства, их назначение, основные типы и об- ласти применения. Остановы, их типы. Колодочные тормоза, их устройство; элементы тормозов. Расчет колодочных тормозов. Дисковые тормоза, их устройство и расчет. 2.2.18.4.Основные механизмы и части грузоподъемных машин. Механизм подъема. Схемы механизмов и выбор полиспаста. Расчет КПД полиспаста. Выбор двигателя для механизма подъема. Канаты для ПТМ, их конструкция и выбор. Причины выхода из строя. Барабаны, определение их размеров. Выбор материала и расчет барабана на прочность. Подвески, их схемы. Выбор крюка. Определение передаточного отношения привода. Выбор редук- тора. Тормоз, выбор места установки, определение тормозного мо- мента. Выбор тормоза. Механизмы передвижения, их схемы. Ходо- вые колеса, их конструкции и расчет. Расчет сопротивления пе- редвижению. Подбор двигателя и тормоза в механизме передвиже- ния. Механизмы поворота. Определение характеристик поворотной части крана. Опорные узлы, расчет нагрузок на них; конструкция опорных узлов. Расчет сопротивления повороту. Выбор двигателя, редуктора и тормоза для механизма поворота. Механизмы изменения вылета. Способы изменения вылета. Приводы наклона стрелы. Выбор двигателя и тормоза. Крановые металлоконструкции. Основные типы балок и ферм. Материалы. Выбор основных размеров металлоконструкции для кра- нов различных типов. Упругие перемещения, как основное пре- дельное состояние. Расчетные нагрузки на металлоконструкцию. Расчет металлоконструкций на прочность, жесткость и устойчи- вость. 2.2.18.5. Транспортные средства периодического действия. Напольный безрельсовый транспорт. Технологические тележки с различными типами двигателей и приводных устройств. 2.2.18.6. Роботы и манипуляторы. Классификация ПР по уровню интеллекта. Состав робототех- нического комплекса (РТК). Механическая часть ПР. Анализ кинематических схем и их возможностей. Расчет скоростей, ускорений и времени выполнения движений. Обобщенный энергетический расчет по степени подвижности ПР. Различные типы приводов ПР, их достоинства и недостатки. Шарнирно-балансирные уравновешенные манипуляторы; кинема- тические схемы, расчет на жесткость, энергетический расчет, элементы конструкции и системы управления. Антропоморфные схемы ПР. Форма зоны обслуживания. Области применения. Элементы конструкции и расчета. Точность позицио- нирования. Захватные устройства: рычажные, магнитные, вакуум- ные. Расчет грузоподъемности и приводных механизмов. Расчет захватов на прочность. Эксплуатационная надежность ПР. Цикло- вые ПР - конструкция и элементы расчета. 2.2.18.7. Средства механизации производства. Комплексная механизация. Роль переместительных операций в автоматизированном производстве. Место ПТМ в создании соот- ветствующих механизмов. Устройства, обслуживающие автоматические линии и гибкие технологические системы: магазины, транспортеры, рольганги, толкатели, поворотные устройства, накопители, кантователи. Транспортные устройства кузнечно-штамповочного произ- водства: транспортеры, грейферные передачи, шнеки. Устройства, обслуживающие литейное производство: механиз- мы перемещения опок и вытяжки моделей, кантователи и подъемные столы, передаточные тележки, дозаторы. Литература: (13)-(15) из 8.2, (14)-(16) из 8.3. 3.Примерная тематика практических занятий. Основные цели упражнений - привитие студентам навыков в решении задач по расчетам деталей машин и узлов машин, в поль- зовании справочной литературой и атласами, а также подготовка их к самостоятельной работе над расчетной частью курсового проекта. Тематика задач, решаемых на практических занятиях, за- висит от содержания соответствующих разделов рабочей програм- мы, а также от профиля вуза. Рекомендуется содержание задач тесно увязывать со спецификой будущей специальности инженера. Ниже приводимая тематика должна рассматриваться как рекоменда- ции, не обязательные к безусловному исполнению. Это же замеча- ние касается разделов по лабораторным работам, курсовому про- ектированию и самостоятельной работе студентов. 3.1. Темы практических занятий, рекомендуемых для первоо- чередного исполнения. Тематика ниже приводимых занятий укладывается в рамки те- оретического материала, входящего в состав ядра (раздел 2.1.). 1. Кинематический расчет привода (определение и разбивка передаточных чисел, выбор электродвигателя). 2. Расчет зубчатых и червячных передач (выбор материала, расчет допускаемых напряжений, определение межосевых расстоя- ний, модуля и других геометрических размеров передач). 3. Расчет нагрузок, действующих на валы и опоры. 4. Выбор подшипников по динамической грузоподъемности. 5. Расчет вала на прочность (проектный или поверочный). 3.2. Темы практических занятий по выбору кафедры. Данная группа тем является дополнительной, и содержание ее зависит чаще всего от тематики модулей лекционного курса. По выбору кафедры эта часть практических занятий может допол- няться. 1. Расчет болтовых соединений при различных видах нагру- жения. 2. Расчет сварных и паяных соединений при постоянных и переменных нагрузках. 3. Расчет соединений с натягом. 4. Расчет шпоночных и шлицевых соединений. 5. Расчет передач гибкой связью (ременных и цепных). 6. Расчет фрикционных передач. 7. Расчет планетарных и волновых передач. 8. Уточненный расчет валов на прочность с учетом действия концентраторов напряжений. 9. Расчет муфт (упругих, жестких компенсирующих, фрикци- онно-дисковых и др.). 10. Элементы расчетов деталей машин на надежность (под- шипники, зубчатые передачи). 11. Расчет подшипников скольжения. 12. Расчет механизмов подъема, передвижения и поворота ПТМ. Пункт 12 может быть использован при наличии в рабочей программе модуля 2.2.18. 4. Примерный перечень лабораторных занятий. Главная цель лабораторного практикума - изучение в метал- ле конструкций типовых узлов и деталей машин, а также ознаком- ление с методами их испытаний. Рекомендуется пользоваться ти- повыми установками. Содержание и количество лабораторных работ зависит от содержания курса, а также от материальных возмож- ностей кафедры. 4.1. Тематика первоочередных лабораторных занятий. 1. Ознакомление с конструкцией зубчатого и червячного ре- дукторов (разборка и сборка). 2. Ознакомление (в металле) с типовыми конструкциями под- шипников качения. 3. Ознакомление (в металле) с наиболее распространенными конструкциями муфт. 4.Ознакомление с конструкциями болтовых и сварных соеди- нений (желательно на макетах, в крайнем случае - по плакатам или атласам). 4.2. Тематика дополнительных лабораторных занятий. 1. Экспериментальное исследование работы болтовых соеди- нений (определение коэффициента основной нагрузки, изучение соотношения напряжений и сил в затянутом соединении). 2. Экспериментальное исследование соединений с натягом (определение коэффициента трения в сопряжении вал-втулка). 3. Исследование скольжения в клиноременной передаче. 4. Экспериментальное изучение моментов трения в подшипни- ках качения и скольжения. 5. Изучение типовых узлов с подшипниками качения. 6. Изучение вариаторов (определение диапазона регулирова- ния). 7. Снятие характеристик упругих муфт. 5. Курсовое проектирование. Цель курсового проектирования - формирование у студента навыков самостоятельного конструирования машин. Проект должен быть завершающей частью курса. В связи с этим настоятельно не рекомендуется при составлении учебных планов предусматривать проведение теоретических, практических занятий с одновременным выполнением курсового проекта. Выполнение курсового проекта при изучении курса считается обязательным. Тематика заданий на курсовое проектирование должна удов- летворять следующим требованиям. 1. Максимально охватывать изучаемый курс и смежные обще- технические дисциплины. 2. Быть возможно ближе привязанной к профилю специаль- ности. 3. Предусматривать возможность использования расчетов на ЭВМ. 4. Предусматривать возможность рассмотрения в пределах одного задания нескольких альтернативных вариантов конструк- торских решений. Рекомендуется следующая примерная тематика заданий. 1. Приводы конвейеров (ленточных, цепных и др.). 2. Приводы технологического оборудования (станки, техно- логические агрегаты, транспортные устройства). 3. Приводы транспортных машин. 4. Приводы испытательных машин и установок. 5. Приводы манипуляторов и роботов. Конкретная тематика заданий на курсовое проектирование устанавливается кафедрой. Желательно ее согласование с вы- пускающими кафедрами. Содержание листов курсового проекта зависит от тематики и объема. Рекомендуется следующая примерная разбивка содержания по листам. 1. Общий вид привода или установки. 2. Конструктивная проработка наиболее существенных узлов (общие виды). 3. Рабочие чертежи типовых деталей (зубчатые и червячные колеса, валы и валы-шестерни, корпусные детали, стаканы, крыш- ки и т.д.). При установлении объема курсового проекта следует руко- водствоваться следующими примерными цифрами: для выполнения одного листа формата 576*814 предусматривать от 15 до 25 часов из фонда самостоятельной работы студентов. Выполнение расчет- но-пояснительной записки входит в указанное выше время, так как она должна готовиться параллельно с графической работой. 6. Самостоятельная работа студентов. Время на самостоятельную работу студентов берется из фон- да часов, предусмотренного учебным планом и стандартом направ- ления. Кафедрам предоставляется право по своему усмотрению за- полнять эти часы, в которые, помимо курсового проекта, можно проводить следующие виды занятий. 1. Выполнение домашних заданий по следующей тематике: - расчет соединений; - расчет передач (без применения ЭВМ); - расчет и выбор подшипников качения. 2. Самостоятельная проработка отдельных разделов лекцион- ного курса, входящих в модули, с написанием рефератов и их за- щитой. 3. Решение задач из задачников с последующей их проверкой преподавателем. 4. Проведение "бесед круглого стола" с небольшой группой студентов (4...5 чел). Тематикой бесед может быть обсуждение конструкций узлов машин с анализом достоинств и недостатков их решения, с выдвижением и обсуждением альтернативных вариантов. 5. Самостоятельная работа студентов в дисплейных классах или на ПЭВМ с обучающими программами. Перечисленный выше список разновидностей самостоятельной работы может расширяться и дополняться кафедрами. 7. Использование вычислительной техники и ТСО. Вычислительная техника может использоваться на всех эта- пах учебного процесса. Степень ее применения регламентируется материальной базой кафедры и подготовленностью персонала. Ре- комендуются следующие формы использования ЭВМ. 1. При изучении теоретического курса - работа студентов с обучающе-контролирующими программами, содержащими учебный ма- териал по отдельным вопросам курса. Наиболее рационально здесь использование ПЭВМ. 2. При проведении практических занятий - -работа с типо- выми программами по решению тех или иных задач (расчет пере- дач, соединений, выбор подшипников). Такая работа имеет смысл, если программа обеспечивает многовариантность решения с после- дующим выбором учащимися оптимального варианта (например - по- иск оптимального расположения болтов в групповом болтовом сое- динении). Программы, выдающие один вариант решения, рациональ- ны лишь в том случае, если они являются обучающе-контролирую- щими, т.е. заставляющими студента активно участвовать в про- цессе решения. 3. При проведении лабораторных работ - применение расчет- ных программ по обработке результатов эксперимента, а также обучающе-контролирующих программ по проверке усвоения студен- том знаний, полученных при выполнении лабораторной работы. 4. При курсовом проектировании использование ЭВМ наиболее обширно. Возможны следующие варианты: а) Выполнение расчетов по отдельным деталям и узлам (пе- редачи, валы, подшипники). При этом необходимо наличие двух условий. Во-первых, перед применением машинного расчета студент должен основательно освоить данный расчет "вручную" (например, на практических занятиях или при выполнении домашних заданий). Во-вторых, расчет должен быть многовариантным, т.е. ЭВМ должна представлять гамму решений при переменных исходных дан- ных (например, расчет размеров передач редуктора при варьиро- вании разбивки передаточного числа, твердости зубьев, коэффи- циента ширины зуба, частоты врашения двигателя и т.д.). Несоб- людение этих условий может привести к тому, что ЭВМ принесет не пользу, а скорее вред, поскольку студент не будет понимать физического смысла расчета, ограничиваясь механическим нажати- ем клавиш устройств ввода, и бездумно переписывая результат. Следует также остерегаться полного выполнения всех расче- тов в курсовом проекте на ЭВМ; это приводит к аналогичным от- рицательным результатам. б) Использование электронных технических справочников, содержащих графическую и текстовую информацию (например, атлас конструкций редукторов, выводимых на дисплей с описанием каж- дой конструкции, электронный справочник по подшипникам и т.д.). Знакомство с этим материалом может существенно повысить техни- ческую эрудицию студента. в) Применение графопостроителей для выполнения части курсового проекта. Предпочтительно вычерчивание части рабочих чертежей деталей или общих видов узлов (но только при многова- риантном проектировании). Здесь также следует заметить, что стопроцентное вычерчивание всех листов на графопостроителе вряд ли может принести пользу (такая работа подходит скорее для опытных профессиональных конструкторов). Что касается применения ТСО, то здесь рекомендуются сле- дующие формы: 1. Демонстрация учебных кино-и видеофильмов. 2. Показ слайдов (особенно при демонстрации возможностей многовариантности конструкторских решений). 3. Использование учебных плакатов. 4. Демонстрация макетов и деталей, изготовленных в метал- ле. 5. Применение раздаточного материала в виде ксерокопий. 8. Литература. При составлении рабочих программ не следует их перегру- жать большим количеством рекомендуемой литературы. Для изуче- ния ядра лекционной части курса следует выбрать 1-2 учебника из раздела 8.1. Аналогично подбирается общая литература по курсовому проектированию из раздела 8.2 и литература для изу- чения модулей из 8.3. Специальные монографии и справочники, используемые при выполнении курсовых проектов, указывать в бланках заданий. 8.1. Основная (по теоретическому курсу) 1. Решетов Д.Н. Детали машин.-М., Машиностроение, 1989. 2. Кудрявцев В.Н. Детали машин.-Л., Машиностроение, 1980. 3. Иванов М.Н. Детали машин.-М., Высшая школа, 1984. 4. Иосилевич Г.Б. Детали машин.-М., Машиностроение, 1988. 8.2. Основная по курсовому проектированию. 1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроите- ля.Т.1-3.-М., Машиностроение,1982. 2. Детали машин. Атлас конструкции. Под ред.Д.Н.Решетова -М., Машиностроение, 1989. 3.Дунаев П.Ф.,Леликов О.П. Конструирование узлов и дета- лей машин.-М., Высшая школа, 1985. 4. Кудрявцев В.Н. Курсовое проектирование деталей ма- шин.-Л., Машиностроение, 1983. 5. Проектирование механических передач. Под ред.С.А.Чер- навского, Г.А.Снесарева и др. -М., Машиностроение, 1984. 6. Подшипники качения. Каталог-справочник под ред.В.Н.На- рышкина и Р.В.Коросташевского.-М., Машиностроение, 1984. 7. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи.-Л., Машинострое- ние, 1968. 8. Кудрявцев В.Н., Державец Ю.А., Глухарев Е.Т. Конструк- ции и расчет зубчатых редукторов.-М., Машиностроение, 1980. 9. Пронин Б.А.,Ревков В.Г. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (варианты).-М., Машиностроение, 1971. 10. Поляков В.С., Барбаш Д.Б.,Ряховский О.А. Справочник по муфтам.-М., Машиностроение, 1984. 11. Серенсен С.В., Громан М.Б., Когаев В.М., Шнейдерович Р.М. Валы и оси. Конструирование и расчет.-М., Машиностроение, 1970. 12. Серенсен С.В., Когаев В.М., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность.-М., Машиност- роение, 1975. 13. Подъемно-транспортные машины. Атлас под ред.М.П.Алек- сандрова и Д.Н.Решетова.-М., Машиностроение, 1989. 14. Юревич Е.И. Промышленные роботы.-Л., Машиностроение, 1980. 15. Козырев И.Г. Промышленные роботы.Справочник.-М., Ма- шиностроение, 1988. 16. Решетов Д.Н., Шувалов С.А., Дудко В.Д. и др. Расчет деталей машин на ЭВМ.-М., Высшая школа, 1979. 8.3. Дополнительная литература. 1. Биргер И.А., Шор Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчеты на проч- ность деталей машин.-М., Машиностроение, 1979. 2. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методи- ческое пособие.Кн.1 и 2.-М., Машиностроение, 1988. 3. Воскресенский В.А., Дьяков В.И., Зим А.З. Расчет и конструирование опор жидкостного трения.-М., Машиностроение, 1983. 4. Иванов М.Н. Волновые и зубчатые передачи.-М., Высшая школа, 1981. 5.Воробьев И.И. Ременные передачи.-М., Машиностроение, 1979. 6. Кириллов З.Г., Багиров С.А. Автоматизированное проек- тирование конструкции.-М., Машиностроение, 1985. 7. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектиро- вание технических устройств и систем.-М., Высшая школа, 1985. 8. Коднир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин.-М., Машиностроение, 1976. 9. Трение, изнашивание и смазка. Под ред.И.В.Крагельско- го, И.В.Алисина. Кн.1 и 2.-М., Машиностроение, 1979. 10. Гаркунов Д.Н. Трибоника. -М., Машиностроение, 1985. 11. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов И.Н. Основы расчетов на трение и износ.-М., Машиностроение, 1977. 12. Крагельский И.В. Трение и износ.-М., Машиностроение, 1968. 13. Часовников Л.Д. Передачи зацеплением.-М., Машиностро- ение, 1969. 14. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины.-М., Машиностроение, 1988. 15. Александров М.П., Колобов Н.А., Никольская Т.А., Пол- ковников В.С. Грузоподъемные машины.-М., Машиностроение, 1986. 16. Зенков Р.П., Ивашков И.Н., Колобов Н.А. Машины непре- рывного транспорта.-М., Машиностроение, 1980. 17. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин.-М., Машиностроение, 1974. 18. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность ма- шин.-М., Высшая школа, 1988. 19. Керимов З.Г., Багиров С.А. Автоматизированное проек- тирование конструкций.-М., Машиностроение, 1985. 20.Коднир Д.С., Жильников Е.П., Байбородов Г.А. Эласто- гидродинамический расчет деталей машин.-М., Машиностроение, 1988. 21. Галахов М.А., Гусятников П.Б., Новиков А.П. Математи- ческие модели контактной гидродинамики.-М., Наука, 1985. 22. Альшиц И.Я., Блатов Б.Н. Проектирование деталей из пластмасс.-М., Машиностроение, 1977. 23. Полимеры в узлах трения машин и приборов. Справочник. Под ред.А.В.Чичинадзе.-М., Машиностроение, 1988. Программу составил Ган К.Г. - доцент Московского Госу- дарственного Технического Университета им.Баумана Ответственный редактор: Схиртладзе А.Г. - профессор Московского Государственного Технологического Университета "Станкин"