ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач, которую конструктору приходится решать в процессе проектирования машины и ее деталей, является обеспечение их безотказной работы в течение требуемого срока службы.

Долговечность деталей машин определяется многочисленными факторами, действующими на различных этапах создания машины и ее эксплуатации. Снижается она за счет ошибок, допущеннйх при проектировании, пороков изготовления и неудовлетворительных условий эксплуатации. Таким образом, задача обеспечения требуемой долговечности деталей машин не может быть решена полностью на этапе проектирования. И все же, как показывают результаты изучения причин поломок большого числа деталей, чаще всего именно на этом этапе из-за неудачного выбора конструктивных решений зарождаются обстоятельства, приводящие впоследствии к поломкам.

Анализ характера поломок деталей машин показывает, что приблизительно 80% из них следует отнести к классу усталостных разрушений. Изучение 465 усталостных поломок [97] показало, что 66% из них произошли вследствие несоответствия конструктивных форм этих деталей условиям нагружения (действию переменных напряжений), 30% поломок — из-за дефектов изготовления и только 4 % — из-за пороков материала. Такие же выводы вытекают из данных обследования 91 случая усталостного разрушения [98]. И здесь лишь 4% поломок было вызвано дефектами материала; в остальных случаях поломки могли быть предотвращены приданием деталям рациональных форм, в особенности уменьшением концентрации напряжений.

Режим нагружения, вызывающий в сечениях деталей машин переменные во времени напряжения, является наиболее характерным для машин. При этом больше всего понижают прочность деталей машин концентраторы напряжений, которые вводятся в конструкцию детали конструкторами с целью обеспечить определенное взаимодействие деталей, их технологичность, удобство сборки, разборки и другие важные требования, определяющие работоспособность и технико-экономическую целесообразность конструкции. Так, для крепления вращающихся деталей, ограничения возможности их перемещения в осевом направлении, обеспечения подачи смазки конструктор предусматривает шпоночные, шлицевые, резьбовые, прессовые и другие виды соединений, сверления отверстий в деталях и другие решения, вызывающие концентрацию напряжений.

Следовательно, при конструировании деталей машин почти всегда возникают такие обстоятельства, когда решения, приемлемые с одних позиций, например, с позиций технологичности или удобства сборки (разборки) узла, оказываются нежелательными или неприемлемыми с других, например, с позиций прочности (долговечности). Это обстоятельство постоянно вынуждает конструкторов совершенствовать конструктивные решения, изыскивать такие формы деталей машин, при которых эффект концентрации напряжений, а значит и эффект снижения прочности деталей машин, был бы минимальным.

К сожалению, иногда новые конструктивные формы оказываются в технологическом отношении более сложными, чем ранее применявшиеся; в некоторых случаях применение новых решений связано с отказом от установившихся традиций в данной отрасли машиностроения, а иногда требует пересмотра соответствующих стандартов.

Из-за недостаточной информации, ограниченности материалов, касающихся анализа и сопоставления конструктивных решений в схожих случаях нагру-жения и назначения деталей, отсутствия обобщений, позволяющих выявить основные закономерности в этой области проектирования машин, иногда решения, используемые для одних деталей, не находят применения при конструировании других; накопленный в одних областях опыт применения оптимальных конструктивных форм порой не используется в других.

Часто конструкторы используют другой путь увеличения долговечности деталей машин — технологический, преследующий цель изменения физического состояния поверхностных слоев детали, поскольку этим в большой степени определяется выносливость детали. При этом поверхностным слоям придают определенные качества и свойства в результате создания соответствующей чистоты поверхности и применения средств упрочняющей технологии, увеличивающих прочность поверхностного слоя и создающих в нем остаточные напряжения, которые, суммируясь с рабочими напряжениями, обеспечивают повышение работоспособности детали. Такой путь увеличения выносливости деталей машин получил большое распространение в машиностроении; в этой области имеются огромные успехи и возможности далеко не исчерпаны.

Следует все же отметить, что к использованию технологических средств упрочнения часто прибегают и тогда, когда возможности увеличения долговечности деталей машин, предоставляемые методами совершенствования конструктивных форм, не исчерпаны, т. е. форма спроектированной детали не может быть признана наиболее удачной и появляется необходимость исправлять ошибки конструкторов. Поэтому для конструкторов особый интерес должен представлять первый путь — конструктивный, позволяющий на этапе конструирования придать детали наиболее рациональные по требованиям долговечности конструктивные формы.

Решение вопроса о том, по какому пути следует идти в каждом конкретном случае — изменения конструктивных форм, технологического упрочнения, или совместного использования этих путей — требует тщательного всестороннего анализа. Для различных деталей, как и для различных концентраторов напряжений, частные конструктивные решения, ведущие к увеличению долговечности, естественно, могут отличаться друг от друга. В настоящей работе нет возможности рассмотреть этот вопрос в полном объеме на многочисленных деталях и узлах различного назначения. В достаточной мере общие тенденции, обеспечивающие повышение долговечности, могут быть показаны на примерах наиболее широко распространенных деталей и механизмов. К таковым относятся зубчатые передачи, валы, оси и соединения с насаженными на них деталями, резьбовые соединения.

Из анализа конструктивных решений, используемых при проектировании указанных деталей и узлов, можно установить некоторые общие закономерности рационального проектирования деталей машин.

В книге обобщены материалы важнейших работ по этой проблеме отечественных и зарубежных исследователей, а также результаты исследований, выполненных авторами. В ней, по-видимому, впервые предпринимается попытка сформулировать, некоторые общие принципы образования конструктивных форм деталей машин.

Авторы отдают себе отчет в том, как сложна и ответственна такая задача. Все замечания будут приняты ими с благодарностью.

Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: Киев, 4, Пушкинская, 28, издательство «Техніка».

Назад, на страницу описания