Классификация нагрузок и элементов конструкции. Классификация нагрузок

При решении задач сопромата внешними силами, или нагрузками, называются силы взаимодействия рассматриваемого элемента конструкции со связанными с ним телами. Если внешние силы являются результатом непосредственного, контактного взаимодействия данного тела с другими телами, то они приложены только к точкам поверхности тела в месте контакта и называются поверхностными силами. Поверхностные силы могут быть непрерывно распределены по всей поверхности тела или ее части. Величина нагрузки, приходящаяся на единицу площади, называется интенсивностью нагрузки, обозначается обычно буквой р и имеет размерность Н/м2, кН/м2, МН/м2 (ГОСТ 8 417-81). Допускается применение обозначения Па (паскаль), кПа, МПа; 1 Па = 1 Н/м2.

Поверхностная нагрузка, приведенная к главной плоскости, т. е. нагрузка, распределенная по линии, называется погонной нагрузкой, обозначается обычно буквой q и имеет размерность Н/м, кН/м, МН/м. Изменение q по длине обычно показывают в виде эпюры (графика).

В случае равномерно распределенной нагрузки эпюра q прямоугольная. При действии гидростатического давления эпюра q треугольная.

Равнодействующая распределенной нагрузки численно равна площади эпюры и приложена в ее центре тяжести. Если нагрузка распре-делена на небольшой части поверхности тела, то ее всегда заменяют равнодействующей, называемой сосредоточенной силой Р (Н, кН).

Встречаются нагрузки , которые могут быть представлены в виде сосредоточенного момента (пары). Моменты М (Н·м или кН·м) обозначают обычно одним из двух способов, или в виде вектора, перпендикулярного к плоскости действия пары. В отличие от вектора силы вектор момента изображают в виде двух стрелок или волнистой линией. Вектор момента обычно принято счи-тать правовинтовым.

Силы, не являющиеся результатом контакта двух тел, а приложенные к каждой точке объема занятого тела (собственный вес, силы инерции), называются объемными или массовыми силами.

В зависимости от характера приложения сил во времени различают нагрузки статические и динамические. Нагрузки считается статической, если она сравнительно медленно и плавно (хотя бы в течение не-скольких секунд) возрастает от нуля до своего конечного значения, я затем остается неизменной. При этом можно пренебречь ускорения-ми деформируемых масс, в следовательно, и силами инерции.

Динамические нагрузки сопровождаются значительными ускоре-ниями как деформируемого тела, так н взаимодействующих с ним тел. Возникающими при этом силами инерции пренебречь нельзя. Динамические нагрузки делятся из мгновенно приложенные, ударные в повторнопеременные.

Мгновенно приложенная нагрузка возрастает от нуля до максимума в течение долей секунды. Такие нагрузки возникают при воспламенении горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорании, при трогании с места железнодорожного состава.

Ударная нагрузка характерна тем, что в момент ее приложения тело, вызывающее нагрузку, обладает определенной кинетической энергией. Такая нагрузка возникает, например, при забивке свай с помощью копра, в элементах кузнечного молота.

Внешние силы в сопромате делятся на активные и реактивные (реакции связей). Нагрузки – это активные внешние силы.

Нагрузки по способу приложения

По способу приложения нагрузки бывают объемными (собственный вес, силы инерции), действующими на каждый бесконечно малый элемент объема, и поверхностными. Поверхностные нагрузки делятся на сосредоточенные нагрузки и распределенные нагрузки .

Распределенные нагрузки характеризуются давлением - отношением силы, действующей на элемент поверхности по нормали к ней, к площади данного элемента и выражаются в Международной системе единиц (СИ) в паскалях, мегапаскалях (1 ПА = 1 Н/м2; 1 МПа = 106 Па) и т.д., а в технической системе – в килограммах силы на квадратный миллиметр и т.д. (кгс/мм2, кгс/см2).

В сопромате часто рассматриваются поверхностные нагрузки , распределенные по длине элемента конструкции. Такие нагрузки характеризуются интенсивностью, обозначаемой обычно q и выражаемой в ньютонах на метр (Н/м, кН/м) или в килограммах силы на метр (кгс/м, кгс/см) и т.д.

Нагрузки по характеру изменения во времени

По характеру изменения во времени выделяют статические нагрузки - нарастающие медленно от нуля до своего конечного значения и в дальнейшем не изменяющиеся; и динамические нагрузки вызывающие большие

Постоянные нагрузки. (q ) В зависимости от продолжи­тельности действия нагрузки делят на постоянные и вре­менные. Постоянными нагрузками являются вес несу­щих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения железобетонных конструкций.

Временные нагрузки. Длительные нагрузки(P) . К ним относятся: вес стационарного оборудования на перекрытиях - станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емко­стях; вес специфического содержимого в складских по­мещениях, холодильников, архивов, библиотек и подоб­ных зданий и сооружений; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, в служебных и бы­товых помещениях; длительные температурные техноло­гические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от одного подвесного или одного мостового кра­на, умноженные на коэффициенты: 0,5, 0,6..в зависимости от вида крана

Кратковременные нагрузки.(S) К ним отно­сятся: вес людей, деталей, материалов в зонах обслужи­вания и ремонта оборудования - проходах и других сво­бодных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытия жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мосто­вых кранов, используемых при возведении или эксплуа­тации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагруз­ки; температурные климатические воздействия.

Особые нагрузки. К ним относятся: сейсмиче­ские и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т.п.); воздействия неравномерных деформаций основания, со­провождающиеся коренным изменением структуры грун­та (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечиомерзлых грунтов при оттаива­нии), и др.

Нормативные нагрузки . Они устанавливаются норма­ми или по номинальным значениям. Норма­тивные постоянные нагрузки принимают по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности. Нормативные вре­менные технологические и монтажные нагрузки уста­навливают по наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации; снеговые и ветровые - по средним из ежегодных неблагоприятных значений или по неблагоприятным значениям, соответствующим определенному среднему периоду их повторений.

Расчетные нагрузки. Их значения при расчете конст­рукций на прочность и устойчивость определяют умно­жением нормативной нагрузки на коэффициент надеж­ности по нагрузке γf, обычно больше, чем единица.Коэффициент надежности при действии веса бетонных и железобетонных конструкций γ f -1>1. Коэффициент надежности при действии веса кон­струкций, применяемый в расчете на устойчивость по­ложения против всплытия, опрокидывания и скольже­ния, а также в других случаях, когда уменьшение массы ухудшает условия работы конструкции, принят γ f=0,9. При расчете конструкций на стадии возведения расчетные кратковременные нагрузки умножают на ко­эффициент 0,8. При расчете конструкций по деформаци­ям и перемещениям (по второй группе предельных со­стояний) расчетные нагрузки принимают равными нор­мативным значениям с коэффициентом γt = 1.

Сочетание нагрузок. Конструкции должны быть рас­считаны на различные сочетания нагрузок или соответ­ствующие им усилия, если расчет ведут по схеме неупру­гого состояния. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, включающие постоянные, длительные и кратковременные нагрузки или усилия от них; особые сочетания, включающие по­стоянные, длительные, возможные кратковременные и одна из особых нагрузки или усилия от них.

В основных сочетаниях при учете не менее двух вре­менных нагрузок их расчетные значения (или соответст­вующих им усилий) умножают на коэффициенты соче­тания равные: для длительных нагрузок ф1 = 0,95; для кратковременных ф2=0,9. При учете же одной времен­ной нагрузки ф1=ф2 = l. Нормами допускается при учете трех и более кратковременных нагрузок их расчетные значения умножать на коэффициенты сочетаний: ф 2 =l- для первой по степени важности кратковременной на­грузки; ф 2 = 0,8 - для второй; ф2 = 0,6 - для остальных.

В особых сочетаниях для длительных нагрузок ф1= 0,95, для кратковременных ф 2 =0,8, кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования зданий и соору­жений в сейсмических районах.

Классификация нагрузок.

Статистические нагрузки (рис. 18.2а ) не меняются со време­нем или меняются очень медленно. При действии статистических нагрузок проводится расчет на прочность.

Повторно-переменные нагрузки (рис. 18.26) многократно меня­ют значение или значение и знак. Действие таких нагрузок вызывает усталость металла.

Динамические нагрузки (рис. 18.2в) меняют свое значение в короткий промежуток времени, они вызывают большие ускоре­ния и силы инерции и могут привести к внезапному разрушению конструкции.

Из теоретической механики известно, что по способу приложе­ния нагрузки могут быть сосредоточенными или распределенными по поверхности.

Реально передача нагрузки между деталями происходит не в точке, а на некоторой площадке, т. е. нагрузка является распреде­ленной.

Однако если площадка контакта пренебрежительно мала по сравнению с размерами детали, силу считают сосредоточенной.

При расчетах реальных деформируемых тел в сопротивлении материалов заменять распределенную нагрузку сосредоточенной не следует.

Аксиомы теоретической механики в сопротивлении материалов используются ограниченно.

Нельзя переносить пару сил в другую точку детали, перемещать сосредоточенную силу вдоль линии действия, нельзя систему сил за­менять равнодействующей при определении перемещений. Все выше­перечисленное меняет распределение внутренних сил в конструкции.

Формы элементов конструкции

Все многообразие форм сводится к трем видам по одному при­знаку.

1. Брус - любое тело, у которого длина значительно больше других размеров.

В зависимости от форм продольной оси и поперечных сечений различают несколько видов брусьев:

Прямой брус постоянного поперечного сечения (рис. 18.3а);

Прямой ступенчатый брус (рис. 18.35);

Криволинейный брус (рис. 18.Зв).

2. Пластина - любое тело, у которого толщина значительно меньше других размеров (рис. 18.4).

3. Массив - тело, у которого три размера одного порядка.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется прочностью, жесткостью, устойчивостью?

2. По какому принципу классифицируют нагрузки в сопротивлении материалов? К какому виду разрушений приводят повторно- переменные нагрузки?

4. Какое тело называют брусом? Нарисуйте любой брус и укажите ось бруса и его поперечное сечение. Какие тела называют пластинами?

5. Что называется деформацией? Какие деформации называют упругими?

6. При каких деформациях выполняется закон Гука? Сформулируйте закон Гука.

7. Что такое принцип начальных размеров?

8. В чем заключается допущение о сплошном строении материалов? Поясните допущение об однородности и изотропности материалов.

ЛЕКЦИЯ 19

Тема 2.1. Основные положения. Нагрузки внешние и внутренние, метод сечений

Знать метод сечений, внутренние силовые факторы, составляющие напряжений.

Уметь определять виды нагружений и внутренние силовые факторы в поперечных сечениях.

Элементы конструкции при работе испытывают внешнее воздействие, которое оценивается величиной внешней силы. К внешним силам относят активные силы и реакции опор.

Под действием внешних сил в детали возникают внутренние силы упругости, стремящиеся вернуть телу первоначальную форму и размеры.

Внешние силы должны быть определены методами теоретической механики, а внутренние определяются основным методом сопротивления материалов - методом сечений.

В сопротивлении материалов тела рассматриваются в равновесии. Для решения задач используют уравнения равновесия, полученные в теоретической механике для тела в пространстве.

Используется система координат, связанная с телом. Чаще продольную ось детали обозначают z , начало координат совмещают с левым краем и размещают в центре тяжести сечения.

Метод сечений

Метод сечений заключается в мысленном рассечении тела плоскостью и рассмотрении равновесия любой из отсеченных ча­стей.

Если все тело находится в равновесии, то и каждая его часть находится в равновесии под действием внешних и внутренних сил. Внутренние силы определяются из уравнений равновесия, состав­ленных для рассматриваемой части тела.

Рассекаем тело поперек плоскостью (рис. 19.1). Рассматриваем правую часть. На нее действуют внешние силыF 4 ; F 5 ; F 6 и внутрен­ние силы упругости q к , распределенные по сечению. Систему распре­деленных сил можно заменить главным вектором Ro , помещенным в центр тяжести сечения, и суммарным моментом сил.

Главный момент тоже принято представлять в виде моментов пар сил в трех плоскостях проекции:

М х - момент сил относительно О х ; М у - момент сил относительно О у, M z - момент сил относительно O z .

Полученные составляющие сил упругости носят название внут­ренних силовых факторов. Каждый из внутренних силовых факто­ров вызывает определенную деформацию детали. Внутренние сило­вые факторы уравновешивают приложенные к этому элементу де­тали внешние силы. Используя шесть уравнений равновесия, можно получить величину внутренних силовых факторов:

Из приведенных уравнений следует, что:

N z - продольная сила, Oz внешних сил, действующих на отсеченную часть бруса; вызывает растяжение или сжатие;

Q x - поперечная сила, равная алгебраической сумме проекций на ось Ох

Q y - поперечная сила, равная алгебраической сумме проекций на ось Оу внешних сил, действующих на отсеченную часть;

силы Q x и Q y вызывают сдвиг сечения;

M z - крутящийся момент, равный алгебраической сумме мо­ментов внешних сил относительно продольной оси Oz-, вызывает скручивание бруса;

М х - изгибающий момент, равный алгебраической сумме мо­ментов внешних сил относительно оси Ож;

М у - изгибающий момент, равный алгебраической сумме мо­ментов внешних сил относительно оси Оу.

Моменты М х и М у вызывают изгиб бруса в соответствующей плоскости .

Напряжения

Метод сечений позволяет определить величину внутреннего си­лового фактора в сечении, но не дает возможности установить за­кон распределения внутренних сил по сечению. Для оценки прочно­сти необходимо определить величину силы, приходящуюся на любую точку поперечного сечения.

Величину интенсивности внутренних сил в точке поперечного сечения называют механическим напряжением. Напряжение харак­теризует величину внутренней силы, приходящейся на единицу пло­щади поперечного сечения.

Рассмотрим брус, к которому приложена внешняя нагрузка (рис. 19.2). С помощью метода сечений рассечем брус поперечной плоскостью, отбросим левую часть и рассмотрим равновесие остав­шейся правой части. Выделим на секущей плоскости малую площад­ку ΔА. На этой площадке действует равнодействующая внутренних сил упругости.

Направление напряженияр ср совпадает с направлением внутренней силы в этом сечении.

Вектор р ср называют полным напряжени­ем. Его принято раскладывать на два вектора (рис. 19.3): τ - лежащий в площадке сечения и σ - направленный перпендикулярно площадке.

Если вектор ρ - пространственный, то его раскладывают на три составляю­щие:

Сопротивление материалов. Основные задачи раздела. Классификация нагрузок.

Наука, о прочности и деформируемости материала.

Задачи.

А) Расчет на прочность: прочность – это способность материала сопротивляться нагрузкам и разрушениям;

Б) Расчет на жесткость: жесткость – способность материала сопротивляться деформациям;

В) Расчет на устойчивость: устойчивость – способность сохранять устойчивое равновесие.

Классификация нагрузок.

В процессе работы сооружения и конструкции воспринимают и передают нагрузки (силы).

Силы могут быть:

А) Объемными (сила тяжести, сила инерции и т.д.);

Б) Поверхностные (поверх. воды, давление воды);

Поверхностные нагрузки бывают:

Сосредоточенные

Распределенные нагрузки

В зависимости от характера действия нагрузки:

А) статические – постоянные по величине или медленно нарастающие;

Б) динамические – быстро меняющиеся нагрузки или ударные;

В) повторно-переменная нагрузка – нагрузки меняющиеся во времени.

Расчетные схемы. Гипотезы и допущения.

Они упрощают расчеты.

Расчетные схемы.

Расчетные схемы –деталь, которая подвержена расчету на прочность, жесткость, устойчивость.

Все многообразие конструкций деталей сводится к 3 расчетным схема:

А) Брус – тело у которого один из размеров больше 2 других (балка, бревно, рельс);

Б) Оболочка – тело у которого один из размеров меньше двух других (корпус ракеты, корпус корабля);

В) Массив – тело у которого все 3 стороны приблизительно равны (станок, дом).

Допущения.

А) Все материалы имеют непрерывное строение;

Б) Материал детали однороден, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех точках материала;

В) Все материалы считаются изотропными, т.е. у них во всех направлениях одинаковые свойства;

Г) Материал обладает идеальной упругостью, т.е. после снятия нагрузки тело полностью восстанавливает свою форму и размеры.

Гипотезы.

А) Гипотеза о малости перемещений.

Перемещения, возникающие в конструкции под действием внешних сил очень малы, поэтому ими пренебрегают в расчетах.

Б) Допущения о линейной деформируемости.

Перемещение в конструкциях прямо пропорциональны действующим нагрузкам.

Метод сечений. Виды нагружений (деформаций)

Метод сечений.

Рассмотрим груз нагруженный внешними силами P1, P2, P3, P4. Применим к брусу метод сечений: рассечем его плоскостью L на 2 равные части, левую и правую. Левую отбросим, правую оставим.

Правая часть – оставленная, будет находиться в равновесии, т.к. в поперечном сечении будут возникать внутренние силовые факторы (ВСФ), которые уравновешивают оставленную часть заменяют действия отброшенной части.

А) N – продольная сила

Б)Qx – поперечная сила

В) Qy – поперечная сила

Г) Mz – крутящий момент

Д) Mx – изгибающий момент

Е) My – изгибающий момент.

Виды деформаций (нагружений)

А) Растяжение, сжатие: такая деформация при которой в поперечном сечении действует только продольная сила N(пружина, баян, сельфон);

Б) Кручение – такая деформация при которой в сечении действует только крутящий момент Mz (вал, зубчатое колесо, гайка, юла);

В) Изгиб – деформация при которой в сечении действует изгибающий момент Mxили My(изгиб балки, изгиб балкона);

Г) Сдвиг – такая деформация при которой в сечении действует поперечная сила QxилиQy(срез и смятие заклепки).

Рассмотренные деформации считаются простыми.

Сложный вид деформации.

Деформация, при которой в сечении действуют одновременно 2 или более внутренних силовых фактора (совместные действия изгиба и кручения: вал с зубчатым колесом).

Вывод: метод сечений позволяет определить ВСФ, вид деформации. Для оценки прочности конструкции определяют интенсивность внутренних сил-напряжения.

Механические напряжения.

Механическим напряжением – называют, величину внутреннего силового фактора, приходящегося на площадь поперечного сечения.

Деформация растяжения, сжатия. ВСФ, напряжения.

Деформация растяжение, сжатие.

Это деформация, при которой в сечении возникает продольная сила N.Пример (пружина, баян, трос,).

Вывод: Растяжение – деформация, при которой сила направлена от сечения, сжатие – к сечению .

Напряжения при Р-С:

Вывод: при Р-С возникают нормальные напряжения, т.е. они также, как и продольная сила N перпендикулярны сечению.

Расчеты на прочность при растяжении, сжатии.

Существуют 3 расчета на прочность:

А) Проверка на прочность

Б) Подбор сечения

В) Определение допускаемой нагрузки

Вывод: расчеты на прочность нужны чтобы предугадать разрушения.

Закон Гука при растяжении, сжатии.

Е – модуль Юнга (или модуль упругости).

Е.И. как у напряжения.

Модуль Юнга для каждого материала различен и выбирается из справочного материала.

Нормальное напряжение прямо-пропорционально продольной деформации- Закон Гука .

Модуль Юнга характеризует жесткость материала при растяжении-сжатии.

Смятие. Расчеты на смятие.

Если толщина соединяемых деталей небольшая, а нагрузка действующая на соединение большая, то между поверхностью соединяемых деталей и стенками отверстия возникает большое взаимное давление.

Оно обозначается – Сигма см.

В результате этого давления мнется заклепка, болт, винт…, форма отверстия искажается, герметичность нарушается.

Расчеты на прочность.

Срез. Расчеты на срез.

Если 2 листа толщиной Sсоединить между собой заклепками, болтом, то по плоскостям перпендикулярным осевым линиям этих деталей произойдет срез.

Расчеты на срез.

Кручение. Чистый сдвиг. Закон Гука при кручении.

Кручение – деформация, при которой в поперечном сечении детали возникает крутящий момент Mz (вал, зубчатое колесо, червяк).

Кручение можно осуществить при чистом сдвиге тонко-стенной трубы.

На гранях выделенного элемента a,b,c,dвозникает касательное напряжение τ(тау)–этим и характеризуется чистый сдвиг .

При чистом сдвиге между касательными напряжениями τи углом сдвига γ(гамма) установлена прямая зависимость – закон Гука при кручении :τ=G*γ

G- модуль сдвига, характеризует жесткость материала при сдвиге.

Измеряется – Мпа.

2) G=E*E(модуль Юнга)

Для одного и того же материала между модулями сдвига G и модулем Юнга, существует зависимость (3).

Модуль сдвига опр-ют из формулы путем расчета, приняв величины из справочного материала.

Напряжения при кручении. Распределение касательных напряжений в сечении.

Ws – полярный момент сопротивления сечению.

Касательное напряжение распределены в сечении по линейному закону, tmaxнаходится на контуре сечения, t=0 в центре сечения, все остальные t между ними.

Ws – для простейших сечений.

Расчеты на прочность при кручении.

Вывод: расчеты на прочность при кручении необходимы, чтобы предугадать разрушения.

Расчеты на жесткость при кручении.

На жёсткость рассчитываются точные валы, для потери точности пружинения.

Относительный угол закручивания.

Обе величины могут измеряться в градусах, либо в радианах.

Изгиб. Виды изгибов. Примеры изгибов.

Изгиб – деформация при которой действует изгибающий момент (Mx, My).

Примеры : изгиб в строительной балке, парта, балкон.

Виды :

Прямой изгиб

Косой изгиб

Чистый изгиб

Классификация механических передач

- по принципу передачи движения : передачи трением и передачи зацеплением; внутри каждой группы существуют передачи непосредственным контактом и передачи гибкой связью;
- по взаимному расположению валов : передачи с параллельными валами (цилиндрические, передачи с пересекающимися осями валов (конические), передачи со скрещивающимися валами (червячные, цилиндрические с винтовым зубом, гипоидные);
- по характеру передаточного числа : с постоянным передаточным числом и с бесступенчатым изменением передаточного числа (вариаторы).

В зависимости от соотношения параметров входного и выходного валов передачи разделяют на:

-редукторы (понижающие передачи) - от входного вала к выходному уменьшают частоту вращения и увеличивают крутящий момент;

-мультипликаторы (повышающие передачи) - от входного вала к выходному увеличивают частоту вращения и уменьшают крутящий момент.

Фрикционные передачи

Фрикционная передача - механическая передача, служащая для пере­дачи вращательного движения (или для преобразования вращательного движе­ния в поступательное) между валами с помощью сил трения, возникающих между катками, цилиндрами или конусами, насаженными на валы и при­жимаемыми один к другому.

Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:

1. По назначению:

С нерегулируемым передаточным числом (рис.9.1-9.3);

С бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа (вариа­торы).

2. По взаимному расположению осей валов:

Цилиндрические или конусные с параллельными осями (рис.9.1, 9.2);

Конические с пересекающимися осями (рис.9.3).

3. В зависимости от условий работы:

Открытые (работают всухую);

Закрытые (работают в масляной ванне).

4. По принципу действия:

Нереверсивные (рис.9.1-9.3);

Реверсивные.

Достоинства фрикционных передач:

Простота конструкции и обслуживания;

Плавность передачи движения и регулирования скорости и бесшумность работы;

Большие кинематические возможности (преобразование вращатель­ного движения в поступательное, бесступенчатое изменение скоро­сти, возможность реверсирования на ходу, включение и выключение передачи на ходу без остановки);

Равномерность вращения, что удобно для приборов;

Возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа, причем на ходу, без остановки передачи.

Недостатки фрикционных передач:

Непостоянство передаточного числа из-за проскальзывания;

Незначительная передаваемая мощность (открытые передачи - до 10-20 кВт; закрытые - до 200-300 кВт);

Для открытых передач сравнительно низкий КПД;

Большое и неравномерное изнашивание катков при буксовании;

Необходимость применения опор валов специальной конструкции с прижимными устройствами (это делает передачу громоздкой);

Для силовых открытых передач незначительная окружная скорость ( 7 - 10 м/с);

Большие нагрузки на валы и подшипники от прижимной силы , что увеличивает их размеры и делает передачу громоздкой. Этот недостаток ограничивает величину передаваемой мощности;

Большие потери на трение.

Применение.

Они применяются в машиностроении сравнительно редко, например, во фрикционных прессах, молотах, лебедках, буровой технике и т.п. Эти передачи применяются преимущественно в приборах, где требуется плавность и бесшумность работы (магнитофоны, проигрыва­тели, спидометры и т. п.).

Передача Винт-гайка

Передача винт-гайка состоит из : винта и гайки, сопри­касающихся винтовыми поверхностями.Передача винт-гайка предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное.

Различают два типа передач винт-гайка :

Передачи трения скольжения или винтовые пары трения скольжения;

Передачи трения качения или шариковинтовые пары. Ведущим элементом в передаче, как правило, является винт, ведомым - гайка. В передачах винт-гайка качения на винте и в гайке выполнены винто­вые канавки (резьба) полукруглого профиля, служащие дорожками ка­чения для шариков.

В зависимости от назначения пе­редачи винты бывают:

- грузовые, применяемые для создания больших осевых сил.

- ходовые, применяемые для перемещений в механизмах подачи. Для снижения потерь на трение применяют преимущественно трапецеи­дальную многозаходную резьбу.

- установочные, применяемые для точных перемещений и регули­ровок. Имеют метрическую резьбу. Для обеспечения безлюфтовой пере­дачи гайки делают сдвоенными.

Основные достоинства:

1.возможность получения большого выигрыша в силе;

2. высокая точность перемещения и возможность получения медленного движения;

3. плавность и бесшумность работы;

4. большая несущая способность при малых габаритных размерах;

5. простота конструкции.

Недостатки передач винт-гайка скольжения:

1.большие потери на трение и низкий КПД;

2. затруднительность применения при больших частотах вращения.

Применение передачи “винт-гайка”

Наиболее характерными областями применения передачи винт – гайка являются:

Поднятие грузов (домкраты);

Нагружение в испытательных машинах;

Осуществление рабочего процесса в станках (винтовые процессы);

Управление оперением самолетов (закрылки, руки направления и высоты, механизмы выпуска шасси и изменения стреловидности крыла);

Перемещение рабочих органов робота;

Точные делительные перемещения (в измерительных механизмах и станках).

Зубчатые передачи

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми ко­лесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступатель­ную пару, называют зубчатойпередачей . Меньшее из колес передачи принято называть шестерней, а большее – колесом, звено зубчатой передачи, соверша­ющее прямолинейное движение, называют зубчатой рейкой.

Классификация:

- по взаимному расположению осей колес : с параллельными осями, с пересекающимися осями со скрещивающимися осями) с преобразованием движения

- по расположению зубьев относительно образующих колес: прямозубые; косозубые;шевронные; с круговым зубом;

- по направлению косые зубья бывают: правые и левые.

- по конструктивному оформлению : открытые и закрытые;

- по числу ступеней: одно- имногоступенчатые;

Червячные передачи

Червячная передача (или зубчато-винтовая передача) - механизм для передачи вращения ме­жду валами посредством винта и сопряженного с ним червячного колеса. Червяк и червячное колесо, образуют совместно высшую зубчато-винтовую кинематическую пару, а с третьим, неподвижным звеном, низшие вращательные кинематические пары.

Достоинства:

· Плавность работы;

· Малошумность;

· Самоторможение - при некоторых передаточных отношениях;

· Повышенная кинематическая точность.

Недостатки:

· Повышенные требования к точности сборки, необходимость точной регулировки;

· При некоторых передаточных соотношениях передача вращения возможна только в одном направлении - от винта к колесу. (для некоторых механизмов может считаться достоинством).

· Сравнительно низкий КПД (целесообразно применять при мощностях менее 100 кВт)

· Большие потери на трение с тепловыделением, необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода;

· Повышенный износ и склонность к заеданию.

Червяки различают по следующим признакам:

По форме образующей поверхности:

· цилиндрические

· глобоидные

По направлению линии витка:

По числу заходов резьбы

· однозаходные

· многозаходные

· по форме винтовой поверхности резьбы

· с архимедовым профилем

· с конволютным профилем

· с эвольвентным профилем

· трапецеидальный

Редуктор

Редуктор (механический) - механизм, передающий и преобразующий крутящий момент, с одной или более Механическими передачами.

Основные характеристики редуктора -КПД, передаточное отношение, передаваемая мощность, максимальные угловые скорости валов, количество ведущих и ведомых валов, тип и количество передач и ступеней.

Прежде всего редукторы классифицируются по типам механических передач : цилиндрические, конические, червячные, планетарные, волновые, спироидные и комбинированные.

Корпуса редукторов : в серийном производстве широко распространены стандартизованные литые корпуса редукторов. Чаще всего в тяжёлой промышленности и машиностроении применяются корпуса из литейного чугуна, реже из литейных сталей.

Классификация редукторов

• Червячные редукторы
• Цилиндрические редукторы
• Классификация редукторов в зависимости от вида передач и числа ступеней

Ременные передачи

Устройство и назначение

Ременная передача относится к передачам трением с гибкой связью и может применяться для передачи движения между валами, находящимися на значительном расстоянии один от другого. Она состоит из двух шкивов (ведущего, ведомого) и охватывающего их бесконечного ремня, надетого с натяжением. Ведущий шкив силами трения, возникающими на поверхности контакта шкива с ремнем вследствие его натяжения, приводит ремень в движение. Ремень в свою очередь заставляет вращаться ведомый шкив.

Область применения

Ременные передачи применяются для привода агрегатов от электродвигателей малой и средней мощности; для привода от маломощных двигателей внутреннего сгорания.

Цепные передачи

Цепные передачи – это передачи зацеплением и гибкой связью, состоящие из ведущей и ведомой звездочек и охватывающей их цепи. В состав передачи также часто входят натяжные и смазочные устройства, ограждения.

Достоинства:

1. возможность применения в значительном диапазоне межосевых расстояний;

2. меньшие, чем у ременных передач, габариты;

3. отсутствие проскальзывания;

4. высокий КПД;

5. относительно малые силы, действующие на валы;

6. возможность передачи движения нескольким звездочкам;

7. возможность легкой замены цепи.

Недостатки:

1. неизбежность износа шарниров цепи из-за отсутствия условий для жидкостного трения;

2. непостоянство скорости движения цепи, особенно при малых числах зубьев звездочек;

3. необходимость более точной установки валов, чем для клиноременной передачи;

4. необходимость смазывания и регулировки.

Цепи по назначению разделяют на три группы:

1. грузовые – используют для закрепления грузов;

2. тяговые – применяют для перемещения грузов в машинах непрерывного транспорта (конвейерах, подъемниках, эскалаторах и др.);

3. приводные – используют для передачи движения.

Применение: Передачи используют в сельскохозяйственных, подъемно-транспортных, текстильных и полиграфических машинах, мотоциклах, велосипедах, автомобилях, нефтебуровом оборудовании.

Механизмы

Механизм - внутреннее устройство машины, прибора, аппарата, приводящее их в действие. Механизмы служат для передачи движения и преобразования энергии (редуктор, насос, электрический двигатель).

Механизм состоит из 3 групп звеньев:

1. Неподвижные звенья- стойки

2. Ведущие звенья- передаёт движение

3. Ведомые звенья- воспринимают движения

Классификация механизмов :

1. Рычажные механизмы: кривошибно-шатунный механизм- кривошиб(врощательные движения), шатун(калибательное), ползун(поступательное).

Применение: Поршневые насосы, паровые машины.

Валы и оси

В современных машинах наиболее широко используется вращательное движение деталей. Менее распространено поступательное движение и его комбинация с вращательным (винтовое движение). Движение поступательно перемещающихся частей машин обеспечивается специальными устройствами, называемыми направляющими . Для осуществления вращательного движения используют специальные детали – валы и оси, которые своими специально приспособленными для этого участками – цапфами (шипами) или пятами– опираются на опорные устройства, называемые подшипниками или подпятниками.

Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой ци­линдрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вра­щающего момента.

При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяже­ния (сжатия).Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение (карданные валы автомобилей, валки прокатных станков и др.).

Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания ус­тановленных на ней деталей.

В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (подвижные оси).

Лассификация валов и осей

По назначению валы подразделяют на:

Передаточные- несущие только различные детали механических передач (зубчатые колеса, шкивы ременных передач, звездочки цепных передач, муфты и т.д.),

Коренные- несущие основные рабочие органы машин (роторы электродвигателей и турбин, шатунно-поршневой комплекс двигателей внутреннего сгорания и поршневых насосов), а при необходимости ещё дополнительно и детали механических передач (шпиндели станков, приводные валы конвейеров и т.п.). Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется шпинделем .

По геометрической форме валы делят на : прямые; криво­шипные;коленчатые; гибкие; телеско­пические; карданные .

По методу изготовления различают : цельные и составные валы.

По виду поперечных сечений участков вала различают сплошные и полые валы с круглым и некруглым поперечным сечением.

Подшипники

Подшипник - Сборочный узел, являющийся частью опоры или упора и поддерживающий вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение или линейное перемещение (для линейных подшипников ) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции.

По принципу работы все подшипники можно разделить на несколько типов:

· подшипники качения;

· подшипники скольжения;

Подшипники качения

Представляет собой уже готовый узел, основными элементами которого являются тела кочения- шарики или ролики, установленные между кольцами и удерживаемые на определённом расстояние друг от друга.

Достоинства:

1. Малая стоимость, из-за массового производства.

2. Не большие потери на трение и малый нагрев при работе.

3. Малые осевые размеры.

4. Простота конструкции

Недостатки:

1. Большие радиальные размеры.

2. Нет разъёмных соединений.

Классификация:

1. По форме тел качения: шариковые, роликовые.

2. По напровлению действия: радиально-упорные,упорные, упорно-радиальные.

3. По числу рада тел качения: однородные, двухрядные, четырёхрядные.

4. По основным конструктивным признакам: самоутанавливающиеся, несамоустанавливающиеся.

Применение: В машиностроение.

Подшипники скольжения

Подшипник скольжения – состоит из корпуса, вкладешей и смазывающих устройств. В простейшем виде они представляют собой втулку (вкладышь), встоенную в станину машины.

Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает низкое трение, разделение подвижных частей, теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды.

Смазка может быть:

• жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для неметаллических подшипников),
• пластичной (на основе литиевого мыла и кальция сульфоната и др.),
• твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.) и
• газообразной (различные инертные газы, азот и др.).

Классификация:

Подшипники скольжения разделяют:

в зависимости от формы подшипникового отверстия:

• одно - или многоповерхностные,
• со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного вращения),
• со смещением или без смещения центра (для конечной установки валов после монтажа);

по направлению восприятия нагрузки :

• радиальные
• осевые (упорные, подпятники),
• радиально-упорные;

по конструкции :

• неразъемные (втулочные; в основном, для I-1),
• разъемные (состоящие из корпуса и крышки; в основном, для всех, кроме I-1),
• встроенные (рамовые, составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины);

по количеству масляных клапанов :

• с одним клапаном,
• с несколькими клапанами;

по возможности регулирования :

• нерегулируемые,
• регулируемые.

Достоинства

• Надежность в высокоскоростных приводах
• Способны воспринимать значительные ударные и вибрационные нагрузки
• Сравнительно малые радиальные размеры
• Допускают установку разъемных подшипников на шейки коленчатых валов и не требуют демонтажа других деталей при ремонте
• Простая конструкция в тихоходных машинах
• Позволяют работать в воде
• Допускают регулирование зазора и обеспечивают точную установку геометрической оси вала
• Экономичны при больших диаметрах валов

Недостатки

• В процессе работы требуют постоянного надзора за смазкой
• Сравнительно большие осевые размеры
• Большие потери на трение при пуске и несовершенной смазке
• Большой расход смазочного материала
• Высокие требования к температуре и чистоте смазки
• Пониженный коэффициент полезного действия
• Неравномерный износ подшипника и цапфы
• Применение более дорогих материалов

Применение: Для волов больших диаметров; тихоходных машин; бытовая техника.

Му́фта - устройство (деталь машины), предназначенное для соединения друг с другом концов валов и свободно сидящих на них деталей для передачи крутящего момента. Служат для соединения двух валов, расположенных на одной оси или под углом друг к другу.

Классификации муфт.

По видам управления

· Управляемые - сцепные, автоматические

· Неуправляемые - постоянно действующие.

Неразъемные соединения.

Соединения сварные

Сварное соединение - неразъёмное соединение, выполненное сваркой.

Сварное соединение включает три характерные зоны, образующиеся во время сварки: зону сварного шва, зону сплавления и зону термического влияния, а также часть металла, прилегающую к зоне термического влияния.

Зоны сварного соединения: самая светлая - зона основного металла, темнее - зона термического влияния, самая тёмная область в центре - зона сварного шва. Между зоной термического влияния и зоной сварного шва находится зона расплавления.

Сварной шов - участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.

Металл шва - сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.

Основной металл - металл подвергающихся сварке соединяемых частей.

Зона сплавления - зона частично сплавившихся зёрен на границе основного металла и металла шва.

Зона термического влияния - участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке.

Клеевые соединения.

Клеевые соединения находят все большее применение в связи с созданием высококачественных синтетических клеев. Наиболее широко применяют клеевые соединения внахлестку, работающие на сдвиг. При необходимости получить особо прочные соединения, применяю комбинированные соединения: клеевинтовые, клеезаклепочные, клеесварные.

Области применения клеев.

Наиболее крупными потребителями клеевых материалов являются деревообрабатывающая промышленность, строительство, легкая промышленность, машиностроение, авиационная промышленность, судостроение и др.

Применяются клеи в устройствах связи, сигнализации и энергоснабжения.

Комбинированные соединения: клеесварные, клеерезьбовые, клееклепанные - значительно улучшают технические характеристики деталей и механизмов, обеспечивают высокую прочность и, в ряде случаев, герметичность конструкций.

Клеи нашли применение в медицине для склеивания костей, живых тканей и других целей.

Разъемные соединения.

Шпоночные соединения

Шпоночные соединения служат для закрепления на валу (или оси) вращающихся деталей (зубчатых колес, шкивов, муфт и т. п.), а также для передачи вращающего момента от вала к ступице детали или, наоборот, от ступицы к валу.Конструктивно, на валу делается паз, в который закладывается шпонка и затем на эту конструкцию надевается колесо, которое так же имеет шпоночный паз.

В зависимости от назначения шпоночного соединения существуют шпонки разной формы:

А) Призматическая шпонка с плоским торцом;
б) Призматическая шпонка с плоским торцом и отверстиями для крепежных винтов;
в) Шпонка со скруглённым торцом;
г) Шпонка со скруглённым торцом и отверстиями для крепежных винтов;
д) Сегментная шпонка;
е) Клиновая шпонка;

ж) Клиновая шпонка с упором.

Шлицевые соединения

Шлицевые соединения используют для соединения валов и колёс за счёт выступов на валу и в падинах в отверстии колеса.

По принципу действия шлицевые соединения напоминают шпоночные соединения, но имеют ряд преимуществ:

· лучшее центрирование деталей на валу;

· передают больший вращающий момент;

· высокая надёжность и износостойкость.
В зависимости от профиля зубьев различают три основных типа соединений:

а) Прямобочные зубья (число зубьев Z = 6, 8, 10, 12), ГОСТ 1139-80;
б) Эвольвентные зубья (число зубьев Z = 12, 16 и более), ГОСТ 6033-80;
в) Треугольные зубья (число зубьев Z = 24, 36 и более).
Широкое распространение шлицевые соединения получили в механизмах, где нужно перемещать колесо вдоль оси вала, например в переключателях скоростей автомобилей.
Шлицевые соединения надежны, но не технологичны, поэтому их применение ограничено из за высокой стоимости изготовления.

Резьбовые соединения

Резьбовым называют разъёмное соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу.
Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии. Телом вращения может быть цилиндр или круглое отверстие - цилиндрические резьбы. Иногда используется коническая резьба. Профиль резьбы соответствует определённому стандарту.

Виды резьбовых соединений

Название	Изображение	Примечание
Болтовое соединение		Используется для скрепления деталей небольшой толщины. При обрыве резьбы легко заменяется.
Винтовое соединение		Винт может иметь любую головку. Резьба нарезается непосредственно в корпусе детали. Недостаток - резьба в корпусе может быть повреждена, что приводит к замене всего корпуса.
Соединение шпилькой		Затяжка осуществляется гайкой. Шпилька закручена в корпус. При обрыве резьбы в корпусе, нарезается новая резьба большего диаметра или, если это невозможно, то заменяется весь корпус.
Соединение шпилькой		Затяжка производится двумя гайками. При обрыве резьбы легко заменяется.

Основные конструктивные формы головок болтов и винтов

а) Шестигранная головка для затяжки гаечным ключом; б) Круглая головка со шлицом для затяжки отвёрткой; в) Потайная головка со шлицом для затяжки отвёрткой.

Крепежно-уплотняющие резьбы. Их используют в резьбовых изделиях, предназначенных как для скрепления деталей, так и для создания герметичности. К ним относятся резьбы: трубная цилиндрическая, трубная коническая, коническая дюймовая, круглая дюймовая.

Установочные винты и соединения.
Установочные винты применяют для фиксации положения деталей и предотвращения их сдвига.

а) С плоским торцом, используется для фиксации при малой толщине детали. б) Конический хвостовик. в) Ступенчатый хвостовик.

Ступенчатый и конический хвостовики используются для крепления деталей имеющих предварительное засверливание.

Пример использования установочного винта с коническим хвостовиком.

Болты и соединения специального назначения.

Фундаментные болты. Специальные крепёжные элементы, изготовленные в виде стержня с резьбой. Они служат в основном для крепления различного оборудования и строительных конструкций. Их применяют в местах, где необходимо прочное и надёжное крепление конструкций в бетонном, кирпичном, каменном или другом основании. Болт помещается в основание и заливается бетоном.
Рым-болт (болт нагруженный) - предназначен для захвата и перемещения машин и деталей при монтаже, разработке, погрузке и тому подобное.
Крюк с болтом нагруженным - предназначен для зацепления и перемещения различных грузов.

Гайки.
В разъёмных резьбовых соединениях болты и шпильки снабжены гайками. Гайки, в отверстиях имеют ту же резьбу, что и болты (тип, диаметр, шаг). Резьбовое отве