Введение
«Детали машин» – раздел механики, в котором изучают основы проектирования машин и механизмов.
Любая машина или механизм состоят из сборочных единиц (узлов) и отдельных деталей. Детали, представляющие единое целое, изготовляют без применения сборочных операций (валы, винты, шкивы, зубчатые колеса и др.).
Сборочные единицы (узлы) состоят из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т.п.). Менее сложные сборочные единицы могут входить в более сложные (в редукторе имеются подшипники, валы с зубчатыми колесами).
Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяются такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т.п.). Эти детали (узлы) называют деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин». Все другие детали (поршни, лопатки турбин и т.п.) относят к деталям специального назначения и изучают в специальных курсах.

Детали общего назначения могут быть условно подразделены на четыре основные категории:
1. Детали неразъемных (заклепки) и разъемных (болты, винты, шпонки, штифты и др.) соединений.
2. Детали для поддержания и соединения вращающихся частей машин (оси, валы, подшипники и муфты).
3. Детали передач (зубчатых, фрикционных, винтовых, цепных, ременных и др.).
4. Детали смазочных устройств, трубопроводов и аппаратуры.

Детали и сборочные единицы общего назначения являются изделиями массового производства. Поэтому даже незначительное усовершенствование их конструкции, повышение качества изготовления дают большой экономический эффект.

Требования к деталям машин и критерии работоспособности

Несмотря на большое многообразие современных машин, отличающихся друг от друга назначением, производительностью, скоростью движения рабочих органов и т.д., установлены общие требования, предъявляемые к конструкции самих машин, а также их узлов и деталей.
Машина должна отличаться целесообразностью, легкостью и компактностью конструкции, экономичностью ее изготовления и эксплуатации, прочностью и долговечностью в работе, надежностью и безопасностью действия, привлекательным внешним видом и удобством пользования.
К конструкциям узлов предъявляются требования легкой их сборки и разборки, легкой замены быстроизнашивающихся частей и т.д.

Критериями работоспособности деталей является их прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость. Под надежностью деталей и сборочных единиц понимают их свойство сохранять работоспособность в течение заданного срока эксплуатации.
В зависимости от назначения детали ее расчет ведут по одному или нескольким критериям. Например, валы рассчитывают на прочность, жесткость, виброустойчивость, а для резьбовых и сварных соединений главным критерием является их прочность.

Прочность – важнейший критерий работоспособности детали, характеризует ее способность сопротивляться действию нагрузок без разрушения или пластических деформаций. Непрочные детали не могут работать.
Различают поломки деталей при статическом нагружении и при повторно-переменном нагружении, когда рабочие напряжения достигают соответственно предела прочности σв (предела текучести σт) и пределов выносливости σ-1, τ-1.

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. Упругие перемещения деталей не должны превышать допустимых перемещений, устанавливаемых на основании опытов и расчетов. Например, при больших прогибах валов в редукторе резко ухудшается работа зубчатых колес и подшипников.
Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.
Для увеличения жесткости деталей при конструировании механизма рекомендуется:
- заменять, где это возможно, деформацию изгиба растяжением и сжатием;
- уменьшать плечи изгибающих и скручивающих сил и линейные размеры деталей, испытывающих напряжения изгиба и кручения;
- для деталей, работающих на изгиб, применять такие формы сечений, которые имеют наибольшие моменты инерции Jх и сопротивления Wх;
- для деталей, работающих на кручение, применять замкнутые (кольцевые) сечения, имеющие наибольшие моменты инерции Jρ и сопротивления Wρ при кручении;
- уменьшать длину деталей, работающих на сжатие (продольный изгиб);
- выбирать для деталей материалы с высоким значением модуля упругости (Е или G).

Износостойкость. В результате изнашивания выходят из строя большинство подвижно соединенных деталей. При этом происходит увеличение зазоров в соединении, что приводит к потере точности работы механизма, возрастанию динамических нагрузок и даже поломке деталей.
Изнашивание увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения дорогих ремонтных работ. Для многих типов машин за период их эксплуатации затраты на ремонты и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Этим объясняется большое внимание, которое уделяют в настоящее время трибонике – науке о трении, смазке и изнашивании механизмов.

Повышение износостойкости деталей может быть достигнуто:
- соответствующим выбором материала;
- повышением твердости и чистоты трущихся поверхностей;
- обеспечением условий для жидкостного трения, при котором поверхности деталей разделены тонким масляным слоем. Они непосредственно не соприкасаются, а, следовательно, и не изнашиваются, коэффициент трения становится очень малым (0,005);
- соблюдением рационального режима смазки и предохранения поверхностей от загрязнения.

Виброустойчивость. При высоких скоростях звеньев механизмов могут возникнуть вибрации, которые вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. При вибрациях особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае, когда частота собственных колебаний детали совпадает с
частотой изменения периодических сил, вызывающих вибрации, так как при этом резко возрастает амплитуда колебаний и может произойти разрушение детали.

Причинами появления вибрации являются: неуравновешенность движущихся деталей механизма, большие зазоры между сопряженными деталями, неточность изготовления зубьев колес, недостаточная жесткость деталей и корпусов механизмов, периодическое изменение сил и другие причины.

Для предотвращения вибраций необходимо устранить причины, способствующие их возникновению. Часто вибрации можно устранить путем изменения динамических свойств системы, изменения моментов инерции подвижных частей механизма и увеличения жесткости вибрирующих деталей, уравновешивания вращающихся деталей. Для защиты механизма от внешних механических воздействий – толчков, ударов и вибрации – применяются амортизаторы.

Теплостойкость. Тепловые расчеты при проектировании механизмов обычно производятся для решения двух задач:
1) определения температуры нагрева деталей и изыскания способов ограничения ее величины допустимыми пределами;
2) определения величины тепловых деформаций деталей для учета их влияния на точность и надежность механизма.
Пренебрежение к учету влияния тепловых факторов может привести к чрезмерному и неравномерному нагреву деталей механизма и нарушению нормального их взаимодействия.
Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).