Детали машин

ДЕТАЛИ МАШИН (от французского détail - подробность), элементы машин и механизмов, каждый из которых представляет собой одно целое и не может быть без разрушения разобран на более простые составные части. «Детали машин» - также научная дисциплина, охватывающая изучение теории, методики расчёта и конструирование машин. В сложных машинах количество деталей достигает десятков тысяч. Выполнение машин из деталей, прежде всего, вызвано необходимостью относительных движений частей механизма - звеньев. Однако неподвижные и взаимно неподвижные звенья также изготовляют из соединённых между собой деталей, что позволяет применять оптимальные материалы, восстанавливать работоспособность машин, заменяя только простые и дешёвые детали, а также облегчает их изготовление, обеспечивает возможность и удобство сборки. Многие детали и узлы различных машин имеют сходство и выполняют одинаковые функции, поэтому их называют деталями (и узлами) общего назначения. Детали, характерные только для некоторых типов машин (например, пропеллеры, гребные винты, лопатки турбин, шатуны, поршни двигателей и др.), называются деталями специального назначения.

Функциональные группы деталей отличаются большим разнообразием. Выделяют следующие основные группы. Корпусные детали, входящие в несущие механизмы и узлы: плиты, станины, основания и др.; рамы транспортных машин; корпусы турбин, насосов, двигателей, редукторов и др.; цилиндры и блоки цилиндров; столы, салазки, суппорты станков; консоли, кронштейны опорных узлов и др. В передачах - механизмах, передающих механическую энергию на расстояние (цепная, ременная передача, зубчатая передача и др.), в качестве промежуточного звена используют ремень, цепь, обеспечивающие значительные расстояния между валами (гибкая связь), и зубчатые колёса, диски, конусы, передающие движение при непосредственном контакте. Валы и оси служат для передачи крутящего момента и поддержания вращающихся вместе с ними зубчатых колёс, шкивов, блоков и др. По конструкции различают валы коренные, которые кроме деталей несут рабочие органы (например, колёса турбин), и специальные валы (торсионные, гибкие и др.). Вращающиеся и неподвижные оси широко применяются в транспортных машинах, например для поддержания неведущих колёс автомобиля, колёсных пар вагона. Для соединения (разъединения) валов и передачи вращающих моментов служат детали муфт, которые могут также компенсировать погрешности изготовления и сборки, смягчать динамические воздействия. К группе опор - деталей, воспринимающих нагрузки и передающих их на другие элементы, относятся подшипники, на которые опираются оси и валы, и направляющие для поступательного перемещения столов станков, суппортов и др. Упругие элементы предназначены для виброизоляции и гашения энергии удара (рессоры, амортизаторы, резиновые прокладки и др.); аккумулирования энергии (например, пружина); создания натяга в разъёмных соединениях и т. д.

При сборке для образования узлов применяют различные способы соединения деталей. Используют способы, не допускающие разъединения узла без разрушения деталей или соединительного слоя (сварного, паяного, клеевого шва, развальцованных кромок), и разъёмные соединения (например, резьбовые), в которых при работе машины детали остаются неподвижными, но конструкция допускает разборку узла с целью осмотра, ремонта, замены изношенных деталей и т. п.

Материалы деталей в большой степени определяют качество всей машины. Для изготовления деталей используют сталь, чугун, цветные сплавы, композиционные материалы. Ответственные детали машин (зубчатые колёса, напряжённые валы, подшипники и др.) выполняют из легированной закалённой или улучшенной стали. Для обеспечения заданной формы и определённой жёсткости детали машин изготовляют обычно из незакалённой стали и чугуна. Детали  машин, работающие в условиях высоких температур, выполняют из жаростойких или жаропрочных сплавов. В качестве электроизолирующих, антифрикционных, фрикционных, коррозионностойких, теплоизолирующих материалов, обладающих также хорошими технологическими свойствами, применяют высокопрочные пластмассы (например, стеклопластики). Для деталей, которые должны иметь упругость и высокую износостойкость (например, ремни, конвейерные ленты, прокладки, манжеты и др.), используют резины, прорезиненные ткани, резинометаллические ленты и готовые изделия.

Расчёт деталей производят из условия, что они должны в течение определённого срока службы при минимальной стоимости изготовления и выполнения условий эксплуатации удовлетворять критериям работоспособности - прочности, жёсткости, износостойкости, теплостойкости и др. Расчёты на прочность деталей машин, испытывающих циклические нагрузки, ведут по номинальным напряжениям или по коэффициенту запаса прочности с учётом концентрации напряжений, качества поверхности и размеров (масштабного фактора). Расчёт деталей на жёсткость обычно осуществляют из условия удовлетворительной работы сопряжённых деталей (отсутствие повышенных кромочных давлений, качество зацепления зубчатых колёс и др.) и условия выполнения технологических и эксплуатационных требований: получение изделий определённого класса точности при заданной производительности. В расчётах учитывают создающиеся при работе в узлах силы трения для обеспечения износостойкости деталей. Наиболее выгодными для работы соединений являются условия жидкостного трения. При невозможности создания таких условий давления и скорости ограничивают до значений, принятых в практической деятельности или полученных экспериментально. Возможно образование так называемых безызносных трущихся пар при возникновении на поверхности трения металлической плёнки (в результате эффекта «избирательного переноса»), которая резко снижает коэффициент трения и повышает кпд механизма. Такой эффект обеспечивает, например, применение в месте контакта стальных деталей смазки ЦИАТИМ с добавлением в неё медного порошка при обязательной хорошей защите места контакта от пыли и грязи. Этот способ используется в основном в экстремальных условиях эксплуатации (на космических аппаратах, в агрессивных средах и т.п.).

Методика расчётов деталей машин развивается в нескольких направлениях, среди них: оптимизация конструкций, введение в расчёты корректировочных коэффициентов с учётом фактора времени, использование вероятностных методов, стандартизация расчётов, применение ЭВМ. С конца 1990-х годов для расчёта деталей машин и строительных конструкций широко используется разработанная в России (МВТУ) под руководством В. В. Шелофаста система автоматизированного проектирования расчётов - АРМ Win Machine, позволяющая за несколько минут рассчитать и получить заключение о работоспособности сложнейших деталей и узлов машин. Система работает с отображением процесса и результатов на экране, осуществляет автоматическое создание чертежа с применением анимации работы механизма и др. При этом имеется возможность практически мгновенно определить напряжения и перемещения в любой точке конструкции и в зависимости от этого произвести корректировку размеров и конфигурации детали. Исследования в области расчётов и конструирования деталей машин на основе использования современных технологий в России проводятся также в Институте машиноведения РАН, НИИ технологии машиностроения и др.

Научная дисциплина «Детали машин» включает в себя теорию, расчёт и конструирование деталей общего назначения. Первый курс этой дисциплины был сформирован во 2-й половине 19 века, хотя многие вопросы расчёта деталей машин разрабатывались и ранее; например, Л. Эйлер в 18 веке предложил теорию эвольвентного зубчатого зацепления и разработал основные теории расчёта тормозов и ременных передач. Первый в России курс «Детали машин» был написан в 1881 В. Л. Кирпичёвым. Расширили теорию расчёта деталей машин Н. П. Петров, О. Рейнольдс, Н. Е. Жуковский. Большой вклад в дальнейшее развитие науки внесли И. И. Артоболевский, П. К. Худяков, А. И. Сидоров, М. А. Саверин, Д. Н. Решетов и др. Изложение предмета «Детали машин» основывается на знаниях, полученных при изучении математики, физики, начертательной геометрии, черчения.

Лит.: Расчет деталей машин на ЭВМ / Под редакцией Д. Н. Решетова, С. А. Шувалова. М., 1985; Детали машин / Под редакцией О. А. Ряховского. 2-е изд. М., 2004; Атлас конструкций узлов и деталей машин / Под редакцией О. А. Ряховского. М., 2005; Иванов М. Н., Финогенов В. А. Детали машин. 10-е изд. М., 2006.