10.3 Прочность и жесткость

Прочная и жесткая деталь при эксплуатации не должна разрушаться и подвергаться недопустимым упругим и пластическим деформациям. Например, нельзя допускать за счет прогибов большие перекосы валов с зубчатыми колесами, образование отдействия нагрузок ямок на дорожках подшипников качения. Повышение прочности и жесткости детали наиболее просто можно добиться увеличением размеров в опасных сечениях или заменой материала на более качественный. Обычно такое решение приводит к увеличению массы, габаритных размеров и стоимости. Поэтому конструктору нужно использовать способы обеспечения прочности при минимальных затратах массы, которые позволяют получить деталь с минимальной материалоемкостью.

Прочность узлов и деталей. Конструирование прочных узлов и деталей минимальной массы сводится к выбору рациональной схемы конструкции, формы, размеров и материала деталей. Возможно и упрочнение материала. Минимальная масса конструкции обеспечивается способами: создания изделия с рациональной конструктивно-силовой схемой; конструированием деталей минимальной массы; уменьшением нагрузки, концентрации напряжений; применением композиционных материалов; упрочнением материала деталей в наиболее напряженных местах; удалением материала с участков, где напряжения малы.

Уменьшение нагрузки. Снижение нагрузок на детали можно реализовать, увеличивая число элементов, передающих силы и моменты. Например, замена однопоточной схемы редуктора на многопоточную обычно приводит к снижению нагрузок и массы. Уменьшение концентрации напряжений. Это важно для увеличения прочности и долговечности при циклическом нагружении. Снижение концентрации напряжений можно выполнить двумя способами: конструктивным и технологическим. При конструктивном способе не рекомендуется делать резких переходов формы (галтели с малым радиусом, пазы под шпонки) и скачков нагрузки (сосредоточенные силы, прессовые посадки). При технологическом способе прочность детали увеличивается засчет создания в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и (или) повышения прочности поверхностного слоя. Это осуществляется дробеструйной обработкой, обкаткой роликами, химико-термическими способами (цементация, азотирование), методами физического воздействия высокой энергией (лазерная, ионно-плазменная обработка) и др.

Применение композиционных материалов (КМ). Детали из КМ можно придать свойства, согласованные с действующими нагрузками (где больше нагрузка, там в материале матрицы больше высокопрочных волокон, направленных вдоль действующих сил).

Упрочнение материала детали в наиболее напряженных местах.

Упрочнение выполняется технологическими способами. Например, рабочую поверхность зуба колеса делают более твердой по сравнению с сердцевиной.

В результате зуб выдерживает большие контактные напряжения, а пластичная сердцевина не дает ему разрушаться при ударах.

Удаление материала с участков, где напряжения малы.

На рис. 10.2 показано, как нужно в этом случае изменить форму детали для

Рис. 10.2

уменьшения ее массы (конструкции на рис. 10.2, а заменить на другие конструкции (рис. 10.2, б)). В улучшенных конструкциях у зубчатого колеса сделаны дополнительные проточки, а в шестерне, консольно-расположенной на валу, расточено отверстие.

Жесткость деталей и узлов. Жесткость определяет способность детали сопротивляться деформации при нагружении. Наряду с деталями, где деформация ограничена и жесткость должна быть достаточно высокой (валы, балки), имеются элементы с регламентированной и(или) малой жесткостью (пружины, сильфоны, гибкие колеса волновых передач). Для обеспечения необходимой жесткости балок целесообразно использовать рациональные сечения, выбранные из условия прочности. Такие сечения также будут иметь минимальную массу. Нельзя допускать потерю устойчивости, как местной, так и общей. Общая устойчивость балки, нагруженной сжимающими силами, связана с жесткостью. Действующая сила должна быть меньше критической силы, которую определяют по формуле Эйлера

При конструировании длинных стержней, которые могут потерять общую устойчивость, их рациональным сечением, обеспечивающим минимальную массу, будет кольцевое. Используются детали в виде трубы с законцовками.

Повышение жесткости возможно путем: - использования материала с более высоким модулем упругости (например, вместо алюминиевых сплавов Е = 0,72 • 105 МПа бериллиевых Е = 1,35 • 105, которые имеют более высокую удельную жесткость Е/р;

- замены деформации изгиба на растяжение—сжатие;

- использования ребер жесткости или перегородок;

- увеличения площади контакта;

- увеличения жесткости наиболее податливого элемента сжатию (например, упругой прокладки) и др.