10.5 Другие методы и принципы конструирования

Помимо рассмотренных выше подходов при конструировании деталей и узлов механизмов используются и другие, облегчающие создание и эксплуатацию изделий. Рассмотрим некоторые из них. Блочный принцип. Использование блочного конструирования позволяет существенно повысить технологичность при сборке, и особенно при ремонте изделия.

Компактность конструкции. Меньшие габаритные размеры получаем при переходе к более совершенным передачам, например при замене многоступенчатой цилиндрической зубчатой передачи на волновую. Использование более совершенных схем расположения колес также уменьшает размеры. Соосная схема редуктора лучше, так как она имеет меньший объем и массу, чем развернутая.

При конструировании для получения более совершенных изделий можно использовать эвристические приемы. Приведем некоторые из них.

Метод совмещения. На рис. 10.5, а показаны два коромысла, каждое из которых имеет свою опору, а на рис. 10.5, б—г — другие варианты, где две опоры объединены в одну, конструкция которых проще и масса меньше.

Метод «матрешки», когда один элемент конструкции помещается внутри другого. Например, мотор устанавливают внутри колеса.

Метод наоборот. Например, возможна замена в передаче винт-гайка вращение винта на вращение гайки. Разработаны и другие методы.

Рис. 10.5

9 Основы триботехники 

9.1 Общие сведения

Триботехника — научная дисциплина о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, изучающая вопросы их трения, изнашивания и смазывания.

Соприкасающиеся поверхности взаимно перемещающихся тел составляют пару трения. Узлы машин, содержащие пары трения, называют узлами трения. Величина трения в узле зависит от многих факторов: геометрии поверхностей трения, сочетания материалов, условий смазывания, конструкции узла и режима его работы.

Отрицательное влияние трения проявляется в виде потерь энергии и изнашивания деталей. В промышленности на преодоление сопротивления, создаваемого трением в подвижных соединениях, затрачивается около половины потребляемой энергии. Изнашивание приводит к изменению размеров, формы и состояния поверхностей деталей, а в итоге — к потере их работоспособности.

Нежелательные проявления трения сглаживаются и компенсируются смазыванием поверхностей трения. Смазка — это введение смазочного материала между поверхностями для уменьшения силы трения и/или интенсивности изнашивания.

Понятия «трение», «смазка» и «изнашивание» связаны неразрывно и зависят от состояния поверхностей. Поверхность реального твердого тела имеет отклонение от идеальной геометрической формы. Это макро-отклонения формы, например в виде неплоскостности или нецилиндричности, являющиеся следствием неточности обработки. Это шероховатость в виде неровностей высотой от 0,05 до 500 мкм с углом наклона до 10°, зависящая от способа и режима обработки. Выступы шероховатости расположены на волнах неровностей высотой до 100 мкм и шагом 50...5000 мкм. Волнистость возникает из-за неравномерностей относительных движений и колебаний системы станок—инструмент—деталь при обработке деталей.

Указанные отклонения приводят к тому, что при контактировании реальных поверхностей они воспринимают нагрузку вершинами выступов.

Первыми в контакт вступают противостоящие выступы, сумма высот которых наибольшая. По мере увеличения нагрузки деформация неровностей и частично их основ приводит к сближению поверхностей и в контакт вступают пары выступов с меньшей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт приводит к различной деформации выступов. Часть выступов деформируется упруго, часть — пластически. В итоге площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах в местах наиболее полного сближения поверхностей. Площадь фактического контакта зависит от геометрии поверхностей, от физических и механических свойств

64

поверхностного слоя, от величины нагрузки и продолжительности ее приложения.

Поверхности пар трения в результате их окисления покрыты пленками.

Поверхностный слой материала под пленками в результате механической обработки имеет измененную структуру в сравнении с глубинной частью.

Например, из-за наклепа микро-твердость поверхностного слоя часто выше, чем у основы. На свойства поверхностного слоя оказывают влияние поверхностно-активные вещества, содержащиеся в смазочных материалах. Кроме того, после повышения температуры при механической обработке в поверхностном слое появляются остаточные напряжения. В результате действия указанных факторов площадь фактического контакта на практике составляет под нагрузкой малую часть номинальной (контурной) площади и только при очень высоких нагрузках достигает 30...40% номинальной площади. Величина площади фактического контакта и изменение ее под действием нагрузок являются факторами, от которых зависит трение, смазка и изнашивание поверхностей трения.