vdvbdfv

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уровень развития авиационной и космической техники в значительной мере характеризует состояние экономики и обороноспособности страны.

• создании современных летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и космических систем разного назначения) решающая роль принадлежит инженерам конструкторам, для подготовки которых важным является курс "Детали машин и основы конструирования". Этот курс совместно с проектом завершают общеинже-нерную подготовку, в дальнейшем студенты приступают к изучению специальных дисциплин.

Целью данного учебного пособия является изложение курса в сжатой фор-ме в соответствии с учебной программой "Авиация и космонавтика", а также оз-накомление студентов с инженерными расчетами некоторых деталей летательных аппаратов и со справочными материалами.

Особое внимание уделяется специальным требованиям к деталям летатель-ных аппаратов – минимальной массе и габаритным размерам, высокой надежно-сти, долговечности, удельной прочности, работоспособности – в разных, в том числе в экстремальных условиях.

ВСТУПЛЕНИЕ

Определим основные понятия курса «Детали машин и основы конструиро-вания». Под конструированием будем понимать процесс создания образа изделия, т.е. определение конфигурации, размеров и взаимного расположения деталей, а также порядка их взаимодействия. Образ создаваемого в последствие материаль-ного объекта должен быть воплощён в чертежах и описаниях, доступных для по-нимания квалифицированному специалисту.

Будем различать конструирование качественное и количественное. Первое

– определение взаимного расположения деталей и узлов и порядка их взаимодей-ствия в процессе работы машины, второе – установление геометрических разме-ров элементов и нахождение интегральных характеристик машины при расчёт-ных её параметрах.

Подчеркнем, что речь идёт о создании ОБРАЗА объекта, а не самого ОБЪЕКТА. В производственных условиях за окончанием конструирования сле-дует несколько шагов, возможно приводящих к созданию серийного образца и, в конечном итоге, выпуску и продаже продукции. Таким образом, конструирование

– только часть процесса создания объекта, и, как правило, не самая долгая и не самая дорогая. Однако – едва ли не самая ответственная, поскольку за ошибки конструкторов придётся расплачиваться и в прямом, и в переносном смысле. Конструктор должен всегда помнить, что он рискует не своей жизнью, поэтому он обязан быть внимательным и осторожным.

Ещё несколько основных определений.

3

Машина – это техническая система, которая совершает полезную работу и характеризуется главным образом потоком энергии и превращением энергии. Именно энергии, в этом существенное отличие машины от прибора (там поток и обмен информации) или аппарата (поток и превращение веществ). Машины, как правило, служат источником механической энергии, которая получается из лю-бой другой: электрической, химической, потенциальной и т.д.

Механизм – это внутреннее устройство машины, прибора, аппарата, приво-дящее их в действие. То есть механизм – это совокупность элементов, упорядо-ченный набор деталей, машина без источника и преобразователя входящей энер-гии. Как в сказках: пока вы не окропили богатыря живой водой энергии, перед вами вполне совершенный, но механизм.

Механизм, в свою очередь, состоит из блоков, блоки – из узлов, узлы – из деталей. В нашем курсе мы очень подробно будем заниматься двумя последними элементами этой матрёшки, т.е. вопросами рационального конструирования де-талей и узлов, которые затем встраиваются в разнообразные машины.

Деталь – это изделие, полученное без выполнения сборочных операций, например, вал, зубчатое колесо, болт.

Узел (сборочная единица) – это совокупность совместно работающих дета-лей, соединенных при сборке и объединенных одним назначением, например, ре-дуктор, муфта, подшипник и др.

Различают детали машин и механизмов общего и специального назначения. Детали летательных аппаратов общего назначения встречаются во всех летательных аппаратах, но выполняют практически одинаковые функции. К этим деталям относятся зубчатые колеса, валы, болты и многие другие. Кроме деталей

• разных машинах и механизмах есть также соединения и узлы общего назначе-ния, например, резьбовые, сварные соединения, зубчатые, червячные и другие передачи.

4

Детали машин и механизмов общего назначения используются в достаточ-но больших количествах, например, миллионы зубчатых колес, миллиарды под-шипников качения и др. Поэтому любое усовершенствование методов проекти-рования этих деталей позволяет получить большой экономический эффект.

Детали машин и механизмов специального назначения характерны только для одного или нескольких типов машин. Например, это – воздушные винты, ло-патки турбин и др., которые изучаются в специальных курсах: "Конструкция са-молетов", "Конструкция авиадвигателей" и др.

• любом летательном аппарате большинство деталей, соединений и узлов имеют общее назначение, что делает целесообразным их изучение в специальном курсе.

Курс " Детали машин и основы конструирования" посвящен теории, расчету

• конструированию деталей, их соединений и узлов общего назначения.

Курс «Детали машин и основы конструирования» является связующим зве-ном между общетехническими и специальными дисциплинами. Изучение этого курса базируется на знаниях, полученных студентами при изучении математики, механики, сопротивления материалов, ТММ, материаловедения и др.

Перечисленные дисциплины используют методы формальной логики. В то же время курс "Детали машин и основы конструирования" развивает инженерные методы, в том числе умение синтезировать предшествующий опыт, нащупывать новые идеи, моделировать с применением аналогов.

Переход от формальной логики теоретических дисциплин к эвристической деятельности инженера является частью того тяжелого качественного скачка, ко-торый необходимо совершить студенту при изучении курса.

Тяжелее всего даются переходы от однозначности решения к многовари-антности и от веры в правильность расчёта к засилью эмпирических знаний на всех стадиях конструирования. Обе эти трудности в итоге приводят ещё к одной особенности нашего курса, заметно отличающей его от изученных вами ранее дисциплин − широчайшему использованию разнообразной справочной литерату-ры, в которой систематизирован многолетний опыт инженерной деятельности.

5

Если в математике не бывает правил без исключений, то в специаль-ных науках, в силу приближенности их к реальному миру, даже законы имеют границы применимости. Инженеру часто приходится принимать конструктивные решения, опираясь не на данные расчётов, а на опытные данные. В технике рас-чётный путь далеко не единственный и совсем не главный. Есть данные, что в обычных конструкциях расчётных деталей – до 20 %, а всё остальное определяет-ся табличным, опытным или опытно-интуитивным методом.

• табличном мы уже кое-что сказали: справочники, альбомы конст-рукций и т.п. В том числе и стандарты, которые тоже включают в себя много-кратно апробированные решения. Опытный способ подразумевает проведение серии экспериментов и на их основе принятие решения о пригодности или нет конструктивного решения. Опытный способ неизбежен в процессе создания об-разца, поскольку ни одно изделие не попадает к потребителю без предваритель-ных испытаний на заводе и – отчасти – в эксплуатации. Наконец, опытно-интуитивный способ. Точнее было бы сказать: интуитивно-опытный, поскольку сначала интуиция выдаёт решение, а потом конструктор обязан его проверить на практике, которая, как известно, единственный критерий истинности.

Задачи курса. В результате усвоения курса "Конструирование машин и механизмов" студент должен знать:

классификацию, назначение, конструкцию, области использования, расче-ты на прочность и по другим критериям работоспособности деталей и узлов об-щего назначения с учетом особенностей их использования в составе авиационно-космической техники.

Студент должен научиться самостоятельно конструировать детали и узлы средней сложности, для чего необходимо уметь:

• переходить от схем к конструкциям и наоборот;
• делать расчеты деталей и узлов машин;

• подбирать материалы деталей и стандартные детали и узлы из справоч-

ников;

• конструировать детали и узлы с использованием принципов рациональ-ного проектирования;

• оформлять расчетную и конструкторскую документацию в соответствии

• действующими стандартами.

Студент должен иметь представления:

• о новых схемах и видах механических передач, подшипников и про-

чее;

• о проведении экспериментальных исследований, измерение параметров, которые определяют свойства деталей и узлов и их рабочие характеристики (же-сткость, действующие нагрузки, деформации, частоту вращения и др.) с помо-щью современных приборов.

Остановимся подробнее на принципах рационального проектирования, по-скольку речь о них будет идти в каждом разделе нашего курса. Их, конечно, до-вольно много, но сведём их к десяти основным:

6

1. Выжми максимум − подчини конструирование увеличению экономиче-ского эффекта, определяемого в первую очередь полезной отдачей машины, ее долговечностью и стоимостью эксплуатационных расходов за весь период ис-пользования машины.

1. Не ищи прочности в массе − обеспечь высокую прочность деталей и машины в целом приданием деталям рациональных форм с наилучшим использо-ванием материала, применением материалов повышенной прочности, введением упрочняющей обработки.

1. Помни о людях − обеспечь безопасность обслуживающего персонала; предупреждай возможность несчастных случаев путем максимальной автомати-зации рабочих операций, внедрения блокировок, применения закрытых механиз-мов и установки защитных ограждений. Облегчай уход за машиной и ее содер-жание. Сосредотачивай органы управления и контроля по возможности в одном месте, удобном для обзора и манипулирования; делай доступными и удобными для осмотра узлы и механизмы, нуждающиеся в периодической проверке.

1. Не усложни (KISS принцип) − упрощай конструкцию машин; избегай сложных многодетальных конструкций; не применяй оригинальных деталей и уз-лов там, где можно обойтись стандартными, нормальными, унифицированными, заимствованными и покупными деталями и узлами.

1. Экономь на всём, но не на главном − стремясь, как общее правило, к

дешевизне изготовления, не ограничивай затраты на изготовление ключевых де-талей; выполняй такие детали из качественных материалов, применяй для их из-готовления технологические процессы, обеспечивающие наибольшее повышение надежности и срока службы.

1. Не изобретай велосипед − шире используй опыт исполненных конст-рукций, опыт смежных, а в нужных случаях и отдаленных по профилю отраслей машиностроения.

1. Не клади все яйца в одну корзину – резервируй или дублируй жизнен-но важные функции машины.

1. Делай красиво − придавай машине простые, стройные и гладкие внеш-ние формы, соблюдай требования технической эстетики, улучшай внешнюю от-делку машин. Помни, что некрасивый самолёт не полетит!

1. Не жди милости от природы – предполагай самый худший, даже фанта-стический случай при определении неизвестных параметров и нагрузок, посколь-ку в реальности всё будет ещё хуже.

1. Memento more – не проектируй вечных деталей и узлов, их ресурс дол-жен быть соизмерим с ресурсом всей машины; помни о тех, кто будет разбирать твой узел после окончания его ресурса.

Проблематика и структура курса. При проектировании конструктор ре-шает множество проблем. Многие из этих проблем изучаются в нашем курсе. Как известно, суть проблем – в противоречиях. Решение проблем – процесс исследо-вания противоречий, это – диалектика.

Рассмотрим проблематику нашего курса на примере привода винтов верто-

7

лета МИ-1. Основные элементы привода обозначены на рис. 0.1. Мощность Р пе-редается от двигателя при помощи главного вала на главный редуктор, который понижает частоту вращения двигателя и передаёт вращающий момент Т через вал винта на несущий винт, а через хвостовой вал – на хвостовой винт.

Двигатели и воздушные винты изучают на специальных кафедрах. Другие элементы привода являются предметом изучения в курсе "Детали машин и основы конструирования".

Рис. 0.1 – Основные элементы привода

Вот некоторые противоречия, которые возникают при проектировании привода:

1. Противоречие между надежностью и массою привода. Увеличение сече-ний деталей и толщин их стенок в целях повышения надежности приводит к рос-ту массы летательного аппарата. В самолетах первого поколения изготавливали детали с большим запасом прочности, но вследствие излишней массы такие са-молеты не взлетали.

1. Противоречия между параметрами двигателя и редуктора. Вращающий момент зависит от мощности и частоты вращения:

1. = C × P , n

где P – мощность; n – частота вращения.

Чем больше частота вращения двигателя, тем меньше его габариты и масса, потому что действуют меньшие момент и силы. Но при этом увеличивается пере-даточное отношение от двигателя к винту и возрастают сложность и вес редуктора. Например, в вертолетном редукторе Р-7 есть коническое зубчатое колесо, диаметр которого достигает 1000 мм, а его масса составляет 3000 кг.

1. Противоречие между конструкцией детали и ее технологичностью. Чем сложнее конструкция детали, тем, как правило, хуже ее технологичность.

8

1. Противоречие между надежностью детали и ее стоимостью. Требования надежности обеспечиваются ростом затрат на изготовление детали. Например, при повышении надежности подшипников качения их стоимость может увели-читься в сотни раз.

1. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Работоспособность деталей машин оценивают определенными критериями. Важнейшие из них – прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, вибростойкость и др.

Прочность – это способность конструкции, ее частей и деталей выдержи-вать определенную нагрузку, не разрушаясь.

Различают прочность объемную и поверхностную (контактную). При недос-таточной объемной прочности разрушение происходит по всему сечению детали (например, усталостная поломка вала или статическая поломка зуба шестерни при перегрузках). Несоблюдение условий контактной прочности приводит к разруше-нию контактирующих поверхностей - например, усталостное выкрашивание доро-жек качения подшипников, или поверхностей зубьев.

Расчеты на прочность ведут: по допускаемым напряжениям, по коэффици-ентам запаса прочности, по разрушающим нагрузкам и по вероятности безот-казной работы.

На рис. 1.1 показана диаграмма кривая зависимости напряжения от дефор-мации. Диаграмма имеет четыре характерных участка:

- участок пропорциональности. Наибольшее напряжение, до которого мате-риал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности (σп). Предел пропорциональности зависит от условно принятой степени приближения, с кото-рой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую. Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости (σу) , т.е это наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточ-ных деформаций;

• участок текучести. Под пределом текучести σТ понимается то напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текуче-сти, за предел текучести условно принимается величина напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2% (σ0,2);

• участок самоупрочнения. Наивысшая точка соответствует максимальной нагрузке в процессе нагружения и окончанию равномерной пластической дефор-мации по сечению образца. Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности или временного сопротивления σВ;

• участок разрушения. После достижения максимума нагрузки происходит падение напряжения за счёт локального уменьшения площади поперечного сече-ния образца. Последний участок диаграммы называют зоной местной текучести.

9

Рис. 1.1

Расчет на прочность при постоянных напряжениях. Расчет деталей по нормальным напряжениям сводится к выполнению таких условий:

Для касательных напряжений      расчет аналогичный.

• приведенных формулах S – коэффициент запаса прочности. Это отно-шение предельных напряжений к максимальным, возникающим при работе дета-ли.

Для пластичных материалов принимают

lim =           т ,                        lim =      т .

Расчеты выполняют из условия отсутствия пластических деформаций. Для хрупких материалов принимают

lim =         в ,                       lim =  в .

Расчеты выполняют из условия отсутствия разрушений.

Допустимые коэффициенты запаса прочности:

[S ] > 1,2 1,8 – для пластичных материалов; [S]³ 3 – для хрупких материалов.

Расчетные напряжения определяют методами сопротивления материалов в опасных сечениях деталей. Рассмотрим простейшие виды деформаций:

1. Растяжение/сжатие. Осевым растяжением (сжатием) называют такой вид деформирования, при котором в поперечных сечениях тела возникает един-ственный внутренний силовой фактор – продольная сила, которая равномерно распределяется по площади поперечного сечения, вызывая нормальные напряже-ния. Растяжение/сжатие возникает при действии двух сил вдоль одной линии. При lрс > l0 (рис. 1.2) имеет место растяжение, при lрс < l0 ‒ сжатие.

10

Рис. 1.2

При растяжении/сжатии возникают нормальные напряжения. Условие прочности имеет вид:

pc   F   [              pc ],

A0

где А0 – площадь поперечного сечения ДО нагружения. В случае полого образца

A0       d 2 ( 1   2 )     0 ,78d 2 ( 1   2 ),

4

где α − коэффициент полноты сечения α = dвн / d (см. рис. 1.2).

1. Смятие возникает на поверхностях контакта двух тел при наличии силы, перпендикулярной плоскости, касательной к поверхностям контактирующих тел

(рис. 1.3).

Рис. 1.3

11

При смятии на поверхностях соприкосновения возникают нормальные на-пряжения и условие прочности имеет вид:

см F     см ,

A0

где А0 – характерная площадь ДО нагружения. Например, рассмотрим заклёпоч-ное соединение (рис. 1.4).

Рис. 1.4

Очевидно, что контакт между телом заклёпки и соединяемыми листами происходит по цилиндрической поверхности площадью A = πdh / 2. Однако с ин-женерной точки зрения удобнее использовать размеры d и h. Таким образом, вме-сто расчёта переменного по поверхности контакта напряжения определяется ус-ловное постоянное напряжение, равномерно распределённое по площади про-дольного сечения (рис. 1.5). Этот подход применим в тех случаях, когда речь не идёт об исследовании распределения напряжений по реальной поверхности кон-такта.

Рис. 1.5

1. Касательные напряжения среза определяют как отношение силы к пло-щади поперечного сечения образца в плоскости действия силы. Условие прочно-сти имеет вид (рис.1.6):

12

ср  F     ср  .

A0

Рис. 1.6

Здесь также под А0 подразумевается площадь сечения до нагружения.

1. Изгиб представляет собой такую деформацию, при которой происходит искривление оси прямого бруса (рис. 1.7, а). При этом в сечениях возникают нормальные напряжения, пропорциональные расстоянию от нейтральной

оси:  и         М y (рис. 1.7, б). Максимальные напряжения определяют по формуле

J x

max    М , где Wх – момент сопротивления относительно нейтральной оси (для

Wx

сечения).

а                                                                            б

Рис. 1.7

13

Тогда условие прочности можно записать в виде

max      М         [              и ] .

Wx

1. Деформация кручения возникает тогда, когда одно поперечное сечение поворачивается на некоторый угол Θ (рис. 1.8) относительно другого (расстояние между сечениями L останется прежним, если угол поворота мал). При кручении в поперечных сечениях стержня возникнет только одно внутреннее усилие – кру-тящий момент Т, и касательные напряжения.

При одновременном действии нормальных напряжений изгиба или растя-жения и касательных кручения расчет осуществляют по эквивалентным на-пряжениям:

где ( т / т )2 = 4 – для третьей теории прочности; 2

циальной энергии формоизменения). Допустимые напряжения [ ] =                   т .

[S ]

Расчеты на прочность при переменных напряжениях. Большинство де-талей машин работают при переменных напряжениях. Причиной повреждения деталей, работающих при переменных напряжениях, является, как правило, уста-

14

лостное разрушение. Поэтому основной расчет деталей в данном случае состоит в определении коэффициента запаса усталостной прочности.

• случае одноосного растяжения или изгиба и кручения коэффициент запа-са усталостной прочности определяют по формулам:

трации напряжений  при  действии  нормальных  и касательных  напряжений;

– коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения; K F – ко-эффициент влияния шероховатости поверхности; KV – коэффициент влияния ме-

тодов упрочнения; -1 и -1 − пределы выносливости материала соответственно при изгибе и кручении с симметричным знакопеременным циклом; и – коэффициенты влияния асимметрии циклов напряжений:

(для сталей = 0,1...0,2, = 0,5 ); а и а – амплитудные напряжения; m и m – средние значения напряжений.

При совместном действии нормальных и касательных напряжений коэффи-циент запаса усталостной прочности может быть найден следующим образом:

Переменные напряжения характеризуются циклом напряжений. Чаще всего встречаются циклы, показанные на рис. 1.9 а, б, в, где а – отнулевой, б – симмет-ричный, в – асимметричный циклы.

Рис. 1.9

15

Основные характеристики циклов:

– коэффициент асимметрии цикла R              min ;

max

– амплитудные напряжения                            a = max - min ; 2

– средние напряжения      m =       max +      min .

2

Чтобы оценить сопротивление материала детали действию переменных на-пряжений, приводят испытания на выносливость, по данным которых строят кри-вые усталости (кривые Веллера, рис. 1.10). Горизонтальный участок кривой Вел-лера соответствует длительному пределу выносливости, наклонный участок – ог-раниченному пределу выносливости.

На рис. 1.10 обозначены: N0 – базовое число циклов; Nk – текущее число циклов; -1 и -1K – длительные пределы выносливости при симметричном цикле для образцов без концентратора и с концентратором.

Число циклов N изменения на-пряжений в детали до появления устало-стной трещины определяет долговеч-ность детали.

Для большей наглядности приме-няют логарифмические (полулогариф-мические) шкалы, в которых кривые ус-талости изображают полигональными кривыми (отрезками прямых линий).

Кривая первого типа (рис. 1.11, а) свойственная углеродистым сталям, при N = N0 имеет точку перелома и выхо-дит на горизонтальный участок. Обычно

точка перелома соответствует N = 106 107 циклам, ординату точки перелома обозначают σ-1 и называют пределом выносливости. При амплитуде переменных напряжений σa < σ-1 усталостное повреждение считают невозможным.

Рис. 1.11

16

Когда экспериментальные исследования относились главным образом к уг-леродистым сталям, считалось, что предел выносливости существует для всех конструкционных материалов. Исследования последних десятилетий показали, что для многих материалов после точки перелома снижение усталостной прочно-сти продолжаются.

Кривая второго типа (рис. 1.11, б) после точки перелома имеет замедление усталостного разрушения (легированные стали, титановые сплавы). Для кривых третьего типа (рис. 1.11, в) точки перелома при большом числе циклов не суще-ствует (алюминиевые сплавы, жаропрочные сплавы в определенном интервале температур) и темп снижения усталостной прочности остается неизменным до момента разрушения.

Показанные на рис. 1.11 кривые усталости при малом числе циклов N1 = 102 105 имеют перелом, связанный с переходом в малоцикловую область.

Для кривых выносливости второго и третьего типов находится условный предел выносливости для определенного числа циклов ( Nб – база испытаний);

обычно принимают Nб = 2 ×106 5 ×107 циклов. Условным пределом выносливо-сти называют значение амплитуды переменного напряжения, при котором проис-ходит разрушение при базовом числе циклов. Условные выносливости обознача-ют -1N . Расчеты на усталостную прочность ведут, как правило, при числе цик-лов более 105.

• удовлетворительной точностью наклонный участок кривой выносливости аппроксимируют уравнением

am N   const .

Для произвольного значения количества циклов нагружения Nk можно за-писать

km Nk m1 N0                const ,

откуда

k           1 m N0  ,

Nk

где m – показатель степени; m = 6...20 зависит от вида напряжений, термообра-ботки и др.

Концентрацию можно уменьшить также применением наклепа или химико-термической обработкой, а также термообработкой и др. В частности, при наклё-пе (обкатке роликами, обдувке дробью и т.п.) на обработанной поверхности воз-никают остаточные напряжения сжатия (рис. 1.12, а), которые, складываясь с ра-бочими растягивающими напряжениями (рис. 1.12, б), уменьшают их (рис. 1.12, в). При этом сжимающие напряжения увеличиваются, однако предел выносливо-сти при сжатии выше, чем при растяжении.

17

а                                          б                                                                        в

Рис. 1.12

Малоцикловая усталость. Она возникает если конструкция или деталь работает в течение 102...105 циклов.

Разрушение от малоцикловой усталости – это разрушение в условиях по-вторного упруго-пластического деформирования при значительной (около 1 %) пластической деформации в макрообъектах рассматриваемого элемента конст-рукции.

Малоцикловая усталость имеет много общего с обычной усталостью, но отличается от нее наличием макропластических деформаций в зоне излома. Как и при многоцикловой усталости, разрушение начинается в местах концентрации напряжения в результате развития первоначально образовавшейся трещины. Од-нако механизм малоциклового разрушения значительно отличается от механизма усталостного разрушения, так как пластические деформации возникают в значи-тельно больших объемах материала.

• частности, различия сказываются в том, что сопротивление материалов малоцикловой усталости существенно зависит от их пластичности, тогда как по-добная зависимость для обычной усталости проявляется слабо.

• машиностроении малоцикловая усталость часто определяет ресурс (дол-говечность) изделий в связи с повторением цикла "запуск – работа – останов", при которых напряжение в отдельных деталях приближаются к пределу текуче-сти материала вследствие перегрузок.

Расчет по разрушающим нагрузкам. В современном машиностроении наметилась тенденция к понижению запасов прочности (для объектов новой тех-ники в 1,5...2 раза по сравнению с указанными выше). В связи с этим в наиболее напряженных зонах (например, в сварных швах, заклепочных соединениях, в местах действия температурных напряжений и др.) при действии эксплуатацион-ных нагрузок возникают локальные или общие пластические деформации. В этих случаях при увеличении действующих нагрузок на детали номинальные напря-жения увеличиваются сравнительно немного, на 5...15 %, а деформации – в 1,5...3

18

раза. Это происходит в силу резкого снижения сопротивления материалов де-формациям при переходе из упругой области в упругопластическую. Поскольку изменение напряжений оказывается сопоставимым с точностью задаваемых при проектировании исходных данных (усилий, температур), то инженерные расчеты прочности по номинальным или местным напряжениям становятся недостаточ-ными. Поэтому возникает необходимость в проведении расчетов по разрушаю-щим нагрузкам. Условия прочности записывают в виде

FP £ Fразр или         Р £   разр .

Здесь FP  и       P  – расчетные значения нагрузи и напряжений; Fразр и         разр

– разрушающие значения нагрузки и напряжений;

FP = FЭ f ;      Р =  Э f ,

где PЭ , Э – эксплуатационная нагрузка и эксплуатационное напряжение; f – коэффициент безопасности, согласно нормам прочности для основных деталей ЛА он изменяется от 1,3 до 2 с учетом характера действия нагрузки, ее повторяе-мости, требований надежности и условий эксплуатации.

Расчет по разрушающим нагрузкам выполняют при наличии норм прочно-сти, отражающих возможные режимы нагружения ЛА и являющихся наиболее опасными для его деталей. Нормы прочности устанавливают также величины эксплуатационных нагрузок.

Величины Fразр и        разр полученные путем экспериментальных испытаний

узлов и деталей, приводятся в справочниках в виде нормируемых показателей прочности. При отсутствии опытных данных разрушающую нагрузку прибли-женно определяют по формуле

Fразр =              в Aраб × K ,

где      в – предел прочности; Араб – площадь рабочего сечения; К – коэффициент

ослабления сечения, учитывающий концентрацию напряжений, шероховатость поверхности и другие факторы, если нагружения носят циклический характер. Для деталей ЛА К = 0,85...0,95.

• заключение отметим, что для повышения объемной прочности деталей рекомендуют следующие мероприятия: снижение концентрации напряжений; ис-пользование упрочнений – механического, термического, химико-термического, термомеханического, лазерного и др.; создание напряжений сжатия там, где ра-бочими являются растягивающие напряжения; применение многоконтактных со-пряжений, например, зубчатых соединений вместо шпоночных.

Жесткость. Жесткость – это способность деталей оказывать сопротивление изменению формы при действии нагрузок. Во многих случаях окончательные размеры деталей принимают не по условиям прочности, а по условиям жестко-сти.

Производную от силового фактора по соответствующему перемещению на-зывают коэффициентом жесткости:

19

где F – сила; T – вращающий момент; – коэффициент податливости; – ли-нейные перемещения; – угловые перемещения (закрутка стержня). Жесткость

1        E × A

C =        =               – это сила, вызывающая единичную деформацию.

Рассмотрим определение жесткости для основных деформаций.

1. Сжатие-растяжение. Согласно закону Гука деформация стержня прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна жесткости:

сти, т.е. деформации, которую создает единичная сила.

1. Изгиб. Максимальный прогиб балки (рис. 1.13)

ною l под действием вращающего момента T

1. l

G J  .

E

где G = 2(1+        ) – модуль сдвига; J p – полярный момент инерции сечения вала;

– коэффициент Пуассона.

Расчет на жесткость сводится к выполнению условий:

£ [ ]; y £ [y];  £ [ ];  £ [ ].

Указанные величины определяют известными методами сопротивления ма-териалов.

Пути повышения жесткости:

• использование материалов с высоким модулем упругости;

• применение деталей, работающих на растяжение вместо изгиба;

20

• оптимизация сечений и расположения опор;

• затяжка стыков;

• уменьшение контактных деформаций.

Износостойкость. Износ представляет собой постепенное уменьшение размеров деталей вследствие трения. Приблизительно 85 % деталей выходят из строя из-за износа.

Построим график зависимости интенсивности износа I от времени t (рис. 1.14). На этом графике выделим три этапа износа: I – период приработки, связанный с ошибками изготовления, деформациями и выглаживанием микроне-ровностей; II – период установившегося изнашивания; III – период интенсивного (катастрофического) износа.

Вследствие изменения формы и по-явления дополнительных зазоров на неко-торых участках контакта могут возник-нуть повышенное давление, или наруше-ние условий смазки, и поэтому интенсив-ность износа увеличивается.

Износ происходит вследствие тре-ния скольжения и трения качения. Трение скольжения характерно для низших кине-матических пар, когда контакт трущихся тел происходит по поверхности. Коэффи-циент трения скольжения при граничном

и полужидкостном трении – f = 0,05...0,15. При жидкостном трении f равен 0,001 и бывает ниже. При обычных скоростях коэффициент трения качения

1. = 0,05...0,001, т.е. значительно ниже, чем коэффициент трения скольжения при граничном и полужидкостном трении. Это необходимо учитывать при конструи-ровании кинематических пар.

Пути повышения износостойкости: отказ от открытых пар трения и надеж-ная защита от загрязнений; использование трения качения, жидкостной или газо-вой смазки вместо трения скольжения; применение износостойких покрытий и химико-термической обработки.

Теплостойкость. В связи с потерей энергии работа машин сопровождается тепловыделением. В результате нагрева возможны следующие вредные явления: 1) снижение несущей способности деталей вследствие снижения механических характеристик ( T , -1 и др.); 2) разрыв слоя смазки из-за уменьшения вязкости

масла и появление опасного металлического контакта; 3) изменение зазоров в подвижных соединениях, например в подшипниках качения; 4) снижение точно-сти вследствие температурных деформаций. Кроме того, возможно появление

21

дополнительных температурных напряжений и деформаций, ползучесть, релак-сация, хладнохрупкость, хладноломкость и др.

Пути повышения теплостойкости: применение циркуляционной под давле-нием смазки; снижение интенсивности внутренних источников теплоты; подбор материалов с близкими или весьма малыми коэффициентами линейного расши-рения.

Виброустойчивость. Это способность конструкции работать без недопус-тимых колебаний в заданном диапазоне рабочих режимов. В связи с повышением скоростей механизмов и машин расчет на виброустойчивость становится все бо-лее актуальным. Расчет проводят в целях недопущения резонанса, т.е. совпадения частот возмущающих сил (неуравновешенность вращающихся деталей, погреш-ности изготовления, переменные силы в поршневых машинах и т.д.) с частотами собственных колебаний. Последние определяют расчетным путем.

Пути повышения виброустойчивости: повышение жесткости отдельных де-талей и системы в целом; повышение точности, что увеличивает несущую спо-собность, быстроходность, снижает шум; применение демпфирующих устройств.

1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ, СОЕДИНЕНИЙ И УЗЛОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (ЛА)

Детали, соединения и узлы летательных аппаратов подвергаются различ-ным внешним воздействиям – механическим, климатическим, радиационным и др.

На детали ЛА воздействуют вибрации; удары, инерционные перегрузки, вызванные линейными и угловыми ускорениями, и пр. Удары и толчки в виде от-дельных неустановившихся импульсов также вызывают перегрузки. Возникаю-щие при этом ускорения могут достигать десятков g ( g – ускорение свободного падения). Опасность вибраций состоит в том, что они постепенно приводят к раз-рушению конструкции, так как даже колебания деталей с малой амплитудой мо-гут вызвать появление усталостных трещин. Особое влияние вибрации оказыва-ют на качество соединений: ухудшается крепление деталей в узлах с резьбовыми соединениями, расшатываются заклепочные соединения, а паяные, клеевые или сварные особо подвержены разрушению. Инерционные перегрузки могут воз-никнуть также из-за линейных ускорений при взлете, маневрировании и посадке ЛА. Степень механической перегрузки при ускорении a для ЛА оценивают вели-чиной

j = a - g

g

Некоторые статистические данные но перегрузкам и их длительности для самолетов приведены в таблице ниже.

22

Вибрации вызывают увеличение амплитуды колебаний деталей и ведут к возникновению дополнительных нагрузок.

Для ослабления действия вибрации и ударов на детали в машинах и ЛА между источником вибрации, например, фюзеляжем самолета и размещенным внутри оборудованием, ставят амортизаторы.

Большие перепады температур могут вызвать температурные деформации,

• также температурные напряжения при закреплении (заделке) детали с обоих концов. При низких температурах (–50 °С и ниже) конструкционные стали обыч-ного исполнения приобретают хрупкость, их механические характеристики ухудшаются. Твердость резины обычного состава резко увеличивается, она ста-новится хрупкой. Повышение вязкости смазочных масел приводит к возрастанию момента сопротивления или даже отказу механизма. Поэтому в таких условиях применяют специальные стали и резины, низкотемпературные смазочные мате-риалы.

Влажность воздуха приводит к коррозии металлов, которая ухудшает каче-ство поверхности, механическую прочность детали, герметизацию.

Солнечная радиация вызывает нагрев деталей и связанные с ним темпера-турные деформации, изменение структуры, химического состава и старение (осо-бенно у пластмасс).

Радиационное воздействие может изменять структуру материала детали, механические характеристики, в частности прочностные свойства.

1. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ ЛА

Приступая к расчету и конструированию детали, конструктор выбирает материал для ее изготовления.

23

При изготовлении деталей механизмов и машин применяют, главным об-разом стали и их сплавы, легкие алюминиевые сплавы, титан и его сплавы, пла-стмассы, композиционные материалы, керамико-металлические материалы (кер-меты) и др.

Стали. Конструкционные стали (45, 40Х, 38ХА, 30ХГСА, 15ХА, 18ХГТ и др.) содержат углерода не более 0,7 %, по химическому составу делятся на две основные группы – углеродистые и легированные. Сталь легированная конструк-ционная содержит добавки легирующих элементов, каждый из которых имеет ус-ловное буквенное обозначение (X – хром, М – молибден, С – кремний, Н – ни-кель, Г – марганец, Ю – алюминий, Т – титан, Ф – ванадий, Р – бор).

Для поверхностного упрочнения деталей, выполненных из стали, приме-няют различные методы термической или химико-термической обработки.

Насыщение поверхностного слоя углеродом называется цементацией, азо-том – азотированием или нитрированием, углеродом совместно с азотом – циани-рованием, хромом – хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием и т.д.

Цементации подвергают стали с малым (до 0,2 %) содержанием углерода. После цементации применяют закалку, вследствие чего твердость поверхности достигает НRCЭ 60...65 при твердости сердцевины НRCЭ 28...41.

Азотируют, как правило, среднеуглеродистые стали с содержанием угле-рода 0,3...0,4 %, включающие в себя легирующие элементы, способные образо-вывать с азотом прочные нитриды, например, стали 40ХН2МА, 38Х2МЮА, 30Х2Н2ВМФА и др.

Процесс азотирования дорогой, требует значительно большего времени, чем цементация. Так, для азотирования деталей из стали 38ХМЮА на глубину 0,5 мм необходимо около 70 часов. Однако термические деформации при этом минимальны и деталь не требует чистовой обработки. Азотирование применяют для деталей, имеющих ажурную конструкцию, например, венцов с внутренними зубьями.

Титан и его сплавы. Обладают высокими прочностью, вязкостью, малой плотностью при высокой коррозионной стойкости. Некоторые сплавы титана, на-пример, ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ15, BTI6, могут упрочняться путем термической обработки. В табл. 1.4 приведены марки и механические характеристики некото-

24

рых титановых сплавов.

Алюминиевые сплавы. Для некоторых марок алюминиевых сплавов удельные показатели прочности выше, чем для стали. Сплавы алюминия облада-ют высокой коррозионной стойкостью, их можно обрабатывать резанием, давле-нием, сваривать, паять, ряд сплавов обладает хорошими литейными свойствами.

По технологическим свойствам различают сплавы алюминия литейные и деформируемые, а по основным компонентам – силумины (в основном алюминий

– кремний) и дюралюмины (в основном алюминий – медь – марганец).

Композиционные полимерные материалы. Их механические характери-стики в ряде случаев выше, чем у алюминиевых и титановых сплавов. Примене-ние композиционных полимерных материалов (КПМ) для изготовления деталей машин и механизмов имеет следующие преимущества: низкая трудоемкость и возможность автоматизации производства; высокий коэффициент использования материала, близкий к единице; снижение массы деталей, повышение их коррози-онной стойкости, долговечности, расширение функциональных возможностей.

КПМ представляют собой композиции на основе полимеров – высокомо-лекулярных органических и элементоорганических соединений, включающие в себя наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, красители и другие компо-ненты.

• недостаткам КПМ относят низкие теплопроводность и теплостойкость, старение, анизотропность, ползучесть.

Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться. Термо-реактивные полимеры под влиянием нагрева необратимо твердеют и не могут быть использованы повторно. К термопластичным пластмассам относятся поли-этилен, винилпласт, ряд марок фторопласта, оргстекло, полиамиды, полиимиды, поликарбонаты.

• реактопластам относят фторопласт-4, гетинакс, текстолит, стеклотек-столит, волокниты, аминопласты и др.

Прессовочные массы пластмасс поставляются в виде порошков, крошки, пучков. Для изготовления деталей в зависимости от вида и марки пластмасс мо-гут использоваться литье под давлением, прессование, напыление, экструзия, вы-дувание, механическая обработка, сварка и склеивание.

КПМ имеют высокие показатели удельной прочности и жесткости. Кроме того, они обладают низкой чувствительностью к концентраторам напряжений, высокой стойкостью к воздействию атмосферы и др.

Эффективность применения тех или иных конструкционных материалов наглядно можно оценить по возможности снижения массы агрегатов ЛА при со-хранении показателей прочности или уменьшения трудоемкости изготовления. Исследования показали эффективность применения для изготовления деталей ЛА КПМ на основе стеклянных, углеродных органических волокон и полимерных матриц.

25