МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Строительные и дорожные машины» А. В. Вавилов А. А. Котлобай А. Я. Котлобай ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН Учебно-методическое пособие Минск БНТУ 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Строительные и дорожные машины» А. В. Вавилов А. А. Котлобай А. Я. Котлобай ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН Учебно-методическое пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию в области транспорта и транспортной деятельности Минск БНТУ 2013 УДК 625.08(075.8) ББК 39.311-06-5я7 В12 Р е ц е н з е н т ы : д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая механика и теория машин и механизмов» БГАТУ А. Н. Орда; д-р техн. наук, профессор, профессор БНТУ В. В. Бабицкий Вавилов, А. В. Проектирование строительных и дорожных машин : учебно-мето- дическое пособие / А. В. Вавилов, А. А. Котлобай, А. Я. Котлобай. – Минск : БНТУ, 2013. – 392 с. ISBN 978-985-525-850-7. В учебно-методическом пособии приведены материалы, необходимые для подго- товки будущих конструкторов по специальности 1-36 11 01 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование». Дается понятие конструирования, приведены методы конструирования; обращено внимание будущих специалистов на обеспечение удобств при эксплуатации создаваемых машин. Большой раздел посвя- щен конструированию и расчету агрегатов и систем строительных и дорожных машин. Пособие может быть полезно студентам других машиностроительных специаль- ностей. УДК 625.08 (075.8) ББК 39.311-06-5я7 ISBN 978-985-525-850-7 © Вавилов А. В., Котлобай А. А., Котлобай А. Я., 2013 © Белорусский национальный технический университет, 2013 В12 3 ВВЕДЕНИЕ В соответствии со стратегией устойчивого социально-экономи- ческого развития Республики Беларусь в ближайшие годы предпола- гается существенное увеличение объемов строительства, успешное ведение которого немыслимо без применения эффективных машин. В строительном комплексе широко применяются строительные и дорожные машины, собранные в машинные парки строительных и дорожных организаций [1–4]. Сегодня парки устарели как физиче- ски, так и морально. Физическое старение подтверждается высоким процентом эксплуатации строительных и дорожных машин, которые используются свыше 15–20 лет. Моральное старение вызвано появ- лением в строительных и дорожных организациях новых техноло- гий и дорожно-строительных материалов. Так, в дорожную отрасль активно внедряются холодные технологии, технологии и материалы для борьбы с зимней скользкостью (соли и рассолы вместо песчано- соляных смесей) и т. д. В Беларуси имеется более 30 небольших машиностроительных предприятий, выпускающих технику для строительства. Они произ- водят во многом схожую продукцию, но не прикладывают больших усилий по координации своих действий, направленных на унифи- кацию узлов общего назначения машин, объединение деятельности конструкторских бюро, каждое из которых имеет небольшую чис- ленность сотрудников, и т. д. Все это привело к выпуску в боль- шинстве случаев неконкурентной техники, эксплуатация которой дорого обходится строителям из-за частых ее ремонтов, а разно- марочность технических средств с низким процентом унификации еще и затрудняет их проведение. Большинство машиностроитель- ных предприятий строительного комплекса не гарантируют сервис- ного обслуживания. Одной из причин создания неконкурентной строительной техни- ки является отсутствие тесной связи между конструкторскими бюро заводов конкретного ведомства и строителями-технологами этой отрасли (учеными и производственниками). Конструкторы, не зная особенностей строительных технологий, их разнообразия и перс- пектив развития, часто создают машины, неудовлетворяющие со- временным требованиям. 4 Приобретение импортной техники – не выход из создавшейся ситуации, т. к. увеличивается доля импорта в товарообороте рес- публики. Однако в последнее время строители все же предпочитают приобретать импортную технику у дилеров иностранных компаний, число которых в Беларуси значительно выросло. Фирмы-дилеры гарантируют сервисное обслуживание проданной ими строительной техники и обучение обслуживающего персонала. Иногда покупают- ся дорогостоящие импортные машины, которые, несмотря на высо- кий технический уровень, не обеспечивают существенного повы- шения производительности труда. Это объясняется тем, что каждая такая машина является единицей комплекта, реализующего кон- кретную технологию производства работ, увязанную с технической и технологической инфраструктурой страны, для которой она со- здавалась. Фактически каждая импортная машина – единица «си- стемы машин», разработанной и реализуемой фирмой- производителем. Ориентация на зарубежную строительную технику потребует адаптации в наших условиях не отдельных машин, а це- лых комплексов, что не всегда приемлемо. Создавать новую отечественную эффективную строительную и до- рожную технику призваны инженеры по специальности «Подъемно- транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование». Для успешной подготовки в этом направлении специалистов в высших учебных заведениях учебным планом предусмотрена дисциплина «Конструирование и расчет строительных и дорожных машин». 5 ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 1. Понятие конструирования 1.1. Задачи конструирования Задача конструктора состоит в создании строительных и дорож- ных машин, полно отвечающих потребностям народного хозяйства, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наибо- лее высокими технико-экономическими и эксплуатационными по- казателями. Главными показателями создаваемой машины являются: высокая производительность, экономичность, прочность, надежность, малые масса и материалоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стои- мость ремонтных работ, расходы на оплату труда операторов, высо- кий технический ресурс и степень автоматизации, простота и без- опасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки. В конструкции машин необходимо соблюдать требования техни- ческой эстетики. Машины должны иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку. Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерно- го увеличения ее рентабельности и повышения экономического эф- фекта за весь период работы. 1.2. Экономические основы конструирования машин Экономический фактор играет первостепенную роль в конструи- ровании. Многие конструкторы считают, что экономически конструиро- вать – значит уменьшать стоимость изготовления машины, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые матери- алы и наиболее простые способы обработки. Это только небольшая часть задачи. Главное значение имеет то, что экономический эф- фект определяется полезной отдачей машины и суммой эксплуата- ционных расходов за весь период работы машины. Стоимость ма- 6 шины является только одной, не всегда главной, а иногда и очень незначительной, составляющей этой суммы. Экономически направленное конструирование должно учиты- вать весь комплекс факторов, определяющих экономичность маши- ны, и правильно оценивать их относительное значение. Это правило часто игнорируют. Стремясь к удешевлению продукции, конструк- тор нередко добивается экономии в одном направлении, а других, гораздо более эффективных путей повышения экономичности не замечает. Более того, часто экономия, осуществляемая без учета совокупности всех факторов, ведет к снижению суммарной эконо- мичности машин. Главными факторами, определяющими экономичность машины, являются полезная отдача машины, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов. Рентабельность машины q выражается отношением полезной отдачи машины От за определенный период к сумме расходов Р за тот же период: Î ò Ð q  . Сумма расходов в общем случае складывается из стоимости рас- ходуемой энергии, материалов и заготовок, инструмента, оплаты труда операторов, технического обслуживания, ремонта, накладных цеховых и заводских расходов, амортизационных расходов. Величина q должна быть больше 1, иначе машина будет работать убыточно, и смысл ее существования утрачивается. Экономический эффект. Годовой экономический эффект от ра- боты строительной или дорожной машины (годовой доход) Ð 1 Î ò Ð Î ò 1 Î ò 1 Î ò Q q                  . Повышение отдачи может выражаться или в увеличении числа единиц продукции, или в увеличении стоимости каждой единицы (повышение качества продукции, увеличение объема операций, вы- полняемых над заготовкой). 7 Как общее правило экономический эффект в наибольшей степени зависит от полезной отдачи и долговечности машины. Эти факторы должны быть в центре внимания при конструировании машин. Столь же большое значение имеет надежность, определяющая объем и сто- имость ремонтов, производимых за время эксплуатации машин. На практике расходы на ремонт могут превышать стоимость ма- шины в несколько раз. Иногда расходы на ремонт поглощают боль- шую часть доходов, приносимых машиной, что делает эксплуата- цию машины нерентабельной. В настоящее время актуальна задача перехода на безремонтную эксплуатацию: устранение капитальных ремонтов; устранение восста- новительного ремонта и замена его комплектационным, осуществляе- мым сменой износившихся деталей, узлов и агрегатов; устранение вы- нужденных ремонтов, вызванных поломкой и износом деталей, систе- матическим проведением планово-предупредительных ремонтов. Из сказанного не следует, что конструктор может ослабить вни- мание к задаче уменьшения стоимости машины. Как было показано, фактор стоимости зависит от категории машины и может быть зна- чительным у машин с малыми энергопотреблением и расходами на труд, а также у машин с относительно небольшим сроком службы. Необходимо только правильно оценивать значение этого фактора среди других факторов повышения экономичности и уметь посту- питься им в случае, когда уменьшение стоимости вступает в проти- воречие с требованиями увеличения полезной отдачи, долговечно- сти и надежности. Решение всех перечисленных выше задач следует положить в ос- нову деятельности конструктора, который должен, во-первых, зада- вать тон в политике машиностроения, во-вторых, создавать кон- струкции, обеспечивающие увеличение экономической эффектив- ности машины, сокращение эксплуатационных расходов и умень- шение стоимости машиностроительной продукции в целом. Увеличение долговечности, как способ повышения численности машинного парка, объема продукции и энергонасыщенности народ- ного хозяйства, несравненно выгоднее, чем простое увеличение вы- пуска машин, не сопровождаемое повышением их долговечности. Увеличение выпуска машин требует введения новых предприя- тий, расширения площадей и оборудования уже существующих или (способ экономически наиболее целесообразный) увеличения съема 8 продукции с существующего оборудования путем интенсификации производственного процесса. В первом и втором случаях возраста- ют расходы на изготовление машин. Во всех случаях возрастают эксплуатационные расходы вследствие увеличения числа действу- ющих машин. Увеличение отдачи и долговечности машин, как правило, сопро- вождается относительно небольшим повышением стоимости машин и вместе с тем в связи с сокращением числа действующих машин уменьшением эксплуатационных расходов. Однако увеличение годового выпуска машин еще не означает увеличение численности действующих машин и объема выпуска промышленной продукции. Возрастание годового производства ма- шин характеризует рост экономики только в том случае, если оно сопровождается объективными данными о долговечности и каче- стве выпускаемых машин. Эти данные могут означать: прогресс, если долговечность машин сохраняется на постоянном уровне или повышается; застой, если долговечность снижается в такой же про- порции, в какой возрастает выпуск; регресс, если долговечность машин падает более существенно, чем возрастает их выпуск. Долговечность и техническое устаревание. Повышение долго- вечности тесно связано с проблемой технического устаревания (мо- рального износа) машин. Устаревание наступает, когда машина, сохраняя физическую работоспособность, по своим показателям перестает удовлетворять промышленность в силу повышения тре- бований или появления более совершенных машин. Признаками устаревания являются пониженные по сравнению со средним уровнем показатели надежности, качества продукции, точно- сти операций, производительности, расхода энергии, стоимости труда, обслуживания и ремонтов и как общий результат – пониженная рента- бельность машины. Главным последствием морального износа являет- ся снижение роста производительности на единицу рабочей силы, яв- ляющегося основным показателем экономического прогресса. Наиболее действенное средство предупреждения устаревания – повышение степени использования машины в эксплуатации. Чем в более короткий срок машина отрабатывает заложенный в нее ресурс долговечности, т. е. чем ближе срок службы к долговечности, тем меньше вероятность ее устаревания. Сокращение срока службы до 3–4 лет практически гарантирует отсутствие у машины устаревания. 9 Задача снижения срока службы при неизменной долговечности сводится к всемерной интенсификации использования машин. Основные конструктивные предпосылки интенсификации: уни- версализация, т. е. расширение диапазона выполняемых машиной операций, обеспечивающее устойчивую загрузку машины; повыше- ние надежности машин, приводящее к сокращению аварийных и ремонтных простоев. Степень использования машин непериодического действия, например сезонных, можно повысить с помощью сменного, при- цепного и навесного оборудования, способствующего увеличению про-должительности их работы в году. Быстрота и степень морального износа зависят от масштаба и тех- нического уровня производства. На предприятиях, ускоренно нара- щивающих темпы производства и непрерывно совершенствующих технологический процесс, машины устаревают гораздо быстрее, чем на средних и мелких предприятиях, развивающихся медленнее. Машины, устаревшие в условиях передового производства, мож- но использовать на менее ответственных участках или на предприя- тиях меньших масштабов и с меньшей машинной оснащенностью. Важно, что они будут продолжать производство продукции до пол- ного исчерпания механического ресурса, пусть даже с рентабельно- стью, несколько пониженной по сравнению со средней народно- хозяйственной. 1.3. Эксплуатационная надежность Надежность машины складывается из следующих признаков: высокая долговечность, безотказность действия, безаварийность, ста- бильность действия (способность длительно работать без снижения исходных параметров и выдерживать перегрузки), малый объем операций обслуживания и ухода, простота обслуживания, живу- честь (способность при частичных повреждениях продолжать неко- торое время работу, хотя бы на сниженных режимах), устранимость повреждений (сохранение ремонтопригодности), большие межре- монтные сроки, малый объем ремонтных работ. Пути повышения надежности. Надежность машин в первую очередь определяется прочностью и жесткостью конструкции. 10 Безаварийность работы и длительность межремонтных сроков во многом зависят от правильности эксплуатации, бережного отноше- ния к машине, тщательного ухода, своевременной профилактики, предотвращения перегрузок. При этом условия правильной эксплу- атации машины должны быть заложены в ее конструкции. Необхо- димо обеспечить надежную работу даже в условиях недостаточно квалифицированного обслуживания. Если машина портится в не- умелых руках, это значит, что конструкция недостаточно продума- на в отношении ее надежности. Субъективный фактор в обслуживании и управлении машиной следует по возможности исключать, а операции ухода сводить к минимуму. Устранению подлежат периодические операции регулирования, подтяжки, смазки и т. п., которые при недостаточно внимательном обслуживании могут стать причиной повышенного износа и преж- девременного выхода машины из строя. Например, в двигателях внутреннего сгорания регулирование за- зоров в клапанном механизме можно устранить введением автома- тических компенсаторов износа и тепловых расширений (гидравли- ческого или иного типа). Это не только упрощает уход, обеспечивая практически беззазорную работу клапанного механизма, но и суще- ственно повышает его долговечность. Устранима периодическая подтяжка коренных и шатунных под- шипников коленчатого вала двигателей. Современное состояние смазочной техники позволяет создать подшипники, работающие практически неограниченное время при минимальном износе. Пе- риодическая подтяжка ослабевающих в эксплуатации гаек и болтов устранима применением современных самоконтрящихся конструк- ций резьбовых соединений. Существенно усложняет эксплуатацию машин нерациональная система смазки, требующая постоянного внимания со стороны об- служивающего персонала. Безусловно, периодической смазки сле- дует избегать. Если этого сделать нельзя по конструктивным усло- виям, то необходимо применять самосмазывающиеся опоры или вводить систему централизованной подачи смазочного материала ко всем трущимся узлам с одного поста. Наилучшее решение с точки зрения надежности и удобства экс- плуатации – это полностью автоматизированная система смазки, не 11 требующая периодической смены масла. Это достижимо, если предусмотреть меры, противодействующие окислению и тепловому перерождению масла и обеспечивающие непрерывную очистку и регенерацию масла. В системы смазки необходимо вводить аварийные устройства, обеспечивающие подачу масла, хотя бы в минимальных количе- ствах, при выходе из строя главной системы. Одним из приемов увеличения эксплуатационной надежности является дублирование обслуживающих устройств, в работе кото- рых чаще всего случаются перебои. Примером может служить дуб- лирование системы зажигания бензиновых двигателей, а также си- стем автоматического управления. В тех случаях, когда требуется полная безотказность действия, от которой зависит жизнь людей (космические корабли), применяют многократное дублирование систем управления. В комплексе мероприятий, обеспечивающих эксплуатационную надежность машины, большую роль играет автоматическая защита от случайных или преднамеренных перегрузок предохранительны- ми устройствами, работающими на стерегущем режиме и вступаю- щими в действие при перегрузке машины. Наиболее целесообразна полная автоматизация управления, т. е. превращение машины в самообслуживающийся, саморегулирую- щийся и самонастраивающийся на оптимальный режим работы аг- регат. Примером являются самопереключающиеся коробки передач и трансмиссии автомобиля с бесступенчатым регулированием пере- даточного отношения от двигателя к ходовому механизму. Система автоматически устанавливает оптимальное передаточное отноше- ние для данных условий езды, профиля и состояния дороги, что увеличивает экономичность и улучшает технический ресурс. Высокой надежности машин можно достичь только комплексом конструктивных, технологических и организационно-технических мероприятий. Повышение надежности требует длительной, повсе- дневной, скрупулезной, целенаправленной совместной работы кон- структоров, технологов, металлургов, экспериментаторов и произ- водственников, ведущейся по тщательно разработанному и после- довательно осуществляемому плану. Непременным условием выпуска качественной продукции явля- ются прогрессивная технология изготовления, высокая культура 12 производства, строгое соблюдение технологического режима и тща- тельный контроль продукции на всех стадиях, начиная с операций изготовления деталей и заканчивая сборкой изделия. Наибольшие трудности представляет объективная оценка показа- телей надежности и стоимости эксплуатации. Эти показатели можно достоверно выяснить только через длительный промежуток времени, притом на продукции, вышедшей за стены завода-изготовителя и разбросанной в различных, порой отдаленных, местах эксплуатации. В этих условиях приобретают важное значение методы ускорен- ного определения долговечности деталей, узлов, агрегатов и маши- ны в целом. Большую помощь могут оказать лаборатории долго- вечности для систематического ресурсного испытания продукции. Следует шире применять метод моделирования эксплуатацион- ных условий, заключающийся в стендовых или эксплуатационных испытаниях машины на форсированном режиме в условиях, заве- домо более тяжелых, чем нормальная работа машины. В этом слу- чае машина осуществляет в сжатые сроки цикл, который при нор- мальной ее работе длится несколько лет. Испытания проводят до наступления предельного износа или даже до полного или частич- ного разрушения машины, периодически их приостанавливая для замера износов, регистрации состояния деталей и определения при- знаков приближения аварии. Подобные жесткие испытания позволяют обнаружить недостат- ки конструкции и принять меры по их устранению. Ускоренные ис- пытания дают также достаточно надежный исходный материал для оценки реальной долговечности машины. Доводка машин после ввода в эксплуатацию. В целях создания надежных машин необходимо тщательно изучать опыт эксплуатации. Работа конструкторских организаций над машиной не должна закан- чиваться государственными испытаниями опытного образца и сда- чей машины в серийное производство. Доводка машины по существу начинается только после ввода ее в эксплуатацию. Эксплуатационная проверка лучше всего позволяет обнаружить и устранить слабые места конструкции. Недостатки машины особенно наглядно выясняются при ремонте, поэтому обязательна тесная и непрерывная связь конструктора с ре- монтными предприятиями. Заводам-изготовителям массовой и круп- 13 носерийной продукции полезно иметь собственные ремонтные под- разделения, лаборатории изучения машин и школы конструирования. При изучении дефектов следует различать случайные дефекты и систематические. Случайные обычно обусловлены неудовлетвори- тельным контролем и недостаточной технологической дисциплиной на заводе-изготовителе. Систематические дефекты свидетельствуют о неудовлетворительной конструкции и требуют незамедлительного внесения исправлений в выпускаемые машины. Стоимость машины. Снижение стоимости машиностроитель- ной продукции представляет комплексную задачу: производствен- ную и конструкторскую. Основную роль играет рационализация производства (механизация и автоматизация производственных процессов, концентрация технологических операций, специализа- ция заводов, производственное кооперирование и др.). Большое значение имеет уменьшение числа типоразмеров ма- шины рациональным выбором типажа и ее параметров, что позво- ляет повысить серийность производства с выигрышем в стоимости изготовления. Это тоже конструкторская задача. Важно обеспечить технологичность конструкции. Под технологич- ностью понимают совокупность признаков, обеспечивающих наиболее экономичное, быстрое и производительное изготовление машин с применением прогрессивных методов обработки при одновременном повышении качества, точности и взаимозаменяемости частей. В понятие технологичности следует ввести также признаки, обеспечивающие наиболее производительную сборку изделия (тех- нологичность сборки) и наиболее удобный и экономичный ремонт (технологичность ремонта). Технологичность зависит от масштаба и типа производства. Единичное и мелкосерийное производство предъявляют к техноло- гичности одни требования, крупносерийное и массовое – другие. Признаки технологичности специфичны для деталей различных групп изготовления. Большой экономический эффект дают унификация и стандарти- зация деталей, узлов и агрегатов. Унификация. Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокра- щению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовле- ния, упрощению эксплуатации и ремонта машин. 14 Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внут- ренней (в пределах данного изделия) и внешней (заимствование де- талей с иных машин данного или смежного завода). Наибольший экономический эффект дает заимствование тех де- талей и агрегатов серийно изготовляемых машин, которые можно получить в готовом виде. Заимствование деталей машин единично- го производства, машин, снятых или подлежащих снятию с произ- водства, а также находящихся в производстве на предприятиях дру- гих ведомств, когда получение деталей невозможно или затрудни- тельно, имеет только одну положительную сторону: проверенность деталей опытом эксплуатации. Во многих случаях и это оправдыва- ет унификацию. Унификация марок и сортамента материалов, электродов, типораз- меров крепежных деталей, подшипников качения и других стандарт- ных деталей облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприятий материалами, стандартными покупными изделиями. Стандартизация. Стандартизация – регламентирование кон- струкции и типоразмеров широко применяемых машиностроитель- ных деталей, узлов и агрегатов. Почти в каждой специализированной проектной организации стандартизируют типовые для данной отрасли машиностроения де- тали и узлы, что ускоряет проектирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин и при целесообразной конструкции стандартных деталей способствует увеличению их надежности. Стандартизация дает наибольший эффект при сокращении числа применяемых типоразмеров стандартных деталей, узлов и агрега- тов, т. е. при их унификации. В практике проектных организаций эта задача решается выпуском ограничителей, содержащих мини- мум стандартов, удовлетворяющих потребностям проектируемого класса машин. Преимущества стандартизации реализуются в полной мере при централизованном изготовлении стандартных изделий на специали- зированных заводах. Это разгружает машиностроительные заводы от трудоемкой работы изготовления стандартных изделий и упро- щает снабжение ремонтных предприятий запасными частями. Применение стандартов не должно стеснять творческую инициа- тиву конструктора и препятствовать поискам новых, более рацио- нальных конструктивных решений. При конструировании машин не 15 следует останавливаться перед применением новых решений в об- ластях, охватываемых стандартами, если эти решения имеют явное преимущество. 1.4. Образование производных машин на базе унификации Унификация представляет собой эффективный и экономичный способ создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности и т. д. или машин различного назначения, вы- полняющих качественно другие операции, а также рассчитанных на выпуск другой продукции. В настоящее время существует несколько направлений решения этой задачи. Не все они являются универсальными. В большинстве случаев каждый метод применим только к определенным категори- ям машин, причем их экономический эффект различен. Секционирование. Метод секционирования заключается в раз- делении машины на одинаковые секции и образовании производ- ных машин набором унифицированных секций. Секционированию хорошо поддаются многие виды подъемно- транспортных устройств (ленточные, скребковые, цепные конвейеры). Секционирование в данном случае сводится к построению каркаса машин из секций и составлению машин различной длины с новым не- сущим полотном. Особенно просто секционируются машины со звень- евым несущим полотном (ковшовые элеваторы, пластинчатые конвей- еры с полотном на основе втулочных роликовых цепей), у которых длину полотна можно изменять изъятием или добавлением звеньев. Экономичность образования машин этим способом мало страдает от введения отдельных нестандартных секций, которые могут пона- добиться для приспособления длины машины к местным условиям. Секционированию поддаются также дисковые фильтры, плас- тинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гидравлические насосы. В последнем случае набором секций можно получить ряд многоступенчатых насосов различного напора, уни- фицированных по основным рабочим органам. Метод изменения линейных размеров. При этом методе с це- лью получения различной производительности машин и агрегатов изменяют их длину, сохраняя форму поперечного сечения. Метод 16 применим к ограниченному классу машин (главным образом ротор- ных), производительность которых пропорциональна длине ротора (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, мешалки, вальцовочные машины и т. д.). Степень унификации при этом методе невелика. Унифицируются только торцовые крышки корпусов и вспомогательные детали. Главный экономический выигрыш дает сохранение основного тех- нологического оборудования для обработки роторов и внутренних полостей корпусов. Частным случаем применения данного метода является повышение нагрузочной способности зубчатых передач за счет увеличения длины зубьев колес с сохранением их модуля. Метод базового агрегата. В основе этого метода лежит приме- нение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования. Наибольшее применение метод имеет при создании дорожных ма- шин, самоходных кранов, погрузчиков, укладчиков, а также сель- скохозяйственных машин. Базовым агрегатом в данном случае обычно является тракторное или автомобильное шасси, выпускаемое серийно. Монтируя на шас- си дополнительное оборудование, получают серию машин различ- ного назначения. Присоединение специального оборудования требует разработки дополнительных механизмов и агрегатов – коробок отбора мощно- сти, подъемных и поворотных механизмов, лебедок, реверсов, тор- мозов, механизмов управления, кабин, которые, в свою очередь, можно в значительной мере унифицировать. Конвертирование. При методе конвертирования базовую ма- шину или основные ее элементы используют для создания агрега- тов различного назначения, иногда близких, а иногда различных по рабочему процессу. Бензиновые карбюраторные двигатели легко конвертируются в газовые. Для этого достаточна замена карбюратора смесителем и изменение степени сжатия (достигаемое проще всего изменением высоты поршней) и некоторые второстепенные конструктивные переделки. В целом двигатель остается таким же. Конвертирование бензинового или газового двигателя в дизель представляет более трудную задачу, главным образом ввиду при- сущих дизелю повышенных рабочих нагрузок, обусловленных вы- 17 сокой степенью сжатия и большим давлением вспышки. Следова- тельно, конвертируемый двигатель должен обладать значительными запасами прочности. Конвертирование в данном случае заключает- ся в замене карбюратора топливным насосом и форсунками (или насос-форсунками), изменении степени сжатия (смена головок ци- линдров, увеличение высоты поршней или изменение конфигура- ции их днищ). Другим примером конвертирования является перевод работы поршневых воздушных компрессоров на другой газ (аммиак, фре- он). В этом случае при переделке необходимо учитывать различие физических и химических свойств рабочих реагентов и соответ- ственно выбирать материалы рабочих деталей. Примером конвертирования агрегатов, сильно различающихся по рабочему процессу, может служить преобразование двигателя внутреннего сгорания в поршневой компрессор. Конвертирование в данном случае включает замену головок двигателя клапанными ко- робками с соответствующим изменением механизма распределения и требует значительных переделок. Компаундирование. Метод компаундирования (параллельного соединения машин или агрегатов) применяют с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые машины могут быть или установлены рядом как независимые агре- гаты, или связаны друг с другом синхронизирующими, транспорт- ными и другими подобными устройствами, или, наконец, конструк- тивно объединены в один агрегат. Примером совмещения первого типа является парная установка судовых двигателей, работающих каждый на свой винт, а также установка двух или большего числа двигателей в крыльях самолета. Помимо повышения общей мощности (при затруднительности со- здания двигателя большой мощности), этот способ иногда позволя- ет удачно решать другие задачи. Так, параллельная установка судо- вых двигателей увеличивает маневренность судна, особенно на ма- лом ходу. Установка нескольких двигателей на самолете облегчает виражирование и выруливание на земле. Применение нескольких двигателей до известной степени увеличивает также надежность: при выходе из строя одного из двигателей можно продолжать рейс, хотя и с пониженной скоростью. 18 Примером совмещения второго типа является параллельная установка машин-орудий группами (по две-три). Ее применяют в автоматических линиях, когда производительность отдельной ма- шины, входящей в поток, значительно уступает производительно- сти всей линии. Такая установка требует разделения потока на два или больше потоков (соответственно числу параллельно устанавли- ваемых машин) с последующим соединением их в один. Примером совмещения третьего типа является сдваивание или страивание линейных машин-орудий, т. е. объединение нескольких рабочих трактов на общей станине. В результате получается много- линейная параллельно-поточная машина с производительностью, повышенной соответственно числу трактов. Модифицирование. Модифицированием называют переделку строительных и дорожных машин с целью приспособления их к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции. Модифицирование машины для работы в различных климатиче- ских условиях сводится преимущественно к замене материалов. В машинах, работающих в условиях жаркого и влажного климата (ма- шины тропического исполнения), применяют коррозионно-стойкие сплавы; в машинах, эксплуатируемых в областях с суровым клима- том (машины арктического исполнения), – хладостойкие материалы; системы смазки приспосабливают к работе при низких температурах. Модифицирование стационарных машин для работы на морском транспорте (машины морского исполнения) заключается во всемер- ном облегчении машины путем замены тяжелых сплавов (чугуна) легкими (алюминиевыми) и введением материалов, устойчивых к коррозии во влажном морском воздухе и при соприкосновении с морской водой. Сложнее модифицирование машин с целью их приспособления к различным операциям или изделиям. В этом случае метод моди- фицирования тесно связан с методом агрегатирования. Агрегатирование. Агрегатирование заключается в создании ма- шин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляю- щих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине. Наиболее полное отражение этот принцип получил в конструк- ции агрегатных металлообрабатывающих станков. Такие станки со- 19 здают на основе унифицированных блоков (основные блоки, меха- низмы синхронизации, поворотные столы, корпуса общего назначе- ния, станины, тумбы, вспомогательные узлы, системы подачи сма- зочно-охлаждающих жидкостей). Основные преимущества агрегатирования: сокращение сроков и стоимости проектирования и изготовления машин, упрощение обслу- живания и ремонта, возможность переналадки для обработки разнооб- разных деталей. Метод агрегатирования весьма перспективен. Помимо металлорежущих станков он применим для других машин-орудий. Частичным агрегатированием является использование стандарти- зованных узлов и агрегатов из числа серийно выпускаемых промыш- ленностью (редукторы, насосы, компрессоры), а также заимствова- ние серийно изготовляемых изделий узлов и агрегатов (коробок ско- ростей, механизмов переключения муфт, фрикционов и т. д.). Комплексная стандартизация. Близок к агрегатированию ме- тод комплексной стандартизации, применяемый для агрегатов про- стейшего типа (отстойники, выпарные и смесеприготовительные установки). Простота конструктивных форм этих агрегатов позво- ляет стандартизировать все или почти все элементы их конструк- ции. Стандартизации по типоразмерам поддаются обечайки резер- вуаров, днища, крышки, лазы, люки, арматура, лапы крепления, стойки. Стандартизируют также узлы (теплообменники, приводы мешалок, дозирующие устройства и т. д.). Особенностью аппаратов этого типа является широкое примене- ние вспомогательного покупного оборудования (насосов, фильтров, приборов контроля и управления, средств автоматизации). Из стандартных деталей, унифицированных узлов и покупного оборудования можно компоновать аппараты:  с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производительностью;  одинакового назначения, но с различными параметрами рабо- чего процесса (давление, вакуум, температура);  различного назначения и с разным рабочим процессом. Унифицированные ряды. В некоторых случаях возможно обра- зование ряда произвольных машин различной мощности или произ- водительности путем изменения числа главных рабочих органов и их применения в различных сочетаниях. Такие ряды называют се- 20 мейством, гаммой или серией машин. Этот способ применим к ма- шинам, мощность или производительность которых зависит от чис- ла рабочих органов. Метод обеспечивает следующие технологические и эксплуата- ционные преимущества:  упрощение, ускорение и удешевление процессов проектирова- ния и изготовления машин;  возможность применения высокопроизводительных методов обработки унифицированных деталей;  уменьшение сроков доводки и освоения опытных образцов (благодаря отработанности главных рабочих органов);  облегчение эксплуатации;  сокращение сроков подготовки обслуживающего технического персонала и сроков ремонта машин;  упрощение снабжения запасными деталями. Классическим примером образования унифицированных машин является создание рядов четырехтактных двигателей внутреннего сгорания на основе унифицированной цилиндровой группы и ча- стично унифицированной шатунно-поршневой группы. Сочетание цилиндров ограничивается условием уравновешенности сил инер- ции поступательно-возвратно движущихся масс и условием равно- мерного чередования вспышек. Повышенной степенью унификации отличаются двухвальные двигатели, у которых наряду с цилиндро- вой группой полностью унифицированы шатунно-поршневая груп- па и коленчатые валы. Так как мощность двигателя пропорциональна числу цилиндров, то представленный ряд двигателей позволяет теоретически полу- чить семейство двигателей с очень широким диапазоном мощно- стей. Если мощность одного цилиндра равна, например, 73,5 кВт, то возможный диапазон ряда равен 147–2205 кВт. Другая область применения метода унифицированных рядов – ро- торные машины-орудия. Так как производительность роторных машин пропорциональна числу операционных блоков, установленных на ма- шине, то из унифицированных блоков можно создать ряд машин раз- ной производительности. В отличие от поршневых двигателей число блоков, которое можно установить на роторной машине, практически не ограничено и зависит только от заданной производительности. 21 Наряду с изменением числа операционных блоков на роторных машинах можно менять и блоки, тем самым приспосабливая маши- ну к выполнению различных операций. Это пример сочетания ме- тода унифицированных рядов с методами конвергирования или аг- регатирования. Пределы метода. Методы образования производных строительных и дорожных машин и их рядов на основе унификации не являются универсальными и всеобъемлющими. Каждый из них применим к ограниченной категории машин. Многие машины (паровые и газовые турбины) по конструкции не допускают образования производных. Невозможно или нецелесообразно образовывать производные ряды для специализированных машин, машин большой мощности и т. д., которые остаются в категории единичного проектирования. Унификация нередко сопровождается ухудшением качества, осо- бенно в случае производных рядов большого диапазона. Крайние члены ряда по габаритам, металлоемкости и эксплуатационным по- казателям, как правило, уступают специализированным машинам. Такое ухудшение можно допустить, если унификация обеспечивает большой экономический эффект, а габариты и масса имеют второ- степенное значение. Этот метод применим для машин общего назначения, ограничен- но применим, а иногда и вовсе не применим для машин, к габаритам и массе которых предъявляют повышенные требования. В категории машины повышенного класса нередко приходится отказываться от унификации и идти по пути единичного проектирования. 1.5. Уменьшение номенклатуры объектов производства Сокращение номенклатуры объектов производства на основе ра- ционального выбора их типажа повышает серийность выпуска, рас- ширяет возможности механизации и автоматизации производства и внедрения прогрессивных методов изготовления с соответствующим увеличением производительности, уменьшением стоимости продук- ции и повышением ее качества. Устраняется распыливание средств на выпуск машин малыми сериями, облегчаются эксплуатация, ре- монт и снабжение запасными частями, создаются предпосылки цен- трализованного и рентабельного изготовления запасных частей. 22 Задача сокращения номенклатуры и числа объектов производ- ства решается следующими основными способами:  созданием параметрических рядов машин с рационально вы- бранными интервалами между каждой из них;  увеличением универсальности машин, т. е. расширением круга выполняемых ими операций;  заложением в конструкцию резервов развития и последова- тельным использованием этих резервов по мере роста потребностей народного хозяйства. Все способы можно сочетать как один с другим, так и со спосо- бами унификации. Например, возможно параллельное создание уни- фицированных и параметрических рядов поршневых двигателей; унифицированные ряды состоят из двигателей с одинаковыми ци- линдрами, но с различным их числом и расположением; параметри- ческие ряды – из двигателей с тем же числом и расположением ци- линдров, но с другим диаметром последних. Параметрические ряды. Параметрическими называют ряды ма- шин одинакового назначения с регламентированными конструкци- ей показателями и градациями показателей. Во многих случаях це- лесообразно положить в основу ряда единый тип машины, получая необходимые градации изменением ее размеров при сохранении геометрического подобия модификаций ряда. Такие ряды называют размерно-подобными или просто размерными. В других случаях целесообразно установить для каждой града- ции свой тип машин со своими размерами. Такие ряды называют типоразмерными. Примером могут служить судовые двигатели. При малых мощ- ностях целесообразно применять четырехтактные двигатели внут- реннего сгорания; при средних и больших – двухтактные, обладаю- щие при равной мощности меньшими габаритами и массой, или га- зотурбинные, способные к еще большей концентрации мощности. В смешанных рядах одни модификации ряда делают однотипными и геометрически подобными, другие создают на основе иных типов. Применение разных типов (случай типоразмерных и смешанных рядов) не снижает эффективности метода параметрических рядов, т. к. их экономический эффект обусловлен сокращением числа мо- делей. Технологическим выигрышем является централизованное, а 23 следовательно, производительное изготовление машин, обусловлен- ное увеличением масштаба выпуска каждой модели. Метод параметрических рядов дает наибольший эффект в случае машин массового применения, имеющих большой диапазон изме- нения показателей. Главное значение при проектировании параметрических рядов имеет правильный выбор типа машин, числа членов ряда и интер- валов между ними. При решении этих вопросов необходимо учиты- вать степень применяемости различных членов ряда, вероятные в эксплуатации режимы работы, степень гибкости и приспособляемо- сти машин данного класса (возможность варьирования эксплуата- ционных показателей), возможности их модифицирования, способ- ность образовывать дополнительные производственные машины. В диапазоне наиболее часто применяемых параметров целесооб- разно увеличивать число членов ряда; в диапазоне редко применяе- мых – расширять интервалы между членами ряда. Одним из главных условий реализации экономического эффекта параметрических рядов является длительность их применения. По- этому при проектировании параметрического ряда следует учиты- вать современное состояние и перспективы развития машинопотреб- ляющих отраслей народного хозяйства. Размерно-подобные ряды. Показатели размерно-подобных ма- шин зависят от геометрических размеров машины и от параметров рабочих процессов. Для сохранения полного подобия машин различных размеров необходимо соблюсти, во-первых, геометрическое подобие, а во- вторых, подобие рабочего процесса, т. е. обеспечить одинаковость параметров энергетической и силовой напряженности машин в це- лом и их деталей. Следует отметить, что строгое соблюдение геометрического по- добия в области малых значений неосуществимо по условиям изго- товления. Минимальные сечения деталей ограничены условиями обеспечения достаточной жесткости при изготовлении (сопротив- ляемость силам резания), монтаже и транспортировании. Поэтому многие детали малых машин ряда приходится делать более массив- ными, чем того требуют условия геометрического подобия. Размерно-подобные ряды надо строить на основе главных харак- теристик (мощности, производительности и т. д.), а не геометриче- 24 ских параметров, т. к. в силу внутренних законов подобия главные характеристики располагаются по закономерности, отличной от за- кономерности изменения геометрических характеристик. Универсализация машин. Универсализация преследует цели расширения функций машин, увеличения диапазона выполняемых ими операций, расширения номенклатуры обрабатываемых деталей. Она увеличивает приспособляемость машин к требованиям произ- водства и повышает коэффициент их использования. Главное эко- номическое значение универсализации заключается в том, что она позволяет сократить число объектов производства. Одна универ- сальная машина заменяет несколько специализированных, выпол- няющих отдельные операции. Расширить функции и области применения машин можно сле- дующими способами: введением дополнительных рабочих органов, приданием сменного оборудования, внедрением регулирования с целью увеличения номенклатуры обрабатываемых изделий, регули- рованием главных показателей (частоты вращения, мощности, про- изводительности). Универсализации хорошо поддаются многие сельскохозяйствен- ные машины. Придавая базовой машине вспомогательное навесное или прицепное оборудование, можно создать многофункциональ- ную машину с увеличенным сезоном использования. Важно определить целесообразную степень универсализации. Универсальные машины, рассчитанные на слишком большую но- менклатуру изделий или широкий диапазон операций, сложны по конструкции, громоздки и неудобны в обслуживании. Иногда целе- сообразнее создавать ряд машин, каждая из которых имеет умерен- ную степень универсализации. В целом ряд охватывает всю необ- ходимую номенклатуру. В других случаях универсальные машины можно дополнить двумя-тремя специализированными, предназна- ченными для изделий, резко отличающихся по габаритам или кон- фигурации от основного типа изделий. 1.6. Ряды предпочтительных чисел Основой стандартизации являются ряды чисел, подчиняющихся определенным закономерностям. В арифметических рядах каждый 25 член образуется прибавлением к предыдущему члену постоянного числа х (разность прогрессии). Пример арифметического ряда размеров при x = 5: 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65; 70; ...; 100. Арифметические ряды отличаются относительной неравномер- ностью. Их верхние области больше насыщены градациями разме- ров, а нижние – меньше. Отношение каждого члена ряда к преды- дущему имеет большое значение для первых членов ряда и резко уменьшается в верхних областях ряда. Неравномерность можно отчасти исправить изменением величи- ны x для различных областей ряда. Пример такого ряда размеров: 10; 12,5; 15; 17,5; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 70; 80; 90; 100 с более равномерной градацией размеров. В рядах, построенных по принципу геометрической прогрессии, каждый член ряда получается умножением предыдущего члена на постоянную величину  (знаменатель прогрессии). Основные ряды. ГОСТ 8032–84 устанавливает пять рядов пред- почтительных чисел со знаменателем прогрессии 10n  . Степени n корня приняты равными 5, 10, 20, 40 и 80. Эти числа вместе с бук- вой R составляют обозначение рядов: R5, R10, R20, R40 и R80. Основные ряды предпочтительных чисел в диапазоне размеров 1–10: R5: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10. R10: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10. R20: 1; 1,12; 1,25; 1,4; 1,6; 1,8; 2; 2,24; 2,5; 2,8; 3,15; 3,55; 4; 4,5; 5; 5,6; 6,3; 7,1; 8; 9; 10. R40: 1; 1,06; 1,12; 1,18; 1,25; 1,32; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2; 2,12; 2,24; 2,36; 2,5; 2,65; 2,8; 3; 3,15; 3,35; 3,55; 3,75; 4; 4,25; 4,5; 4,75; 5; 5,3; 5,6; 6; 6,3; 6,7; 7,1; 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10. R80: 1; 1,03; 1,06; 1,08; 1,12; 1,15; 1,18; 1,2; 1,25; 1,28; 1,36; 1,4 и т. д. Численные значения членов всех рядов округлены с погрешно- стью не более ±1 %. Каждый более низкий ряд получается изъятием членов через один из ближайшего более высокого ряда Производные ряды. Из основных рядов можно получить геомет- рические ряды для любого диапазона чисел, т. е. с любым значением начального и конечного членов. В соответствии с основным законом 26 образования геометрических прогрессий производные ряды получа- ют умножением первого члена нового ряда на числа любого из ос- новного ряда (R5, R10 и т. д.) вплоть до получения значения, которое, в свою очередь, умножают на числа того же основного ряда и т. д. Ряды R20, R10, R5 можно получить отбором из ряда R40 всех членов с порядковыми номерами, кратными соответственно 2, 4, 8. Отбором из ряда R40 членов с порядковыми номерами, кратными 3, 6, 9, также можно получить новый производный ряд. Образование производных рядов возможно и другими способами. При возведе- нии членов геометрической прогрессии в любую степень получают новую прогрессию, но с иным знаменателем. Таким образом, если линейные размеры ряда деталей образуют геометрическую прогрессию, то значения сечений, объемов, массы, моментов сопротивления и моментов инерции сечений также обра- зуют геометрические прогрессии, но с иными знаменателями и иными первыми и последними членами. Нормальные линейные размеры. На базе основных рядов раз- работаны ряды нормальных линейных размеров (ГОСТ 6636–69) с несколько большим округлением чисел по сравнению с основны- ми. В отличие от основных ряды нормальных размеров обозначают дополнительно буквой а: Ra5: 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100. Ra10: 0,1; 0,12; 0,16; 0,2; 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 80; 100. Ra20: 0,1; 0,11; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18; 0,2; 0,22; 0,25; 0,28; 0,32; 0,36; 0,4; 0,45; 0,5; 0,56; 0,63; 0,71; 0,8; 0,9; 1 и т. д. с повышением цифр на один порядок. Ra40: 0,1; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,2; 0,21; 0,22; 0,24; 0,25; 0,26; 0,28; 0,3; 0,32; 0,34; 0,36; 0,38: 0,4; 0,42; 0,45; 0,48; 0,5; 0,53; 0,56; 0,6; 0,63; 0,67; 0,71; 0,75; 0,8; 0,85; 0,9; 0,95; 1; 1,05; 1,1; 1,15; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5 и т. д. ГОСТ 6636–69 охватывает линейные размеры в интервале 0,001–20 000 мм. Применение стандартных линейных размеров целесообразно для поверхностей, подвергаемых точной механической обработке, осо- бенно для посадочных поверхностей, а также способствует стандар- тизации режущего, контрольного и мерительного инструмента и об- легчает настройку станков. 27 Главный экономический выигрыш получается при сокращении числа членов рядов, т. е. при применении в каждом отдельном слу- чае наиболее низкого ряда, обеспечивающего нужный диапазон раз- меров и, следовательно, сокращение номенклатуры инструмента. Меньшее значение имеют нормальные размеры для поверхнос- тей, не нуждающихся в точной координации. На основании нормальных линейных размеров устанавливают ряды диаметров проволоки, прутков, толщины листового проката, линейных размеров сечений фасонного проката. Применять стандартные ряды для осевых размеров и для разме- ров необрабатываемых поверхностей (литье, штамповка) нерацио- нально. В этих случаях даже частичная стандартизация размеров, не давая никаких реальных преимуществ, только усложняет процесс проектирования и изготовления деталей. Ряды предпочтительных чисел при конструировании. Значе- ние рядов предпочтительных чисел для конструирования не следует переоценивать. Некоторые конструкторы считают необходимым при- менять ряды предпочтительных чисел для стандартизации и для всех областей конструирования. Это неверно. Ряды предпочтительных чисел целесообразно использовать в слу- чаях, когда требуется создавать ряд градаций какого-либо парамет- ра с равномерной насыщенностью градаций во всех частях ряда (например, передаточных отношений в коробках передач и подач металлорежущих станков). Однако равномерное распределение градаций не всегда является наиболее рациональным. Правильнее при нормировании техниче- ских параметров исходить из плотности распределения применяе- мости данного параметра. В качестве примера можно рассмотреть применяемость модулей зубьев в общем машиностроении. В частности, 90 % всех применя- емых колес имеют модуль в пределах m = 1–5 мм. Максимум при- меняемости приходится на колеса с модулем 2–3 мм. В данном слу- чае целесообразно увеличить число градаций в области наиболь- шей применяемости и сократить число градаций для редко приме- няемых модулей. В других отраслях машиностроения (приборо- строение, тяжелое машиностроение) соотношения могут быть ины- ми. В каждой отрасли можно установить плотность распределения применяемости и соответственно выбрать градации стандартных 28 модулей. Такой же дифференцированный подход в сущности необ- ходим и для других нормируемых в машиностроении параметров (размеры посадочных диаметров, резьб и др.). Ряды предпочтительных чисел неприменимы для создания уни- фицированных рядов машин с повторяющимися рабочими органа- ми. Параметры унифицированных рядов складываются по другим законам, зависящим от реальных возможностей сочетания унифи- цированных органов и условий технической применяемости членов ряда, и не могут уложиться в геометрическую прогрессию. Параметрические ряды необходимо строить с учетом применяе- мости различных категорий машин, степени их гибкости и т. д. Формальное применение геометрических прогрессий может приве- сти к большим ошибкам. Параметры стандартных элементов следу- ет выбирать не на основе априорных закономерностей, а исходя из конкретных условий их применяемости. 1.7. Общие правила конструирования При создании строительных и дорожных машин рекомендуется придерживаться следующих правил:  подчинять конструирование задаче увеличения экономическо- го эффекта, определяемого в первую очередь полезной отдачей ма- шины, ее долговечностью и эксплуатационными расходами за весь период использования машины;  добиваться максимального повышения полезной отдачи путем увеличения производительности машин и объема выполняемых ими операций;  добиваться всемерного снижения расходов на эксплуатацию машин уменьшением энергопотребления, стоимости обслуживания и ремонта;  максимально увеличивать степень автоматизации машин с це- лью увеличения производительности, повышения качества продук- ции и сокращения расходов на труд;  всемерно увеличивать долговечность машин как средство по- вышения фактической численности машинного парка и увеличения их суммарной полезной отдачи;  предупреждать техническое устаревание машин, обеспечивая их длительную применяемость, закладывая в них высокие исходные 29 параметры и предусматривая резервы развития и последовательного совершенствования;  закладывать в машины предпосылки интенсификации их ис- пользования в эксплуатации путем повышения универсальности и надежности;  предусматривать возможность создания производных машин с максимальным использованием конструктивных элементов базо- вой машины;  стремиться к сокращению числа типоразмеров машин, доби- ваясь удовлетворения потребностей народного хозяйства минималь- ным числом моделей путем рационального выбора их параметров и повышения эксплуатационной гибкости;  стремиться к удовлетворению потребностей народного хозяй- ства минимальным выпуском машин путем увеличения полезной отдачи и долговечности машин;  конструировать машины с расчетом на безремонтную эксплуата- цию с полным устранением капитальных ремонтов и с заменой вос- становительных ремонтов комплектацией машин сменными узлами;  избегать выполнения трущихся поверхностей непосредственно на корпусах деталей; для облегчения ремонта поверхности трения выполнять на отдельных, легко заменяемых деталях;  последовательно выдерживать принцип агрегатности; кон- струировать узлы в виде независимых агрегатов, устанавливаемых на машину в собранном виде;  исключать подбор и пригонку деталей при сборке; обеспечи- вать полную взаимозаменяемость деталей;  исключать операции выверки, регулирования деталей и узлов по месту; предусматривать в конструкции фиксирующие элементы, обеспечивающие правильную установку деталей и узлов при сборке;  обеспечивать высокую прочность деталей и машины в целом способами, не требующими увеличения массы (придание деталям рациональных форм с наилучшим использованием материала, при- менение материалов повышенной прочности, введение упрочняю- щей обработки);  уделять особое внимание повышению циклической прочности деталей; придавать деталям рациональные по сопротивлению уста- 30 лости формы; уменьшать концентрацию напряжений; вводить упрочняющую обработку;  в машины, узлы и механизмы, работающие при циклических и динамических нагрузках, вводить упругие элементы, смягчающие толчки и колебания нагрузки;  придавать конструкциям высокую жесткость целесообразны- ми, не требующими увеличения массы способами (применение пу- стотелых и оболочковых конструкций; блокирование деформаций поперечными и диагональными связями; рациональное расположе- ние опор и ребер жесткости);  всемерно увеличивать эксплуатационную надежность машин, добиваясь по возможности полной безотказности их действия;  делать машины простыми в обслуживании; сокращать объем операций обслуживания, устранять периодические регулировки, вы- полнять механизмы в виде самообслуживающихся агрегатов;  предупреждать возможность перенапряжения машины в экс- плуатации; вводить автоматические регуляторы, предохранитель- ные и предельные устройства, исключающие возможность эксплуа- тации машины на опасных режимах;  устранять возможность поломок и аварий в результате неуме- лого или небрежного обращения с машиной; вводить блокировки, предупреждающие возможность неправильного манипулирования органами управления; максимально автоматизировать управление машиной;  исключать возможность неправильной сборки деталей и узлов, нуждающихся в точной координации одного относительно другого; вводить блокировки, допускающие сборку только в нужном по- ложении;  устранять периодическую смазку; обеспечивать непрерывную ав- томатическую подачу смазочного материала к трущимся соединениям;  избегать открытых механизмов и передач; заключать механиз- мы в закрытые корпуса, предотвращающие проникновение грязи, пыли и влаги на трущиеся поверхности и позволяющие организо- вать непрерывную смазку;  обеспечивать надежную страховку резьбовых соединений от самоотвинчивания; внутренние соединения фиксировать методами позитивного стопорения (шплинты, отгибные шайбы); 31  предупреждать коррозию деталей, в особенности у машин, ра- ботающих на открытом воздухе или соприкасающихся с химически активными средами, применением стойких лакокрасочных и галь- ванических покрытий и изготовлением деталей из коррозионно- стойких материалов;  уменьшать стоимость изготовления машин путем придания кон- струкциям технологичности, унификации, стандартизации, уменьше- ния металлоемкости, сокращения числа типоразмеров машин;  уменьшать массу машин путем увеличения компактности кон- струкций, применения рациональных кинематических и силовых схем, устранения невыгодных видов нагружения, замены изгиба растяже- нием-сжатием, а также путем применения легких сплавов и неме- таллических материалов;  всемерно упрощать конструкцию машин; избегать сложных многодетальных конструкций;  заменять во всех случаях, где это возможно, механизмы с пря- молинейным поступательно-возвратным движением более выгод- ными механизмами с вращательным движением;  обеспечивать максимальную технологичность деталей, узлов и машины в целом, закладывая в конструкцию предпосылки наибо- лее производительного изготовления и сборки;  сокращать объем механической обработки, предусматривая из- готовление деталей из заготовок с формой, близкой к окончатель- ной форме изделия; заменять механическую обработку более про- изводительными способами обработки без снятия стружки;  осуществлять максимальную унификацию элементов конструк- ции с целью удешевления машины, сокращения сроков ее изготовле- ния, доводки, а также с целью облегчения эксплуатации и ремонта;  всемерно расширять применение стандартных деталей; соблю- дать действующие стандарты;  не применять оригинальных деталей и узлов там, где можно обойтись стандартными, унифицированными, заимствованными и покупными деталями и узлами;  экономить дорогостоящие и дефицитные материалы, применяя их полноценные заменители; при необходимости применения дефи- цитных материалов сводить их расход к минимуму; 32  стремясь, как общее правило, к дешевизне изготовления, не ограничивать затраты на изготовление деталей, ключевых для надежности машины; выполнять такие детали из качественных мате- риалов, применять для их изготовления технологические процессы, обеспечивающие наибольшее повышение надежности и срока служ- бы;  придавать машине простые и гладкие внешние формы, облег- чающие уход за машиной и ее содержание;  соблюдать требования технической эстетики, придавая маши- нам стройные архитектурные формы; улучшать внешнюю отделку машин;  сосредотачивать органы управления и контроля по возможно- сти в одном месте, удобном для обзора и манипулирования;  делать доступными и удобными для осмотра узлы и механиз- мы, нуждающиеся в периодической проверке;  обеспечивать безопасность обслуживающего персонала; пре- дупреждать возможность несчастных случаев путем максимальной автоматизации рабочих операций, введения блокировок, примене- ния закрытых механизмов и установки защитных ограждений;  в машинах-орудиях и автоматах обеспечивать возможность регулирования и наладки механизмами ручного прокручивания, мед- ленного проворачивания от приводного двигателя (с реверсом, если того требуют условия наладки);  в машинах с приводом от электродвигателя учитывать воз- можность неправильного включения двигателя, а в машинах с при- водом от двигателя внутреннего сгорания – обратных вспышек; обеспечивать возможность реверсной работы машины или вводить предохранительные устройства (обгонные муфты);  тщательно изучать опыт эксплуатации машин и оперативно вводить в конструкцию исправления дефектов, обнаруживающихся при эксплуатации; изучение эксплуатации является лучшим сред- ством совершенствования и доводки машин и эффективным спосо- бом повышения квалификации конструктора;  непрерывно совершенствовать конструкцию машин, находя- щихся в серийном производстве, поддерживая их на уровне возрас- тающих требований промышленности; 33  обеспечивать конструктивный задел, подготавливая выпуск но- вых машин с более высокими показателями на смену устаревающим;  изучать тенденции развития отраслей народного хозяйства, ис- пользующих проектируемые машины; вести перспективное проек- тирование, рассчитанное на удовлетворение дальних запросов ма- шинопотребителей;  при проектировании новых конструкций, а также машин, пред- назначенных для новых технологических процессов, проверять все новые элементы с помощью эксперимента, моделирования, забла- говременного изготовления и испытания узлов;  шире использовать опыт исполненных конструкций, опыт смеж- ных, а в нужных случаях и отдаленных по профилю отраслей ма- шиностроения. 2. Методика конструирования Исходными материалами для проектирования машины могут быть следующие:  техническое задание, выдаваемое планирующей организацией или заказчиком, и определяющие параметры машин, область и условия ее применения;  техническое предложение, выдвигаемое в инициативном по- рядке проектной организацией или группой конструкторов;  научно-исследовательская работа или созданный на ее основе экспериментальный образец:  изобретательское предложение или созданный на его основе экспериментальный образец;  образец зарубежной машины, подлежащий копированию или воспроизведению с изменениями. Первый случай наиболее общий, на нем удобнее всего просле- дить процесс проектирования. К техническим заданиям необходимо подходить критически. Конструктор должен хорошо знать отрасль промышленности, для которой проектируют машину. Он обязан про- верить задание и в нужных случаях обоснованно доказать необхо- димость его корректирования. Критический подход особенно необходим тогда, когда заказчи- ком являются отдельные заводы или отрасль промышленности. В 34 последнем случае наряду с удовлетворением требований заказчика целесообразно обеспечить также возможность применения машины на других заводах и в смежных отраслях промышленности. Не всегда учитывают то обстоятельство, что с момента начала проектирования до срока внедрения машины в промышленность проходит определенный период, как правило, тем более длительный, чем сложнее машина. Этот период складывается из следующих эта- пов: проектирования, изготовления, заводской отладки и доводки опытного образца, промышленных испытаний, внесения выявив- шихся в ходе испытаний изменений, государственных испытаний и приемки опытного образца. Далее следует изготовление техниче- ской документации головной серии, изготовление головной серии и ее промышленные испытания. Вслед за этим разрабатывают се- рийную документацию, подготовляют производство к серийному выпуску и, наконец, организуют серийный выпуск. При отсутствии крупных неполадок и осложнений этот процесс длится полтора-два года. Иногда между началом проектирования и началом широкого выпуска машин проходят два-три года и боль- ше. При современных темпах технического прогресса в машино- строении это большой срок. Машины с неправильно выбранными заниженными параметрами, основанные на шаблонных решениях, не обеспечивающие техниче- ского прогресса, несовместимые с новыми представлениями о роли качества и надежности, устаревают уже к началу серийного выпус- ка. Работа, затраченная на проектирование, изготовление и доводку образца, оказывается напрасной, а промышленность не получает нужной машины. 2.1. Конструктивная преемственность Конструктивная преемственность – это использование при про- ектировании предшествующего опыта машиностроения данного про- филя и смежных отраслей, введение в проектируемый агрегат всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин. Почти каждая современная машина представляет собой итог работы кон- структоров нескольких поколений. Начальную модель машины по- степенно совершенствуют, снабжают новыми узлами и агрегатами, обогащают новыми конструктивными решениями, являющимися 35 плодом творческих усилий и изобретательности последующих по- колений конструкторов. Некоторые конструктивные решения с по- явлением более рациональных решений, новых технологических приемов, с повышением эксплуатационных требований отмирают, другие оказываются исключительно живучими и сохраняются дли- тельное время в таком или почти таком виде, какой им придали со- здатели. С течением времени повышаются технико-экономические показатели машин, возрастают их мощность и производительность, увеличивается степень автоматизации, эксплуатационная надежность, появляются новые машины одинакового назначения, но принципи- ально иных конструктивных схем. В соревновании побеждают наиболее прогрессивные и конкурентоспособные конструкции. Особенно важно изучение исходных материалов при разработке новой конструкции. Основная задача заключается в правильном вы- боре параметров машины. Частные конструктивные ошибки испра- вимы в процессе изготовления и доводки машины. Ошибки же в параметрах и в основном замысле машины не поддаются исправ- лению и нередко ведут к провалу конструкции. На этом этапе не следует щадить ни времени, ни усилий на изыскания. Выбору параметров должно предшествовать полное исследова- ние всех факторов, определяющих конкурентоспособность машины. Необходимо изучить опыт выполненных зарубежных и отечествен- ных машин, провести сравнительный анализ их достоинств и недо- статков, выбрать правильный аналог и прототип, выяснить тенден- ции развития и потребности данной отрасли машиностроения. Важным условием правильного проектирования является нали- чие фонда справочного конструктивного материала. Помимо архи- вов собственной продукции конструкторские организации должны иметь альбомы конструкций смежных организаций. Обязательно систематическое углубленное изучение отечественной и зарубеж- ной периодической литературы и патентов. Конструктор должен быть в курсе поисковых и перспективных работ, проводимых научно-исследовательскими институтами в дан- ной отрасли машиностроения. Наряду с изучением опыта той отрасли машиностроения, в кото- рой работает данная конструкторская организация, следует исполь- зовать опыт других смежных и даже отдаленных по профилю от- раслей машиностроения. Это расширяет кругозор конструктора и 36 обогащает арсенал его конструкторских средств. Особенно полезно изучать опыт передовых отраслей машиностроения, где конструк- торская и технологическая мысль, побуждаемая высокими требова- ниями к качеству продукции (авиация) и массовости изготовления (автотракторостроение), непрерывно создает новые конструктивные формы, способы повышения прочности, надежности, долговечности и приемы производительного изготовления. Использование накопленного опыта позволяет решить частные задачи, возникающие при проектировании. Иногда конструктор пы- тается создать какой-либо специализированный узел или агрегат, новый для конструкции данной машины, тогда как подобные узлы давно разработаны в других отраслях машиностроения и апробиро- ваны длительной эксплуатацией. 2.2. Изучение сферы применения машин Развитие машиностроения неразрывно связано с развитием ма- шинопотребляющих отраслей народного хозяйства, к которым от- носится строительство. В промышленности происходит процесс не- прерывного совершенствования: растет объем продукции, сокраща- ется производственный цикл, появляются новые технологические процессы, меняются компоновка линий, состав и расстановка обо- рудования, непрерывно повышается уровень механизации и автома- тизации производства. Соответственно возрастают требования к по- казателям машин, их производительности, степени автоматизации. Некоторые машины с появлением новых технологий в строитель- стве становятся ненужными. Возникает необходимость создания новых машин или коренного изменения старых. Проектированию машин, предназначенных для строительного комплекса, должно предшествовать тщательное изучение его отрас- лей, динамики их количественного и качественного развития, по- требностей в данной категории машин и вероятности появления новых технологических процессов и методов производства. При выборе параметров машины необходимо учитывать кон- кретные условия ее применения. Нельзя, например, произвольно увеличивать производительность машины, не учитывая производи- тельности смежных машин одного комплекта. В некоторых случаях 37 машины с повышенной производительностью могут оказаться в эксплуатации недогруженными и будут больше простаивать, чем работать. Это снижает степень их использования и уменьшает эко- номический эффект. 2.3. Выбор конструкции При выборе параметров машины, основной схемы и типа кон- струкции в центре внимания должны быть факторы, определяющие экономическую эффективность машины: высокая полезная отдача, малые энергопотребление и расходы на обслуживание, низкая стои- мость эксплуатации и длительный срок применения. Схему машины обычно выбирают путем параллельного анализа нескольких вариан- тов, которые подвергают тщательной сравнительной оценке со сто- роны конструктивной целесообразности, совершенства кинематиче- ской и силовой схем, стоимости изготовления, энергоемкости, расхода на рабочую силу, надежности действия, габаритов, металлоемкости и массы, технологичности, степени агрегатности, удобства обслу- живания, сборки-разборки, осмотра, наладки, регулирования. Следует выяснить, в какой мере схема обеспечивает возможность последующего развития, форсирования и совершенствования ма- шины, образования на базе исходной модели производных машин и модификаций. Не всегда удается даже при самых тщательных поисках найти решение, полностью отвечающее поставленным требованиям. Безу- пречный во всех отношениях вариант в конструкторской практике – редкая удача. Дело порой не в недостатке изобретательности, а в про- тиворечивости выдвигаемых требований. В таких случаях прихо- дится идти на компромиссное решение и поступаться некоторыми требованиями, не имеющими первостепенного значения в данных условиях применения машины. Нередко надо выбирать вариант, не столько имеющий наибольшие достоинства, сколько обладающий наименьшими недостатками. После выбора схемы и основных показателей агрегата разраба- тывают компоновку, на основе которой составляют эскизный, тех- нический и рабочий проекты. Разработка вариантов – дело не индивидуальной привычки конструктора, а закономерный метод проектирования, помогающий 38 отыскать наиболее рациональное решение. В качестве примера раз- работки и сравнительного анализа вариантов приведем часто встре- чающийся в машиностроении узел редуцирующей конической зуб- чатой передачи (табл. 2.1). Таблица 2.1 Эскиз Особенности Конструкция наиболее распространенная. Валы колес расположены в одном корпусе, что позволяет при изготовлении обеспечить точное взаимное расположение осей. Доступ к коле- сам свободный – через люк с отъемной крыш- кой. Механизм можно осматривать в сборе. По условиям сборки наружный диаметр малого колеса должен быть меньше диаметра отвер- стий под подшипники вала. Зацепление регулируется мерными шайба- ми m (необходима полная разборка узла установ- ки колес). Редуктор в основном рассчитан на крепление нижней плоскостью с помощью лап Подшипники установлены в промежуточ- ных втулках, что позволяет несколько увели- чить диаметр малого колеса. Для регулирова- ния зацепления достаточно сменить мерные шайбы, подкладываемые под промежуточные втулки. Удобно, если регулировочные шайбы выполнены в виде полуколец (вариант внизу), фиксируемых крепежными болтами. Для сме- ны шайб отвертывают на небольшую величину промежуточную втулку Колеса установлены в отъемных корпусах. Преимущества предыдущей конструкции со- храняются, однако жесткость главного корпуса значительно уменьшается. При изготовлении корпусов необходимо выдержать строгую со- осность центрирующих буртиков и отверстий под подшипники. Редуктор более приспособ- лен для подвесного крепления, хотя возможна установка его нижней плоскостью с помощью лап, отлитых заодно с нижней крышкой 39 Продолжение табл. 2.1 Эскиз Особенности Хвостовик колеса выведен наверх. Проверка зацепления затрудняется. Осматривать меха- низм в сборе нельзя; при снятии корпуса колеса целостность механизма нарушается. Регулиро- вать зацепление можно только по краске с мно- гократными снятиями и повторными установ- ками колеса. Для осмотра внутренней полости редуктора необходимо предварительно отклю- чить вал отбора мощности Корпус выполнен с разъемом в плоскости оси шестерни. Конструкция обеспечивает прос- тую и удобную сборку и осмотр механизма. Проверка зацепления будет полноценной толь- ко в том случае, если вал шестерни в сборе с подшипниками прижать к нижним постелям подшипников. Изготовление разъемного корпуса значитель- но сложнее, чем целого. Необходимо сначала начисто обработать стыки, соединить половины корпуса на контрольных штифтах и в сборе обра- ботать отверстия под подшипники. Поверхности стыка притирают. Применение уплотняющих прокладок недопустимо (нарушается цилиндрич- ность гнезд подшипников шестерни) Верхняя опора вала колеса перенесена в крышку. Расстояние между опорами увеличено, радиальные нагрузки на подшипники умень- шены. Недостаток конструкции – затруднитель- ность осмотра и регулирования механизма в сборе. При снятии крышки вал колеса остается на нижней опоре; отсутствие его фиксации не позволяет проверить правильность зацепления. Кроме того, расположение опор в разных дета- лях ухудшает центрирование вала. Необходима обработка отверстий под подшипники в сборе корпуса и крышки, что усложняет технологию изготовления 40 Продолжение табл. 2.1 Эскиз Особенности Вал колеса установлен на двух подшип- никах в крышке. Регулирование зацепления возможно только по краске. Осмотр механизма в сборе затруднителен. Для снятия крышки с колесом необходимо предварительно вынуть шестерню, вследствие чего механизм оказыва- ется разобщенным Вал колеса смонтирован в верхнем приливе корпуса. Доступ к механизму – через нижнюю крышку. Конструкция приемлема при подвес- ном креплении редуктора и неприменима, если его необходимо устанавливать нижней плоско- стью (для осмотра механизмов пришлось бы снимать весь редуктор) Вал колеса установлен в нижнем приливе корпуса. Привод выведен вверх. Участок за- цепления просматривается с торца зубьев после снятия верхней крышки. Для осмотра механизма необходимо предварительно от- ключить вал отбора мощности от колеса Передний подшипник вала шестерни уста- новлен в перегородке n, прилитой к боковым стенкам корпуса. Механизм просматривается в сборе после снятия несущей верхней крышки. Недостаток конструкции – участок зацепления заслонен перегородкой Внутренний подшипник вала шестерни пе- ренесен на противоположную стенку корпуса, что обеспечивает хорошую разноску опор и удобный осмотр механизма. Возможен отбор мощности с вала шестерни. Недостаток кон- струкции: нельзя разобрать зубчатые колеса порознь; для снятия колеса необходимо предва- рительно демонтировать шестерню 41 Окончание табл. 2.1 Эскиз Особенности Подшипники колеса и внутренний подшип- ник шестерни установлены в приливе корпуса. Осмотр механизма через нижнюю несущую крышку; участок зацепления просматривается с торца зубьев. Для осмотра необходимо предва- рительно отключить вал отбора мощности. Кон- струкция допускает только подвесное крепление Тот же вариант, но с выводом вала колеса вверх и с креплением редуктора нижней плос- костью Вариант с выводом вала колеса вниз, до- пускающий осмотр механизма без отключения вала отбора мощности. Крепление с помощью боковых лап или приливов на нижней крышке Тот же вариант, но с выводом вала колеса вверх Вариант со сниженной высотой корпуса и штампованной крышкой большого размера, обеспечивающей удобный обзор механизма 42 Для упрощения не рассмотрены возможные конструктивные ва- рианты подвода и отбора крутящего момента, типа опор, способов фиксации осевого положения зубчатых колес. Даны только вариан- ты общей компоновки передачи, конструкции корпуса, расстановки опор, систем сборки и проверки зацепления. Окончательный выбор варианта редуктора зависит от условий его применения и установки. Наибольшими достоинствами для об- щих условий применения обладают конструкции 1–3. При необхо- димости сокращения габарита и массы передачи целесообразно при- менять компактные конструкции 12–16. 2.4. Метод инверсии Среди приемов, облегчающих сложную работу конструирования, видное место занимает метод инверсии (обращение функций, форм и расположения деталей). В узлах иногда бывает выгодным поменять детали ролями, например, ведущую деталь сделать ведомой, направляющую – направляемой, охватывающую – охватываемой, неподвижную – подвижной. Целесообразно иногда инвертировать формы деталей, например, наружный конус заменить внутренним, выпуклую сфе- риче-скую поверхность – вогнутой. В других случаях оказывается выгодным переместить конструктивные элементы с одной детали на другую, например, шпонку с вала на ступицу или боек с рычага на толкатель. Каждый раз конструкция при этом приобретает новые свойства. Дело конструктора – взвесить преимущества и недостатки исход- ного и инвертированного вариантов с учетом надежности, техноло- гичности, удобства эксплуатации и выбрать наилучший из них. У опытного конструктора метод инвертирования является неотъемле- мым инструментом мышления и значительно облегчает процесс поисков решений, в результате которых рождается рациональная конструкция. В табл. 2.2 приведены примеры инвертирования типовых маши- ностроительных узлов. 43 Таблица 2.2 Схемы Сравнительная характеристика схем I II Привод тяги В схеме I рычаг 1 приводит в действие тягу 2 через ось 3, установленную в вилке тяги. В схе- ме II ось установлена в вилке рычага. Результат инверсии – устранение поперечных сил на тягу. В конструкции по схеме II затруднительна обра- ботка проушины тяги Привод толкателя В схеме I боек коромысла 4 плоский, тарелка толкателя 5 – сферическая, в схеме II – наоборот. Инверсия устраняет поперечные нагрузки на толкатель. Боек можно выполнить цилиндриче- ским, что обеспечивает линейный контакт Привод коромысла В схеме I тяга выполнена со сферическим наконечником 6, в схеме II сферическим выпол- нен боек 7 коромысла. Инверсия улучшает смаз- ку соединения (масло, находящееся в полости привода, скапливается в чаше тяги) Ниппельное соединение В схеме I ниппель 8 затягивается внутренней гайкой 9, в схеме II – наружной 10. Осевые габа- риты в схеме II меньше, а радиальные несколько больше Ниппельное соединение В схеме I ниппель 11 выполнен с внутренним конусом, в схеме II – с наружным. Осевые габа- риты в схеме II меньше Сферическое соединение трубопроводов Замена полной сферы (схема I) двумя кон- центричными полусферами (схема II) значитель- но сокращает осевые габариты. Изготовление узла, однако, усложняется Направляющая Схема II выгоднее схемы I по условиям сма- зывания 44 Продолжение табл. 2.2 Схемы Сравнительная характеристика схем I II Крепление шпильки Схема II повышает прочность резьбового со- единения (податливость бобышки у начальных витков способствует более равномерному рас- пределению нагрузки по виткам) Крепление турбинной лопатки В схеме I лопатка 12 крепится вильчатой ножкой на Т-образном кольцевом шипе рото- ра 13. В схеме II – Т-образной ножной в кольце- вом пазу ротора. Схема II уменьшает массу, увеличивает жесткость и упрощает изготовление лопатки Переставной винт В схеме I винт с коротким резьбовым поясом 14 перемещается в корпусе с резьбой, длина которой равна ходу винта. В схеме II резьба нарезана по всей длине винта; корпус имеет короткий резьбовой пояс 15. Облегчается изго- товление (нарезание длинной резьбы в отверстии затруднительно). При одинаковом диаметре d резьбы прочность винта в схеме II выше Установка шатуна в вилке В схеме I ось 16 закреплена в шатуне и вра- щается в подшипниках вилки, в схеме II – наоборот. Схема II улучшает условия работы подшипника вследствие увеличения его жестко- сти и более благоприятного отношения длины к диаметру Направляющая шпонка В схеме I направляющая шпонка 17 установ- лена на валу и имеет длину, равную ходу ступи- цы 18. В схеме II шпонка 19 установлена в сту- пице и перемеается в продольном пазу вала. Схема облегчает изготовление узла и улучшает направление Переставной механизм В схеме I приводная головка 20 перемещает- ся по неподвижной штанге 21. В схеме II головка закреплена на штанге, которая перемещается в направляющих втулках 22 корпуса. Точность направления значительно повышается, попереч- ные силы на головке и переставная сила умень- шаются 45 Продолжение табл. 2.2 Схемы Сравнительная характеристика схем I II Привод штока роторной машины В схеме I шток 23 приводится в поступательно- возвратное движение двумя роликами 24, обка- тывающими дисковый копир 25, а в схеме II – одним роликом 26, перемещающимся между двумя копирами 27. Схема II резко сокращает осевые размеры узла Узел пружинной амортизации рычага В схеме I головка рычага воздействует на две пружины, опертые в корпусе. В схеме II рычаг сделан вильчатым и воздействует на одну пру- жину, работающую в обоих направлениях. Схе- ма сокращает осевые размеры узла Пружина растяжения Замена пружины растяжения (схема I) пру- жиной сжатия с реверсом (схема II) повышает надежность и долговечность узла (пружины сжатия прочнее пружин растяжения). Конструк- ция по схеме II, однако, значительно сложнее, чем по схеме I Перепускной клапан В схеме I клапан направляется стержнем 28, запрессованным в копусе, а в схеме II – хвосто- виком 29, скользящим в отверстии корпуса. Точ- ность направления в схеме II значительно выше (направляющее отверстие и седло обрабатыва- ются с одного установа) Фиксатор В схеме I фиксатор расположен в ступенча- том отверстии и направляется хвостовиком и головкой; в схеме II фиксатор выполнен в виде стакана, внутри которого размещена пружина. Схема II технологичнее (сквозное отверстие), конструкция, однако, сложнее Шлицевая муфта В схеме I переходник 30 имеет наружные шлицы, а приводные диски – внутренние. В схе- ме II переходник 31 выполнен с внутренними шлицами, а диски с наружными. Схема II выгод- нее по осевым размерам и технологичности (внутренние шлицы обрабатывают напроход) 46 Окончание табл. 2.2 Схемы Сравнительная характеристика схем I II Промежуточное зубчатое колесо Установка шестерни на оси (схема II) улуч- шает условия работы подшипника вследствие увеличения его жесткости. В схеме II ось нагру- жена силой постоянного направления; в схеме I нагрузка на вал циклическая (круговой изгиб) Промежуточное зубчатое колесо Установка шестерни на подшипниках каче- ния на оси (схема II) уменьшает долговечность подшипников (вращаются наружные кольца под- шипников, тогда как на схеме I – внутренние). Нагрузка на наружные кольца в схеме I – посто- янного направления. Схема II иногда целесооб- разна по габаритным условиям (например, кон- сольная установка шестерни) Гидравлический сервоцилиндр В схеме I поршень 32 перемещается в непо- движном цилиндре 33, в схеме II неподвижен пор-шень 34; по нему перемещается цилиндр 35. В схеме II возможен привод от любой точки по высоте цилиндра. Маслораспределительная сис- тема и конструкция узла сложнее, чем в схеме I 2.5. Компонование Компонование обычно состоит из двух этапов: эскизного и рабо- чего. В эскизной компоновке разрабатывают основную схему и об- щую конструкцию агрегата (иногда несколько вариантов). На осно- вании анализа эскизной компоновки составляют рабочую компо- новку, уточняющую конструкцию агрегата и служащую исходным материалом для дальнейшего проектирования. При компоновании важно уметь выделить главное из второсте- пенного и установить правильную последовательность разработки конструкции. Попытка скомпоновать одновременно все элементы конструкции является ошибкой, которая свойственна начинающим конструкторам. Получив задание, определяющее целевое назначение и параметры проектируемого агрегата, конструктор нередко начинает 47 сразу вырисовывать конструкцию в целом во всех ее подробностях, с полным изображением конструктивных элементов, придавая компо- новке такой вид, который должен иметь лишь сборочный чертеж конструкции в техническом или рабочем проекте. Конструировать так – значит почти наверняка обрекать конструкцию на нерациональ- ность. Получается механическое нанизывание конструктивных эле- ментов и узлов, расположенных заведомо нецелесообразно. Компоновку следует начинать с решения главных вопросов – выбора рациональных кинематической и силовой схем, правильных размеров и формы деталей, определения наиболее целесообразного взаимного их расположения. При компоновании надо идти от обще- го к частному, а не наоборот. Выяснение подробностей конструк- ции на данном этапе не только бесполезно, но и вредно, так как от- влекает внимание конструктора от основных задач компонования и сбивает логический ход разработки конструкции. Другое основное правило компонования – разработка вариантов, углубленный их анализ и выбор наиболее рационального. Ошибочно, если конструктор сразу задается направлением конструирования, вы- бирая или первый пришедший в голову тип конструкции или прини- мая за образец шаблонную конструкцию. Самое опасное на данном этапе проектирования поддаться психологической инерции и оказаться во власти стереотипов. Вначале необходимо продумать все возможные решения и выбрать из них оптимальное для данных условий. Это требует труда и дается не сразу, а иногда в результате длительных поисков. Полная разработка вариантов необязательна. Обычно достаточно карандашных набросков от руки, чтобы получить представление о перспективности варианта и решить вопрос о целесообразности продолжения работы над ним. Иногда конструктор даже не может объяснить, почему он изби- рает одно направление конструирования и отвергает другое, огра- ничиваясь лаконичным «не нравится». У одного конструктора за этой, на первый взгляд вкусовой мотивировкой, на самом деле скрывается безошибочное предвидение конструктивных, технологических, экс- плуатационных и других осложнений, которые несет с собой отвер- гаемое направление. В процессе компонования необходимо производить расчеты, хо- тя бы ориентировочные и приближенные. Основные детали кон- струкции должны быть рассчитаны на прочность и жесткость. До- 48 веряться интуиции при выборе размеров и форм деталей нельзя. Правда, есть опытные конструкторы, которые почти безошибочно устанавливают размеры и сечения, обеспечивающие принятый в данной от-расли машиностроения уровень напряжений. Однако, копируя шаблонные формы и придерживаясь традиционного уровня напряжений, нельзя создать прогрессивные конструкции. Неправильно всецело полагаться и на расчет. Во-первых, суще- ствующие методы расчета на прочность не учитывают ряда факто- ров, определяющих работоспособность конструкции. Во-вторых, есть детали, не поддающиеся расчету (например, сложные корпусные де- тали). В-третьих, необходимые размеры деталей зависят не только от прочности, но и от других факторов. Конструкция литых деталей определяется в первую очередь требованиями литейной технологии. Для механически обрабатываемых деталей следует учитывать сопро- тивляемость силам резания и придавать им необходимую жесткость. Термически обрабатываемые детали должны быть достаточно мас- сивными во избежание коробления. Размеры деталей управления нужно выбирать с учетом удобства манипулирования. Необходимое условие правильного конструирования – постоян- но иметь в виду вопросы изготовления и с самого начала придавать деталям технологически целесообразные формы. Опытный кон- структор, компонуя деталь, сразу делает ее технологичной; начи- нающий должен постоянно обращаться к консультации технологов. Компоновку необходимо вести на основе нормальных размеров (диаметры посадочных поверхностей, размеры шпоночных и шли- цевых соединений, диаметры резьб и т. д.). Особенно это важно при компоновании узлов с несколькими концентричными посадочными поверхностями, а также ступенчатых деталей, форма которых в зна- чительной степени зависит от градации диаметров. Одновременно следует добиваться максимальной унификации нор- мальных элементов. Элементы, неизбежные по конструкции главных деталей и узлов, рекомендуется использовать в остальных частях конструкции. При компоновании должны быть учтены все условия, определяю- щие работоспособность агрегата, разработаны системы смазки, охла- ждения, сборки-разборки, крепления агрегата и присоединения к нему смежных деталей (приводных валов, коммуникаций, электропроводки); предусмотрены условия удобного обслуживания, осмотра и регулиро- 49 вания механизмов; выбраны материалы для основных деталей; проду- маны способы повышения долговечности, увеличения износостойко- сти трущихся соединений, способы защиты от коррозии; исследованы возможности форсирования агрегата и определены его границы. Не всегда компонование идет гладко. В процессе проектирования часто обнаруживают незамеченные в первоначальных прикидках не- достатки, для устранения которых приходится возвращаться к ранее забракованным схемам или разрабатывать новые. Техника компонования. Компонование лучше всего вести в масштабе 1:1, если это допускают габаритные размеры проектируе- мого объекта. При этом легче выбрать нужные размеры и сечения деталей, составить представление о соразмерности частей конст- рукции, прочности и жесткости деталей и конструкции в целом. Вместе с тем такой масштаб избавляет от необходимости нанесения большого числа размеров и облегчает последующие процессы про- ектирования в частности, деталировку. Размеры деталей в этом слу- чае можно брать непосредственно с чертежа. Вычерчивание в уменьшенном масштабе, особенно при сокра- щениях, превышающих 1:2, сильно затрудняет процесс компоновки, искажая пропорции и лишая чертеж наглядности. Если размеры объекта не позволяют применить масштаб 1:1, то отдельные сбо- рочные единицы и агрегаты объекта следует во всяком случае ком- поновать в натуральную величину. Компоновку простейших объектов можно разрабатывать в одной проекции, в которой конструкция выясняется наиболее полно. Фор- мы конструкции в поперечном направлении восполняются прост- ранственным воображением. При компоновке более сложных объектов указанный способ мо- жет вызвать существенные ошибки; в таких случаях обязательна раз- работка во всех необходимых видах, разрезах и сечениях. 3. Масса и материалоемкость конструкций машин Масса имеет наибольшее значение в транспортном машинострое- нии, особенно в авиации. В общем машиностроении уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости из- готовления. 50 Наибольшие возможности экономии металла заложены в сниже- нии массы изделий массового выпуска. Это не освобождает от необ- ходимости добиваться снижения массы машин единичного и малого выпуска, поскольку суммарный их выпуск составляет значительную долю всей машиностроительной продукции. Следует оговориться, что уменьшение массы конструкции не яв- ляется безусловной самоцелью. Расходы на материал составляют в общем небольшую часть стоимости машин и очень мало влияют на экономический эффект за все время эксплуатации машины, ко- торый зависит главным образом от надежности машины. Если умень- шение массы сопряжено с опасностью уменьшения надежности ма- шины, то целесообразно, особенно в общем машиностроении, сдер- жать тенденцию к снижению массы. Лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надежную. От понятия «масса» следует отличать понятие металлоемкости. Они не равнозначны. Пусть две машины одинаковых размеров и с одинаковыми пара- метрами изготовлены одна преимущественно из стали и чугуна, а другая – из легких сплавов (алюминиевых). Очевидно, масса вто- рой машины меньше массы первой приблизительно во столько раз, во сколько раз плотность тяжелых материалов больше плотности легких (в данном случае приблизительно в 2 раза). Металлоемкость, рассматриваемая как количество вложенного в машину металла, у них одинаковая. Уменьшения массы с параллельным снижением металлоемкости добиваются приданием деталям рациональных сечений и форм, це- лесообразным использованием прочности материалов, применени- ем прочных материалов, рациональных конструктивных схем, устранением излишних запасов прочности, заменой металлов неме- таллическими материалами. 3.1. Рациональные сечения Максимального снижения массы можно добиться приданием де- талям равнопрочности. Идеальный случай, когда напряжения в ка- ждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения одинаковые, возможен только при некоторых видах нагру- жения, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (растяже- 51 ние-сжатие, отчасти сдвиг) и когда отсутствуют значимые концен- траторы напряжений. При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. Они макси- мальны в крайних точках сечения, а в других могут снижаться до ну- ля, например, на нейтральной оси сечения, подвергаемого изгибу. В этих случаях можно только приблизиться к условию полной рав- нопрочности выравниванием напряжений по сечению, удалением металла из наименее напряженных участков сечения и сосредоточе- нием его в наиболее напряженных местах – на периферии сечения. В качестве примера рассмотрим цилиндрическую деталь, под- вергаемую изгибу или кручению. Напряжения в массивной детали круглого сечения (нормальные напряжения при изгибе и напряжения сдвига при кручении) распре- деляются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения (на рис. 3.1, а эпюра напряжений для случая изгиба условно совме- щена с плоскостью чертежа). Рис. 3.1. Напряжения в цилиндрических сечениях Удаление слабонагруженного металла из центра сечения, т. е. придание сечению кольцевой формы, обеспечивает более равномер- ное распределение напряжений в остающихся участках (рис. 3.1, б). Чем тоньше стенки кольца, т. е. чем больше отношение d/D, тем равномернее распределение напряжений. При сохранении постоян- 52 ного наружного диаметра уровень напряжений в стенках, есте- ственно, повышается. Однако небольшим увеличением наружного диа-метра легко привести напряжения к прежнему уровню и даже значительно их снизить (рис. 3.1, в и г). Этот принцип, который можно назвать принципом равного напряжения по сечению, применим к сечениям любой формы. 3.2. Прочность и жесткость профилей Показатели прочности и жесткости профилей. Относительную выгодность по массе профилей при нагружении изгибом характери- зуют величинами W/F и I/F (приведенная прочность и жесткость профиля). Формулы для определения прочности и жесткости различных профилей при работе на изгиб в вертикальной плоскости приведены в табл. 3.1. Выгодность профилей резко возрастает с увеличением  и е (уто- нение стенок, увеличение размеров сечения). При е = 0,9 и  = 0,95 приведенная прочность увеличивается приблизительно в 6 раз, а жесткость в 15 раз по сравнению с исходным профилем. Прочность и жесткость круглых полых профилей. Для маши- ностроения наибольший интерес представляют круглые профили (ва- лы, оси и другие цилиндрические детали). Рассмотренные в настоящем разделе закономерности лежат в ос- нове характерной для современного машиностроения тенденции при- менять тонкостенные, оболочковые и другие подобные конструкции для деталей, которые должны обладать высокой прочностью и жесткостью при наименьшей массе. Опасность потери местной устойчивости под действием рабочих нагрузок предотвращают уве- личением местной жесткости, главным образом усилением слабых мест связями, работающими предпочтительно на растяжение- сжатие. Исследования показывают, что увеличение относительного размера наружных диаметров с одновременным введением внутренних поло- стей и отверстий приводит к резкому возрастанию прочности и жест- кости при одновременном уменьшении массы, улучшает условия ра- боты валов и сопряженных с ними деталей. В современных машинах высокого класса массивные валы почти полностью заменены полыми. Таблица 3.1 Эскиз F, мм2 W, мм I, мм2 W F F 2i I F 2 4 D  30,1 D 40,05 D 0,14 0,08 2B 3 6B 4 12B 0,166 0,083 2B c ( c H B ) 3 2 6B c 4 3 12B c 0,166 ñ 0,083с  2 21 4 D a  ( a d D )  3 40,1 1D a   4 40,05 1D a    4 2 3/2 0,14 1 (1 ) a a    4 2 2 0,08 1 (1 ) a a    2 21B e  ( e b B )  3 41 6B e   4 41 12B e    4 3/2 2 1 6 1 e e     4 2 2 1 12 1 e e    1BH e   ( e b B , /h H )  2 31 6 BH e    3 31 12 BH e       3 3/2 1 6 1 c e e          3 2 1 6 1 c e e      5 3 54 3.3. Равнопрочность В случае кручения, изгиба и сложных напряженных состояний, ко- гда равенство напряжений по сечению принципиально недостижимо, равнопрочными считают детали, у которых одинаковые максимальные напряжения в каждом сечении (с учетом концентрации напряжений). При изгибе условие равнопрочности заключается в равенстве от- ношения рабочего изгибающего момента, действующего в каждом данном сечении, к моменту сопротивления данного сечения. При кручении это условие состоит в равенстве моментов сопротивления кручению каждого сечения детали; при сложных напряженных со- стояниях – в равенстве запасов прочности. Понятие равнопрочности применимо и к нескольким деталям, и к конструкции в целом. Равнопрочными являются конструкции, детали которых имеют одинаковый запас прочности по отношению к дей- ствующим на них нагрузкам. Это правило распространяется и на дета- ли, выполненные из различных материалов. Так, равнопрочными яв- ляются стальная деталь с напряжением 200 МПа при пределе текуче- сти 600 МПа и деталь из алюминиевого сплава с напряжением 100 МПа при пределе 300 МПа. В обоих случаях коэффициент запаса прочности равен 3. Значит обе детали одновременно придут в состояние пласти- ческой деформации при повышении втрое действующих на них нагру- зок. Независимо от этого каждая из сравниваемых деталей может еще обладать равнопрочностью в указанном выше смысле, т. е. иметь оди- наковый уровень напряжений во всех сечениях. Рабочие нагрузки и напряжения определяют расчетом. Деталь, рассчитанная как равнопрочная, будет действительно равнопрочной, если расчет правильно определяет истинное распределение напря- жений во всех ее частях, что далеко не всегда имеет место. Формы, требуемые условием равнопрочности, иногда трудно вы- полнить технологически, и их приходится упрощать. Неизбежные почти во всякой детали дополнительные элементы (цапфы, буртики, канавки, выточки, резьбы), вызывающие иногда местное усиление, а чаще концентрацию напряжений и местное ослабление детали, также вносят поправки в истинное распределение напряжений в детали. По всем этим причинам понятие равнопрочности деталей относи- тельно. Конструирование равнопрочных деталей практически сво- 55 дится к приблизительному воспроизведению оптимальных форм, диктуемых условием равнопрочности, при всемерном уменьшении влияния всех источников концентрации напряжений. Следует иметь в виду, что при прочих одинаковых условиях жесткость равнопрочных деталей меньше, чем жесткость деталей, имею-щих хотя бы местные повышенные запасы прочности. На рис. 3.2 представлены способы придания равнопрочности ци- линдрической детали, опертой по концам и подвергающейся изгибу поперечной силой, приложенной посередине пролета. Рис. 3.2. Придание цилиндрическим деталям равнопрочности: а – исходные формы; б – равнопрочные формы; в – конструктивное оформление равнопрочных деталей 3.4. Облегчение деталей Если полную равнопрочность трудно обеспечить из-за сложной конфигурации детали и неопределенности действующих в ней напряжений, то ограничиваются удалением металла из явно мало- напряженных участков, находящихся в стороне от силового потока. 56 Шестерни 1 типа дисков (рис. 3.3) целесообразно облегчать выбор- ками 2. Фланцевые валы 3 облегчают удалением излишнего материала под центрирующими буртиками и буртиками для фиксации головок болтов 4, а также заменой прямоугольного сопряжения фланца с ра- диусным валом 5. Уменьшение массы сопряжения в последнем слу- чае составляет около 20 %. Значительного уменьшения массы можно достичь изменением круглой формы фланца на многоугольную 6 или форму с выкружка- ми 7. Выигрыш в массе зависит от числа болтов. В рассматривае- мом случае (шесть болтов) он очень велик. Масса болтового пояса фланца 6 уменьшается примерно на 30 %, а фланца 7 – на 40 % по сравнению с круглым фланцем. В коленчатых валах 8 внешние углы т щек не участвуют в пере- даче сил от шатунных шеек к коренным. Удаление этих углов, не снижая прочности вала 9, дает заметный выигрыш в массе. Равным образом целесообразно удаление излишнего материала на участках п щек 10–12. Последовательные этапы 13–17 облегчения консольного вала шес- терни также показаны на рис. 3.3. Коническое зубчатое колесо 18 можно облегчить удалением ча- сти зубьев на меньшем диаметре 19, мало участвующих в передаче сил вследствие пониженной их жесткости. Помимо выигрыша в мас- се укорочение зубьев способствует более равномерному распреде- лению нагрузки по длине зуба и уменьшению действующей на зубья силы вследствие увеличения среднего радиуса ее приложения. Клеммные соединения 20 облегчают удалением избыточного ма- териала на ушках и у основания клеммы 21. Детали типа кронштей- нов 22, работающие на изгиб, можно облегчить удалением мало- нагруженного материала в центральной части корпуса кронштейна 23. В конструкциях 24–26 пазового поводка облегчение достигнуто изменением наружной конфигурации диска поводка, в конструкци- ях 27–29, помимо того, – уменьшением толщины диска. Ширина рабочих граней пазов, определяющая несущую способность повод- ка, сохранена прежней путем окантовки пазов. Двутавровый рычаг 30 можно облегчить удалением неработающих средних участков тавра 31 или приданием рычагу решетчатой фер- менной формы 32. 57 Рис. 3.3. Примеры облегчения деталей 58 На рис. 3.4 приведены примеры уменьшения массы деталей типа пробок 1–6, резьбовых валов 7–9, ступенчатых валов 10–12, ступен- чатых отверстий 13–15, втулок 16–19, дисков 20–21, кольцевых гаек 24–26. Рис. 3.4. Примеры облегчения мелких деталей При облегчении цилиндрических деталей типа дисков, крышек, колец, а также деталей с фигурными наружными очертаниями, например в виде многоугольников, следует иметь в виду, что наибольший эффект дает снятие материала с периферии и относи- тельно меньший – на участках, близких к центру. Массу деталей можно заметно снизить увеличением радиусов сопряжения стенок детали, т. е. приданием им более плавных очертаний. 3.5. Листовые штампованные конструкции 59 Действенным средством уменьшения массы является применение листовых штампованных конструкций. Детали в виде тел вращения изготовляют раскатыванием на токарных станках (в условиях еди- ничного или мелкосерийного производства) или штамповкой. В се- рийном производстве, когда масштаб выпуска оправдывает изготов- ление штампов, целесообразно переводить на листовую штамповку крупные детали (щитки, панели, кожухи, диафрагмы, обтекатели, облицовки и др.). Пониженную прочность и жесткость тонколистовых конструкций компенсируют приданием скорлупчатых или сводчатых форм, вы- давливанием рельефов, отбортовкой, введением связей, приваркой профилей жесткости. В рамных и ферменных конструкциях значительного снижения массы можно достичь применением облегченных холодногнутых про- филей из листового материала, изготовляемых на роликовых про- филегибочных станках. 3.6. Влияние вида нагружения Один из основных способов уменьшения массы – рациональное нагружение деталей с максимальным использованием их материала. При изгибе сечение работает преимущественно крайними точка- ми, расположенными в плоскости действующей силы. По мере при- ближения к нейтральной оси напряжения уменьшаются вплоть до нуля. В случае кручения все точки периферии нагружены одинако- во. Однако напряжения в кольцевых сечениях убывают по мере приближения к центру, где они становятся равными нулю. Наиболее выгоден случай растяжения-сжатия, когда все точки сечения работают при одинаковом напряжении и материал исполь- зуется наиболее полно. Где только возможно, следует заменять изгиб растяжением-сжати- ем, как это делается, например, в стержневых и ферменных системах. Там, где изгиб неизбежен по функциональному назначению де- тали, его отрицательное влияние следует компенсировать следую- щими конструктивными мерами: 60  применять рациональные сечения с разноской материала по направлению действия максимальных напряжений (сечения с более равномерным распределением напряжений);  уменьшать изгибающий момент сокращением плеча изгибаю- щей силы, т. е. уменьшать пролеты между опорами, рационально расставлять опоры и устранять консольное нагружение, невыгодное по напряжениям и деформациям. В системах, работающих на растяжение-сжатие, изгиб нередко возникает в результате асимметрии сечений, внецентренного прило- жения нагрузки или криволинейности формы детали. У деталей, подвергающихся изгибу, асимметрия сечений вызы- вает кручение и появление лишних напряжений сдвига, суммирую- щихся с напряжениями изгиба. В деталях, подвергающихся чистому изгибу, целесообразно вво- дить некоторую асимметрию сечений с целью уменьшения напря- жений растяжения за счет увеличения напряжений сжатия. Большинство конструкционных материалов лучше сопротивля- ется сжатию, чем растяжению. Разрушение почти всегда начинается на участках, подвергающихся растяжению, а не сжатию, т. к. первое способствует выявлению внутренних дефектов материала (микро- трещин, микропор и т. п.), которые, разрастаясь под действием рас- тягивающих напряжений, являются началом разрушения. Напряже- ния сжатия, напротив, способствуют закрытию микродефектов. В реальных конструкциях использовать это преимущество дале- ко не всегда возможно, т. к. пластические деформации наиболее на- груженных на сжатие элементов системы (а в ферменных системах еще и продольный их изгиб) могут сделать систему неработоспо- собной вследствие нарушения ее геометрии, хотя разрушение си- стемы еще не наступит. 3.7. Совершенство конструктивной схемы Наибольшие возможности уменьшения массы заложены в при- менении рациональных конструктивных схем с наименьшим числом деталей и наиболее выгодным течением силового потока. Сокращение звеньев механизма и устранение излишних звеньев способствуют значительному снижению массы агрегата. 61 Эффективным также может оказаться стремление сделать кон- струкцию более компактной. Примером рационального размещения деталей с целью уменьшения объема и габаритных размеров мо- жет служить двухступенчатый редуктор. Исходную конструкцию (рис. 3.5, а), выполненную по обычной трехвальной схеме, можно сделать более компактной и легкой, если, конечное зубчатое коле- со 4 перебора установить соосно с начальным колесом 1 (рис. 3.5, б, «двухвальная схема»). Рис. 3.5. Уменьшение габаритных размеров и массы двухступенчатого редуктора Дальнейшее снижение размеров и массы можно осуществить уменьшением диаметра зубчатых колес (рис. 3.5, в). Повышение окружных сил можно компенсировать увеличением длины зуба, пере- ходом на косой или шевронный зуб, изготовлением колес из более прочных и твердых материалов и применением рациональной смазки. Следует всемерно использовать габариты для размещения наибольшего возможного числа рабочих элементов. Этот принцип, который можно назвать принципом плотной упаковки, позволяет добиться значительного выигрыша в габаритных размерах и массе или в тех же размерах увеличить несущую способность конструк- ции. Масса конструкции во многом зависит от силовой схемы, т. е. от способа восприятия и замыкания главных действующих в конст- рукции нагрузок. Силовая схема рациональна, если силы замыкают- 62 ся на коротком участке элементами, работающими предпочтитель- но на растяжение или сжатие. Целесообразно использовать имею- щиеся элементы конструкции, т. к. введение специальных элемен- тов увеличивает массу. Привод роторной машины 1 через редуктор 2 и коническую ше- стеренную передачу 3 (рис. 3.6, а) нерационален. Возникающие на шестернях радиальные и осевые силы нагружают валы и корпусы ма- шины и редуктора. Установка отличается большими размерами. Це- лесообразен привод от фланцевого электродвигателя через соосный редуктор 4, смонтированный непосредственно на корпусе машины (рис. 3.6, б). В этом случае реактивные силы привода уравновешива- ются наикратчайшим путем в корпусе редуктора, не вызывая допол- нительных нагрузок на элементы системы. Габариты установки резко сокращаются. Помимо этого, все приводные механизмы получаются закрытыми, что позволяет организовать правильную их смазку. а) б) Рис. 3.6. Улучшение силовых схем Значительный выигрыш по массе можно получить применением многопоточных схем, т. е. разделением силового потока на несколь- ко параллельных ветвей. Передача крутящего момента через несколько параллельно рабо- тающих зубчатых колес (каскадные передачи, многосателлитные пла- нетарные передачи) уменьшает нагрузки на зубья пропорционально числу потоков и разгружает опоры центрального колеса от ради- альных сил привода. Для некоторых категорий машин, работающих на жидкостях или газах (гидравлические прессы, воздушные и паровоздушные молоты, пневматические и гидравлические приводы), значительного умень- 63 шения размеров и массы можно добиться увеличением давления ра- бочей жидкости (газа). До известного предела можно повысить ра- бочее давление газов в двигателях внутреннего сгорания (примене- нием наддува и повышением степени сжатия), что позволяет умень- шить рабочий объем цилиндров или при заданном рабочем объеме повысить мощность. В некоторых случаях, например в машинах-генераторах энергии, можно достичь уменьшения массы за счет повышения быстро- ходности. В крупногабаритных агрегатах существенного уменьшения мас- сы и упрощения привода можно достичь децентрализацией привода путем замены механических передач индивидуальными электро- и гидроприводами, связанными цепями управления. Механические коробки скоростей во многих случаях выгодно заменять системами регулируемых электроприводов. Наибольшее уменьшение массы может дать переход на принци- пиально новые схемы машин и процессы. Так, паровые машины вы- теснены паровыми турбинами, допускающими гораздо большую кон- центрацию мощности в одном агрегате при относительно меньшей его массе. Поршневые двигатели внутреннего сгорания в области больших мощностей уступают место газовым турбинам. Паровые турбины, по-видимому, со временем уступят место газовым турби- нам, не требующим громоздкого вспомогательного оборудования (котлы, конденсаторы). В области электроэнергоустановок коренной переворот произведут магнитогазодинамические генераторы, непо- средственно преобразующие тепловую энергию в электрическую. 4. Жесткость конструкций машин Жесткость определяет работоспособность конструкции в такой же (а иногда и в большей) мере, как и прочность. Повышенные де- формации могут нарушить нормальную работу конструкции задол- го до возникновения опасных для прочности напряжений. Нарушая равномерное распределение нагрузки, они вызывают сосредоточен- ные силы на отдельных участках деталей, в результате чего появ- ляются местные высокие напряжения, иногда значительно превос- ходящие номинальные напряжения. 64 Нежесткость корпусов расстраивает взаимодействие расположен- ных в них механизмов, вызывая повышенное трение и износ по- движных соединений; нежесткость валов и опор зубчатых передач нарушает правильное зацепление колес и приводит к быстрому из- носу зубьев; нежесткость цапф и подшипников скольжения вызыва- ет повышенные кромочные давления, появление очагов полужид- костного и полусухого трения, перегрев, заедание или снижение срока службы подшипников; нежесткость неподвижных соедине- ний, подверженных действию динамических нагрузок, вызывает фрикционную коррозию, наклеп и сваривание поверхностей. У технологических машин жесткость рабочих органов определя- ет точность размеров обрабатываемых изделий. В металлорежущих станках точность обработки зависит от жесткости станин и рабочих органов, в прокатных станах точность проката – от жесткости кле- тей и валков. Жесткость имеет большое значение для машин облегченного клас- са (транспортные машины, авиационная, ракетная техника). Стре- мясь облегчить конструкцию и максимально использовать проч- ностные ресурсы материалов, конструктор в данном случае повы- шает уровень напряжения, что сопровождается увеличением деформаций. Широкое применение равнопрочных, наиболее выгод- ных по массе конструкций, в свою очередь, вызывает увеличение де- формаций, т. к. равнопрочные конструкции наименее жесткие. Особую остроту приобретают вопросы жесткости в связи с появле- нием высокопрочных и сверхпрочных материалов, применение кото- рых обусловливает резкое увеличение деформативности конструкций. Нередки случаи недооценки сил, действующих на конструкцию. Очень часто при расчете получают ничтожные рабочие силы, а фак- тически же неожиданно возникают нагрузки, приводящие к полом- кам и выходу из строя деталей. Эти нагрузки могут быть вызваны неточностями монтажа, деформаций недостаточно жестких элемен- тов конструкции, остаточными деформациями, перетяжкой крепеж- ных деталей, повышенным трением и перекосами трущихся частей узла, силами, возникающими при транспортировке и установке ма- шины, и другими факторами, не учитываемыми расчетом. Деформации можно рассчитать лишь в простейших случаях ме- тодами сопротивления материалов и теории упругости. В большин- стве случаев приходится иметь дело с нерасчетными деталями, се- 65 чения которых определяются условиями изготовления (например, технологией литья) или имеющими сложную конфигурацию, затруд- няющую определение напряжений и перемещений. Здесь приходится прибегать к моделированию, эксперименту, опыту имеющихся аналогичных конструкций, а нередко полагаться только на интуицию, вырабатывающуюся с течением времени у кон- структора. Опытный конструктор, зная действующие силы, опреде- ляет более или менее правильно деформации, выявляет слабые места и, пользуясь различными приемами, увеличивает жесткость, компо- нуя рациональную конструкцию. Напротив, конструкции, спроекти- рованные начинающими конструкторами, обычно страдают недо- статком жесткости. 4.1. Критерии жесткости Жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Для машиност- роения можно сформулировать следующее определение: жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагру- зок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособно- сти системы. Понятием, обратным жесткости, является податливость, т. е. свойство системы приобретать относительно большие дефор- мации под действием внешних нагрузок. Для машиностроительных конструкций наибольшее значение имеет жесткость. Однако в ряде случаев важным свойством оказывается и податливость (пружины, рессоры и другие податливые детали). Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляю- щим собой отношение силы Р, приложенной к системе, к мак- симальной деформации f, вызываемой этой силой. Для случая растяжения-сжатия бруса постоянного сечения в пре- делах упругой деформации коэффициент жесткости согласно зако- ну Гука P F EF f f l      , где F – сечение бруса, мм2; l – длина бруса в направлении действия силы, мм. Обратную величину 66 f l P EF    , характеризующую упругую податливость бруса, называют коэффи- циентом податливости. Определенный по относительной деформа- ции (е = f/l) коэффициент жесткости EF  представляет собой условную нагрузку (Н), вызывающую относи- тельную деформацию е = 1. Соответствующий коэффициент подат- ливости 1 EF   представляет собой относительную деформацию при приложении нагрузки 1 Н. Для случая кручения бруса постоянного сечения коэффициент жесткости равен отношению приложенного к брусу крутящего мо- мента Мкр к вызываемому этим моментом углу  (рад) поворота се- чений бруса на длине l (мм): êð êð pM GI l     , где Ip – полярный момент инерции сечения бруса. Для случая изгиба бруса постоянного сечения коэффициент жесткости èçã 3 P EI a f l    , (4.1) где I – момент инерции сечения бруса, мм4; l – длина бруса, мм; а – коэффициент, зависящий от условий нагружения. 67 В табл. 4.1 приведены значения коэффициента жесткости при из- гибе для нескольких случаев нагружения. За единицу принято зна- чение изг, соответствующее изгибу двухопорного бруса, нагружен- ного сосредоточенной силой Р в середине пролета. Таблица 4.1 Схема нагружения изг a Схема нагружения изг а Схема нагружения изг a 1 48 4 192 0,063 3 1,5 77 8 384 0,166 8 При заданной нагрузке и заданных линейных размерах системы жесткость вполне определяется максимальной деформацией f. Эту величину часто применяют для практической оценки деформатив- ности геометрически одинаковых систем. 4.2. Факторы, определяющие жесткость конструкций Жесткость конструкций определяют следующие факторы:  модуль упругости материала (модуль нормальной упругости Е при растяжении-сжатии и изгибе, модуль сдвига G – при сдвиге и кручении);  геометрические характеристики сечения деформируемого тела (сечение F при сдвиге и растяжении-сжатии, момент инерции I при изгибе, полярный момент инерции Iр при кручении);  линейные размеры деформируемого тела (длина l);  вид нагрузки и тип опор (фактор а в формуле (4.1)). Модуль упругости является устойчивой характеристикой метал- лов, мало зависит от термообработки и содержания (в обычных ко- личествах) легирующих элементов и определяется лишь полностью атомно-кристаллической решеткой основного компонента. Однако применение того или иного материала по большей части определя- 68 ется условиями работы детали. Поэтому главным практическим сред- ством увеличения жесткости является маневрирование геометриче- скими параметрами системы. На жесткость сильно влияют размеры и форма сечений. В случае растяжения-сжатия жесткость пропорциональна квадрату, а при из- гибе – четвертой степени размеров сечения (в направлении дей- ствия изгибающего момента). Влияние линейных размеров детали невелико для случая растя- жения-сжатия (жесткость обратно пропорциональна первой степени длины) и очень значительна при изгибе (жесткость обратно пропор- циональна третьей степени длины). Наиболее простой способ уменьшения деформаций – уменьшение уровня напряжений. Однако этот путь нерационален, т. к. он сопря- жен с увеличением массы конструкции. В случае изгиба рациональ- ным способом уменьшения деформаций является целесообразный выбор формы сечений, условий нагружения, типа и расстановки опор. Поскольку влияние линейных параметров системы при изгибе велико, то в данном случае имеются эффективные способы увеличе- ния жесткости, позволяющие уменьшить деформации системы в де- сятки раз по сравнению с исходной конструкцией, а иногда практи- чески полностью исключить изгиб. В случае кручения эффективными средствами повышения жест- кости являются уменьшение длины детали на участке кручения и, особенно, увеличение диаметра, т. к. полярный момент инерции воз- растает пропорционально четвертой степени диаметра. В случае рас- тяжения-сжатия возможность увеличения жесткости гораздо меньше, т. к. форма сечения не играет никакой роли, а деформации зависят только от площади сечения, которая определяется условием прочно- сти. Единственным способом повышения жесткости здесь является уменьшение длины детали. Если же длина задана, то остается только переход на материалы с более высоким модулем упругости. Деформация зависит не только от максимального действующего напряжения в опасном сечении детали, но и от закона распределения напряжений по всем остальным сечениям, т. е. от формы детали по ее длине. Равнопрочные детали (у которых максимальные напряжения во всех сечениях одинаковы) обладают наименьшей жесткостью. Жесткость тонкостенных и составных конструкций. В тонко- стенных, в частности оболочковых, конструкциях особое значение 69 имеет устойчивость системы. Конструкции такого рода склонны в известных условиях при напряжениях, безопасных с точки зрения номинального расчета на прочность и жесткость, подвергаться рез- ким местным или общим деформациям, носящим характер внезап- ного крушения. Главное средство борьбы с потерей устойчивости (наряду с повы- шением прочности материала) – усиление легко деформирующихся участков системы введением местных элементов жесткости или свя- зей между деформирующимися участками и узлами жесткости. В составных конструкциях (в системах из нескольких деталей, соединенных неподвижно) жесткость зависит также от такого фак- тора, редко учитываемого, но имеющего на практике большое зна- чение, как жесткость узлов сопряжения. Наличие зазоров в узлах сопряжения приводит к появлению деформаций, иногда во много раз превосходящих собственные упругие деформации элементов кон- струкции. В подобных узлах следует обращать особое внимание на жесткость крепления и заделки деталей. Эффективными способами увеличения жесткости составных сис- тем являются силовая затяжка соединения, посадка с натягом, уве- личение опорных поверхностей и придание деталям повышенной жесткости на участках сопряжения. 4.3. Конструктивные способы повышения жесткости Главные конструктивные способы повышения жесткости без су- щественного увеличения массы:  всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием;  для деталей, работающих на изгиб, – целесообразная расстанов- ка опор, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения;  рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, уве- личение моментов инерции сечений;  рациональное усиление ребрами, работающими предпочтитель- но на сжатие;  усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому;  блокирование деформаций введением поперечных и диагональ- ных связей; 70  привлечение жесткости смежных деталей;  для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, свод- чатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм;  для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование;  для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, дву- тельных, ячеистых и сотовых конструкций. Замена изгиба растяжением-сжатием. Повышенная жесткость деталей, работающих на растяжение-сжатие, в конечном итоге обу- словлена лучшим использованием материала при этом виде нагруже- ния. В случае изгиба и кручения нагружены преимущественно край- ние волокна сечения. Предел нагружения наступает, когда напряже- ния в них достигают опасных значений, тогда как сердцевина остает- ся недогруженной. При растяжении-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Предел нагру- жения наступает, когда напряжения во всех точках сечения теорети- чески одновременно достигают опасного значения. Кроме того, при растяжении-сжатии деформации детали пропорциональны первой сте- пени ее длины. В случае же изгиба действие нагрузки зависит от рас- стояния между плоскостью действия изгибающей силы и опасным се- чением; деформации здесь пропорциональны третьей степени длины. В качестве примера конструктивного увеличения жесткости рас- смотрим литой кронштейн (рис. 4.1). Жесткость узлов соединения стержней в раскосном кронштейне видоизменяет условия их работы по сравнению с чистой фермой, в которой стержни соединены шар- нирами; все же в случае раскосного кронштейна (рис. 4.1, б) стерж- ни работают преимущественно на растяжение-сжатие, тогда как ба- лочный кронштейн (рис. 4.1, а) подвергается изгибу. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштей- на соединить сплошной перемычкой, связывающей их в жесткую систему (рис. 4.1, в). Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (рис. 4.1, г) значительно менее жесткий, чем кронштейн на рис. 4.1, б, т. к. ко- нец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизи- тельно по направлению действия силы и для ограничения деформа- ций его жесткость не используется. 71 Рис. 4.1. Конструкции литых кронштейнов В тонкостенном цилиндрическом отсеке, несущем поперечную нагрузку Р (рис. 4.2, а), все участки, расположенные по образующим, подвергаются изгибу. Нагрузку воспринимают преимущественно бо- ковые стенки (рис. 4.2, б), параллельные плоскости действия изги- бающего момента (зачернены на рисунке), так как их жесткость в этом направлении во много раз больше жесткости стенок, располо- женных перпендикулярно плоскости действия момента. Рис. 4.2. Консольные тонкостенные системы При конической форме (рис. 4.2, в, г), приближающей конструк- цию к ферменной, стенки конуса, расположенные в плоскости дей- ствия изгибающего момента, работают: верхние на растяжение, а нижние подобно раскосу – на сжатие. Боковые стенки испытывают преимущественно изгиб; их жесткость соизмерима с жесткостью верхних и нижних стенок. Следовательно, при конической форме стенки отсека полностью включаются в работу, прочность и жест- кость конструкции увеличиваются. 72 Связь между растянутыми и сжатыми стенками осуществляют кольца жесткости т, п, которые помимо силового замыкания предотвращают овализацию конуса под действием нагрузки. Такие коль-ца являются непременным условием правильной работы тон- костен-ных отсеков. Близки к конусам по жесткости тюльпанные (рис. 4.2, д), сфери- ческие (рис. 4.2, е), тороидные (рис. 4.2, ж) и аналогичные формы. Пример устранения напряжений изгиба показан также на рис. 4.3. Здесь двухопорная балка, подвергающаяся изгибу (рис. 4.3, а), заме- нена более выгодной стержневой системой (рис. 4.3, б), наклонные стержни которой работают на сжатие, а горизонтальные – на растя- жение. Близка к этому случаю арочная балка (рис. 4.3, в), работаю- щая преимущественно на сжатие. Рис. 4.3. Схемы свободно опертой балки (а), стержневой системы (б) и арочной балки (в) На рис. 4.4, а показан случай нагружения цилиндра осевой си- лой. Нагрузка вызывает прогиб днища цилиндра, передающийся обечайке через пояс сопряжения ее с днищем (деформации показа- ны штриховой линией). Система является нежесткой. При замене цилиндра конусом (рис. 4.4, б) система по основной схеме восприя- тия сил приближается к стержневой ферме. Стенки конуса работают преимущественно на сжатие. Повышенную жесткость имеют сферическая, яйцевидная и тому подобные формы (рис. 4.4, в и г). На рис. 4.4, д–з также приведены примеры жестких конструкций. Существенное условие повышения жесткости и прочности здесь состоит в придании деталям кольцевых поясов жесткости, из кото- рых верхний т работает на сжатие, а нижний п – на растяжение. В усиленных конструкциях (рис. 4.4, и–м) введены элементы, непосредственно воспринимающие силу сжатия: ребра, цилиндры и конусы. 73 Рис. 4.4. Конструкции, работающие на сжатие Блокирование деформаций. В общей постановке задача увели- чения жесткости заключается в том, чтобы найти точки наибольших перемещений системы, деформируемой под действием нагрузки, и предотвратить эти перемещения введением элементов растяжения- сжатия, расположенных по направлению перемещений. Классиче- ским примером решения этой задачи является увеличение жестко- сти рам и ферменных конструкций раскосами. Жесткость стержневой рамы, подвергающейся действию сдвигаю- щих сил Р (рис. 4.5, а), крайне незначительна и определяется только сопротивлением вертикальных стержней изгибу и жесткостью узлов соединения стержней. Введение косынок (рис. 4.5, б) приближает схе- му нагружения стержней к схеме работы заделанных балок и не- сколько уменьшает деформации. Наиболее эффективно введение диагональных связей (раскосов), подвергающихся растяжению или сжатию. Раскос растяжения (рис. 4.5, в) должен при перекосе рамы удлиниться. Так как жест- кость растягиваемого стержня во много раз больше изгибной жест- кости вертикальных стержней, то общая жесткость системы резко возрастает. Аналогично действует раскос сжатия (рис. 4.5, г). Но в этом случае необходимо считаться с возможностью продольного 74 изгиба (потери устойчивости) сжатого стержня, что делает систему менее желательной. Если нагрузка действует попеременно в обоих направлениях, то применяют раскосы перекрестные или чередующегося направления (рис. 4.5, д и е). Рис. 4.5. Схемы действия диагональных связей Увеличение жесткости и прочности консольных конструкций. Если применение консольной установки продиктовано необходи- мостью, то следует принимать все меры к устранению присущих ей недостатков. Необходимо уменьшать вылет консоли, увеличивать жесткость и прочность консольной части конструкции. В ряде случаев можно добиться значительного укорочения кон- соли изменением формы детали. Вылет насадного конического ко- леса (рис. 4.6, а) можно уменьшить, переменив положение ступицы относительно венца (рис. 4.6, б) или изменив конструкцию колеса, выполняя его заодно с валом (рис. 4.6, в). Рис. 4.6. Уменьшение вылета в консольной установке конического зубчатого колеса 75 Из сказанного о недостатках консольных систем отнюдь не вы- текает, что конструктор должен безусловно избегать применения кон- солей. Консольные системы являются вполне закономерным элемен- том конструирования и широко используются на практике. Необхо- димо только знать их особенности и устранять недостатки соответ- ствующими конструктивными мерами. Применение консолей часто обеспечивает более простые, ком- пактные, технологические и удобные для сборки конструкции, чем двух-опорные установки. Жесткость и прочность консолей в большой степени зависят от условий заделки в корпусе. Усиление консоли как таковой беспо- лезно, если узел заделки недостаточно жесткий (рис. 4.7, а). При радиальной заделке консоли придают фланец, который при- тягивают болтами к привалочной плоскости, усиленной ребрами т (рис. 4.7, б). В системе осевой заделки (рис. 4.7, в) консоли придают хвостовик, диаметром примерно равным диаметру консоли, кото- рый крепят запрессовкой или затяжкой в бобышке, жестко связан- ной с корпусом ребрами или (как показано на рисунке) коробкой. Для устойчивого крепления длину заделки делают не менее диамет- ра консоли. В наиболее жесткой системе радиально-осевой заделки консоль крепят одновременно на фланце и на хвостовике, который сажают в бобышке по посадке с натягом или затягивают гайкой (рис. 4.7, г, д). Рис. 4.7. Заделка консолей Рациональное расположение опор. Так как прогиб двухопор- ной балки пропорционален третьей степени пролета, то сближение опор является весьма эффективным средством повышения жестко- 76 сти. Во многих случаях жесткость системы удается увеличить вве- дением дополнительных опор. Рациональные сечения. Для повышения жесткости без увеличе- ния массы деталей необходимо усиливать участки сечений, подвер- гающиеся при данном виде нагружения наиболее высоким напряже- ниям, и удалять ненагруженные и малонагруженные участки. При изгибе напряжены сечения, наиболее удаленные от нейтральной оси. При кручении напряжены внешние волокна по направлению к центру напряжения уменьшаются, и в центре они равны нулю. Следователь- но, целесообразно всеми способами развивать наружные размеры, сосредотачивая материал на периферии и удаляя его из центра. Наибольшей жесткостью и прочностью при наименьшей массе обладают развитые по периферии полые тонкостенные детали типа коробок, труб и оболочек. Придание наиболее целесообразной двутавровой формы профи- лям одинаковой массы увеличивает их прочность в 9–12 раз, а жесткость – в 40–70 раз по сравнению с исходным профилем. Для профилей, одинаковых с исходным профилем прочности, придание двутавровой формы снижает массу до 0,12–0,2 и повышает жест- кость в 3–3,5 раза по сравнению с исходным профилем. Оребрение. Для увеличения жесткости, особенно литых корпус- ных деталей, широко применяют оребрение. Однако при этом необ- ходимо соблюдать осторожность, т. к. неправильное соотношение сечений ребер и оребряемой детали может вместо упрочнения при- вести к ослаблению. У деталей, подвергающихся изгибу в плоскости расположения наружных ребер, на вершине ребра возникают напряжения растя- жения, достигающие большого значения вследствие малой ширины и малого сечения ребра. Особенно опасны тонкие ребра, сужающиеся к вершине; разрушение детали всегда начинается с разрыва верши- ны ребер. Прочность значительно возрастает при утолщении ребер, особенно на опасном участке, т. е. у вершины. Очень часто применяют ребра треугольной формы с высотой, уменьшающейся в плоскости действия изгибающего момента. При такой форме ребер, какую бы начальную высоту они не имели, неизбежен участок, где наступает ослабление детали. При конструировании ребер рекомендуется: 77  избегать нагружения ребер на растяжение; применять во всех случаях, когда это допускает конструкция, ребра сжатия;  избегать (особенно при ребрах растяжения) низких, тонких и редко расставленных ребер, снижающих прочность детали;  в корпусных деталях применять внутреннее оребрение (за ис- ключением особых случаев, например, когда наружные ребра необ- ходимы для охлаждения детали);  подводить ребра к узлам жесткости, в частности к точкам рас- положения крепежных болтов;  избегать ребер криволинейного очертания, испытывающих при растяжении дополнительный изгиб; применять прямые ребра; Целесообразно (особенно у ребер растяжения) утолщать верши- ны, в которых при изгибе возникают наиболее высокие напряжения. 4.4. Жесткость машиностроительных конструкций Примеры увеличения жесткости и прочности типовых машино- строительных деталей приведены в табл. 4.2. Корпусные детали. Главными средствами повышения жесткости корпусных деталей без существенного увеличения их массы (а ино- гда и с ее уменьшением) являются: скругление переходов, придание стенкам сводчатых форм, рациональное внутреннее оребрение и вве- дение между стенками связей (предпочтительно диагональных). Жесткость корпусов можно увеличить конструктивным объединени- ем элементов корпуса в одно целое (моноблочные конструкции). Тонкостенные конструкции. В конструкциях из листового ма- териала (оболочковых, тонкостенных профилях, резервуарах, обли- цовках, панелях, крышках) необходимо учитывать не только дефор- мации, вызываемые рабочими нагрузками, но и деформации, возни- кающие при сварке, механической обработке, соединении и затяжке сборных элементов. Следует считаться и с возможностью случай- ных повреждений стенок при транспортировке, монтаже и неосто- рожном обращении в эксплуатации. В сильно нагруженных оболоч- ковых конструкциях первостепенное значение имеет предупрежде- ние потери устойчивости оболочек. 78 Таблица 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Крепление ролика на рычаге Конструкция нежесткая Уменьшен вылет консоли. Усилены рычаг, ось и узел заделки Ось ролика установлена на двух опорах. Конструк- ция наиболее жесткая Опорная шайба Конструкция нежесткая 1 – шайба усилена коль- цевым воротником а; 2, 3 – шайбы усилены в опасном сечении; 4 – шайбе придана жест- кая коническая форма Трубчатая деталь Опорные буртики под на- грузкой сходятся к центру (штриховые стрелки) 1, 2 – усилены участки пе- рехода буртиков в трубу; 3-4 – введена перегородка между буртиками 79 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Клапан Тарелка нежесткая. Связь между штоком и тарелкой слаба Тарелке придана тюльпа- нообразная форма Шток и тарелка сделаны более массивными. На ободе тарелки образован пояс жесткости Стакан Кромки стакана под на- грузкой деформируются Кромки стакана усилены ребордой Юбка цилиндра Под нагрузкой от поршня юбка деформируется Введены кольце вые поя- са жест кости на торце юбки 80 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Клемма Ушки клеммы при затяж- ке изгибаются Клемма усилена (стяжной болт приближен к валу) Клеммное соединение (со- ставной коленчатый вал) Затяжка клеммы деформи- рует шейку вала Деформация шейки устранена введением перемычки Тормозной барабан Обод под действием тор- мозных колодок де- формируется Введена реборда жестко- сти Введены ребра жесткости и охлаждения (литые бара- баны) Литая крышка Конструкция нежесткая Крышке придана жесткая сводчатая форма Крышка усилена ребрами Фланцевый вал Конструкция нежесткая 1 – фланец утолщен; учас- ток а перехода в ступицу усилен; 2 – фланцу придана кони- ческая форма; 3 – фланцу придана тюль- панообразная форма 81 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Диафрагма Конструкция нежесткая 1 – диафрагма оребрена; 2 – диафрагма сделана конической и оребрена; 3 – диафрагма гофрирована Литой шкив клиноремен- ной передачи. Ступица связана с ободом спицами. Конструкция нежесткая 1 – обод соединен со сту- пицей диском с ребрами ступица удлинена 2 – шкиву придана короб- чатая форма (конструкция наиболее жесткая) Дисковое зубчатое колесо Конструкция нежесткая 1 – диску придана жест- кая коническая форма; 2, 3 – диск оребрен (для литых и штампованных колес) 82 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Чашечное зубчатое колесо Обод под действием сил привода деформируется Введены кольцевые ребра жесткости Чашечное зубчатое колесо внутреннего зацепления Конструкция нежесткая Введены кольцевые ребра жесткости Коническое зубчатое колесо Конструкция нежесткая 1 – диску придана кониче- ская форма; 2 – диску при- дана сферическая форма; 3, 5 – диск оребрен (для литых и штампованных колес); 6 – коробчатая сварная преднапряженная конструкция. Между кону- сом а и буртиком б остав- ляют зазор, который перед сваркой выбирают затяж- кой. Зубья и шлицы обра- батывают после сварки 83 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Литая проушина Цоколь проушины под- вергается изгибу Цоколь усилен внутрен- ними ребрами 1, работаю- щими на растяжение Цоколь усилен наружны- ми ребрами 2, работаю- щими на сжатие Цоколю придана жесткая пирамидальная форма с внутренним оребрением Цоколь усилен внутрен- ними вафельными ребра- ми, опирающимися на привалочную плоскость В плоскости действия на- грузки расположено реб- ро 3, воспринимающее нагрузку. Конструкция наиболее легкая Подшипник Крепежные шпильки раз- несены на большое рас- стояние; изгибающий мо- мент в опасном сечении имеет большое значение Шпильки сближены, изги- бающий момент уменьшен Моменты сопротивления и инерции крышки увели- чены оребрением Опасный участок усилен стальной накладкой а (кон- струкция применяется для подшипников из легких сплавов) 84 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Подвеска подшипника Конструкция нежесткая Усилены стенки и узлы крепления подвески Подвеска оребрена (кон- струкции приведены в по- рядке возрастающей жесткости) Подвеске придана двутав- ровая форма Подвеска сделана короб- чатой Число крепежных шпилек удвоено (конструкция при- меняется в тяжелонагру- женных подшипниках) Силовая крышка, воспри- нимающая нагрузку от подпятника вертикаль- ного вала Конструкция нежесткая и непрочная Введены кольцевые и ра- диальные наружные ребра Введены вафельные ребра Узлы болтовых креплений усилены Сферическая крышка с внутренним оребрением 85 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Коробчатая крышка. Пол- ки, воспринимающие на- грузку, разгружены реб- рами а Коробчатая крышка с арочной связью Закрытая коробка с попе- речной связью б Усиленная сферическая крышка Кронштейн Конструкция нежесткая Диску придана чашечная форма. Участок перехода в цапфу усилен перего- родкой а и утолщением цапфы Диску придана коническая форма Последующие способы основаны на увеличении жесткости корпуса Цапфа удлинена и введе- на в отверстие корпуса с натягом 86 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Диск притянут к корпусу дополнительным цент- ральным болтом Диск притянут к корпусу двумя ряда ми периферий- ных болтов Преднапряженная кон- струкция. При затяжке вы-бирается зазор s меж- ду диском и корпусом 1 Литой кронштейн, нагру- женный изгибающей силой Конструкция нежесткая Колонка кронштейна оребрена Радиальные размеры ко- лонки увеличены Колонке придана конусная форма Усилена связь ко- лонки с крепежным флан- цем 87 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Радиальные размеры ко- лонки увеличены. Колон- ка связана с фланцем ко- нусом Радиальные размеры крон- штейна увеличены до га- баритных пределов. Вве- дено внутреннее оребре- ние. Конструкция наибо- лее жесткая и прочная Коробчатая крышка с креп- лением центральными шпильками Конструкция нежесткая. Под силой затяжки пото- лок крышки прогибается и вертикальные стенки расходятся Блокирование деформаций. Крышка установлена на контрольных штифтах а, предупреждающих рас- крытие вертикальных стенок Введены внутренние ребра Введены наружные и внут- ренние ребра Введены внутренние об- легченные перегородки б Крышке придана жесткая сводчатая форма 88 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Ограничение деформаций перемещения определяют- ся зазором s между крыш- кой и буртиком шпильки Ограничение деформаций путем заключения шпилек в колонки Литая карусель роторной машины, нагруженная силами, действующими на операционные блоки и вызывающими ее изгиб Конструкция нежесткая Жесткость периферии по- вышена кольцевым ребром Введены ребра, связываю- щие центральную ступицу с периферийными Пояс расположения ступиц усилен кольцевыми реб- рами Карусель усилена ради- ально-кольцевым оребре- нием Карусель выполнена ко- робчатой. Конструкция наиболее жесткая 89 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Литой карусельный бара- бан. В цилиндрических направляющих а возврат- но-поступательно переме- щаются штоки с роликами, обкатывающими непод- вижный копир Сквозной прорез под оси роликов сильно ослабляет направляющие. Под дей- ствием рабочих нагрузок стенки направляющих расходятся, как показано стрелками, вследствие чего нарушается направ- ление штока Конструкция нетехноло- гична (прорез несквоз- ной). Затруднена сборка узла штока Стенки направляющих усилены наружными ребрами б Стенки направляющих усилены кольцевыми ребрами в Радиальные размеры ба- рабана увеличены. Направляющие усилены наружными ребрами 2 Направляющие усилены наружными кольцевыми ребрами д и внутренними е Радиальные размеры ба- рабана увеличены до га- баритного предела. Кон- струкция наиболее жест- кая и прочная Водило планетарной передачи Шестерни установлены на консольных пальцах. Кон- струкция нежесткая Пальцы оперты в приверт- ном диске 1. Жесткость конструкции увеличена только в направлении действия радиальных сил (центробежные силы шес- терен и пальцев) Диск 1 притянут к водилу болтами 2 с распорными втулками. Жесткость в окружном направлении остается недостаточной 90 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Жесткость повышена од- новременным креплением диска на пальцах и болтах Жесткость резко повышена креплением диска 1 на ла- пах 3, выполненных заод- но с водилом Диск выполнен заодно с водилом. Конструкция наиболее жесткая, не сложная в из- готовлении Сварное соединение ко- рытных профилей втавр. Направление сил показа- но стрелками Конструкция нежесткая и непрочная Угольники 1 незначительно увеличивают жесткость Усиление накладками 2. Раздача сил неблагопри- ятная. Сварные швы рабо- тают на отрыв, накладки – на продольный изгиб Усиление ребрами 3. Швы работают на отрыв. Жест- кость узла в поперечном направлении недостаточна Соединение в шип с вы- резкой полок вертикаль- ного профиля. Конструк- ция нетехнологичная Усиление коробками 4 ко- рытного профиля. Кон- струкция жесткая. Проч- ность недостаточна (швы коробок работают на от- рыв) 91 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Усиление боковыми ко- сынками 5 Швы косынок работают на срез Кон- струкция жесткая и проч- ная Усиление фигурными ко- сынками 6. Конструкция жесткая и прочная Опора трубной колонны. Направление сил показано стрелками Конструкция нежесткая Узел соединения колонки с плитой усилен кольце- вым угольником 1. Жест- кость увеличивается не- значительно Колонна развальцована на конус. Конструкция при- менима при малых разме- рах колонны Узел соединения усилен приварными ребрами 2. Конструкция жесткая и прочная Узел усилен конусом 3 То же. Для улучшения внешнего вида усиливаю- щий элемент выполнен в виде тора с плавными очертаниями Колонна соединена с пли- той приварным тюльпан- ным раструбом Колонна заделана в литой стальной кронштейн. Конструкция жесткая и прочная, но трудоемкая 92 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Заделка колонны в литой станине Колонна неустойчива вследствие податливости потолка станины Усилена заделка в ради- альном направлении (по- датливость потолка не устранена) Усилена заделка в осевом направлении (податливость потолка не устранена) Бобышка соединена с по- толком ребрами (в работу включен центральный участок потолка) Усилено оребрение (в рабо- ту включен весь потолок) Усилено оребрение (в рабо- ту включены углы перехо- да потолка в вертикальные стенки) Усилено оребрение (в рабо- ту включены вертикальные стенки Потолку придана коробча- тая форма. Конструкция наиболее жесткая Составная балка из тонко- стенных корытных профи- лей. Направление рабочих нагрузок показано стрел- ками Конструкция нежесткая Соединение трубчатыми связями Конструкция не технологичная Соединение коробчатыми связями. Конструкция нетехнологичная 93 Продолжение табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Соединение гнутыми про- филями (не обеспечена жесткость в поперечном направлении) Соединение гнутыми про- филями (не обеспечена жесткость в продольном направлении) Соединение диагональ- ными связями (жесткость обеспечена во всех направлениях) Соединение трапецеидаль- ными профилями (жест- кость обеспечена во всех направлениях) Соединение трапецеидаль- ными профилями. Кон- струкция наиболее рацио- нальная по жесткости и простоте изготовления Рамная консоль, нагружен- ная силой Р Стержни работают пре- имущественно на изгиб. Конструкция нежесткая и непрочная Ферменная конструкция. Стержни работают пре- имущественно на растя- жение-сжатие. Для при- дания полной определен- ности узлы крепления делают шарнирными Оболочковая конструкция. Консоль обладает высо- кой жесткостью 94 Окончание табл. 4.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения В оболочке сделаны об- легчающие вырезы. Участки между вырезами работают на изгиб Оболочковая система с более рациональными вы резами То же. Конструкция, приближающаяся к фер- менной Цельноштампованная ферменная конструкция (алюминиевый сплав) Основные приемы увеличения жесткости:  всемерная разгрузка от изгиба;  замена напряжений изгиба напряжениями сжатия-растяжения;  введение связей между участками наибольших деформаций;  увеличение сечений и моментов инерции на опасных участках;  введение усиливающих элементов в местах сосредоточения на- грузок и на участках перелома силового потока;  применение конических и сводчатых форм. 95 5. Сопротивление усталости Детали, подвергающиеся длительной повторно-переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях значительно меньших пре- дела прочности материала при статическом нагружении. Это имеет большое значение для современных быстроходных машин, детали которых работают в условиях циклических нагрузок при общем числе циклов, достигающем за весь период службы машины многих миллионов. Как показывает статистика, около 80 % поломок и ава- рий, происходящих при эксплуатации машин, вызвано усталостны- ми явлениями, поэтому проблема сопротивления усталости являет- ся ключевой для повышения надежности машин. Циклические нагрузки выражены наиболее явно в машинах и механизмах с поступательно-возвратным движением звеньев (порш- невые машины, кулачковые механизмы). Однако и в ротативных машинах неизбежны циклические нагрузки, например, вследствие дисбаланса, радиальных и торцовых биений роторов и т. п. В современных машинах редко нет зубчатых передач, зубья кото- рых всегда подвержены циклическим нагрузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическому нагружению. В современных машинах статические нагрузки встречаются как исключение. В большинстве случаев нагрузки изменяются цикличе- ски с большей или меньшей частотой и амплитудой. Число циклов нагрузок, которые материал выдерживает до раз- рушения, зависит от максимального напряжения и интервала между крайними значениями напряжений цикла. По мере уменьшения напряжений число циклов до разрушения увеличивается и при не- котором достаточно малом напряжении становится неограниченно большим. Это напряжение, называемое пределом выносливости, кладут в основу прочностного расчета деталей, подверженных цик- лическим нагрузкам. Предел выносливости определяют построением кривых устало- сти. На оси абсцисс откладывают число циклов N, на оси ординат – найденные испытанием стандартных образцов максимальные напряжения  цикла, вызывающие разрушение за время, соответ- ствующее данному числу циклов. Разрушающее напряжение в об- ласти малых N близко к показателям статической прочности. По ме- 96 ре увеличения числа циклов эта величина снижается и при некото- ром числе циклов стабилизируется. Ордината D горизонтального участка кривой усталости является пределом выносливости. Предел выносливости большинства конструкционных сталей определяют при 106–107 циклов. Эти значения берут за базу испыта- ний. Для цветных сплавов, например алюминиевых, число перемен нагрузок гораздо выше (107–108 циклов). Даже после этого часто наблю-дается дальнейшее медленное падение разрушающего напря- жения, откуда можно заключить, что предела в указанном выше смыс- ле для этих металлов не существует. В таких случаях определяют пре- дел ограниченной выносливости, как напряжение, не вызывающее разрушения образца при определенном числе циклов (обычно 5107). Не существует также четко выраженных пределов выносливости при контактных напряжениях, циклическом нагружении в условиях повышенных температур и при работе деталей в коррозионных сре- дах. Разрушающее напряжение в этих условиях непрерывно падает с увеличением числа циклов. Отмечено также отсутствие отчетливо выраженного предела выносливости у деталей большого размера, что объясняется присущей таким деталям неоднородностью меха- нических свойств по сечениям. Предел выносливости не является постоянной, присущей данно- му материалу характеристикой и подвержен гораздо большим коле- баниям, чем механические характеристики при статическом нагру- жении. Он зависит от условий нагружения, типа цикла, в частности, от степени его асимметрии, формы и размеров детали, технологии ее изготовления, состояния поверхности и других факторов. Таким образом, при испытании на усталость стандартных образцов определяется собственно не предел выносливости материала, а предел выносливости образца, изготовленного из данного материала. При пе- реходе от образца к реальной детали следует вводить ряд поправок, учитывающих форму и размеры детали, состояние ее поверхности и т. д. В связи с этим возникло понятие сопротивление усталости дета- лей. В этом понимании предел выносливости далеко отходит от пер- воначального понятия как характеристики материала, хотя предел вы- носливости, определенный на стандартных образцах, по-прежнему приводят в числе основных прочностных показателей материала. Появилось также понятие сопротивление усталости узлов (резь- бовых соединений, соединений с натягом и других сборных кон- 97 струкций). Таким образом, в понятие сопротивления усталости вхо- дят не только факторы свойств материала и геометрической формы деталей, но и факторы взаимодействия со смежными деталями. Влияние на предел выносливости частоты циклов и скорости из- менения напряжений в пределах цикла исследовано недостаточно. С увеличением числа циклов в единицу времени циклическая проч- ность повышается, особенно заметно при частоте свыше 1000 циклов в минуту. Это можно объяснить тем, что пластические деформации совершаются с малой скоростью (в сотни раз меньшей скорости упругих деформаций, равной, как известно, скорости распростране- ния звука в данной среде). Повышение частоты циклов подавляет пластические деформации в микрообъемах металла, предшествую- щие появлению усталостных трещин. Особые разделы теории усталости составляют усталость при удар- ном циклическом нагружении (динамическая усталость), при кон- тактном циклическом нагружении (контактная усталость), при повы- шенных температурах и при периодических колебаниях температур (термическая усталость). 5.1. Концентрация напряжений Циклическая прочность деталей сильно падает на участках ослаблений, резких переходов, входящих углов, надрезов и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений, максимум кото- рых может в 2–5 и более раз превышать средний уровень напряже- ний, действующих в этом сечении. Степень повышения напряжения зависит в первую очередь от вида и формы ослабления. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переходы и острее подрезы, тем выше местное максимальное напряжение 1 (рис. 5.1). Ниже приведена упрощенная схема возникновения концентрации напряжений, основанная на яв- лении искажения силового потока в зоне ослаблений. Не отражая всей сложности явлений, схема наглядно и достаточно верно пред- ставляет картину концентрации напряжений и позволяет сделать определенные практические выводы. 98 Рис. 5.1. Схемы концентрации напряжений Предположим, что брус 2 растягивается силой Р и нагрузка равно- мерно распределяется по сечению. В каждой точке сечения нагрузка передается силами внутренних связей материала соседним точкам. Траектории передачи нагрузки от точки к точке вдоль тела дета- ли называют силовыми линиями (на рисунке тонкие линии), а сово- купность последних – силовым потоком. Силовые линии непрерыв- ны и не могут оборваться в какой-либо точке. Это означало бы нарушение связи между смежными точками, т. е. начало разруше- ния материала. Следовательно, число силовых линий должно быть одинаковым в любом сечении детали. Плотность силового потока (число линий на единицу площади по- перечного сечения) определяет напряжение. Если сечение детали 3 уменьшается, например, из-за наличия центрального отверстия, то плотность потока и напряжения увеличиваются. Это учитывается но- минальным расчетом на прочность по ослабленному сечению. Но 99 наряду с этим силовые линии, обходя отверстие, искривляются и, стремясь замкнуться по кратчайшему пути, сгущаются вблизи отвер- стия. Растягиваемые волокна подвергаются изгибу, сходясь по направ- лению к центру отверстия и вызывая его овализацию. На стороне во- локон, обращенной к отверстию, возникают напряжения растяжения, складывающиеся с общими напряжениями растяжения. Напряжения максимальны у стенок отверстия, где кривизна силовых линий наибольшая и изгиб волокон в наименьшей степени сдерживается смежными волокнами. По мере удаления от отверстия напряжения изгиба снижаются вследствие уменьшения изгибающего момента и тормозящего действия смежных волокон. В результате у стенок отвер- стия возникает пик напряжений, сглаживающийся по мере удаления от отверстия 4. Концентрацию напряжений можно значительно уменьшить спрям- лением силового потока и приданием отверстию эллиптической формы 5. Аналогичная картина наблюдается в случае вырезов, располо- женных по сторонам бруса 6, 9, возле которых силовые линии ис- кривляются и сгущаются, что вызывает скачок напряжений у выре- зов. Концентрацию напряжений можно ослабить путем придания вырезам плавных очертаний 7, 8 и 10. Перепад сечений вызывает скачки напряжений вследствие ис- кривления силовых линий на участках перехода от одного сечения к другому (рис. 5.2, 1). Уменьшение протяженности участков с раз- личными сечениями снижает концентрацию напряжений. У корот- ких буртиков 2 концентрация напряжений практически отсутствует. Целесообразно придавать деталям 3 одинаковые сечения, выполняя необходимые по конструктивным условиям упоры в виде буртиков. Действенным средством снижения концентрации напряжений является, как видно из предыдущего, придание переходам плавных очертаний. Известный положительный эффект дают деконцентраторы напряжений – дополнительные ослабления, наносимые вблизи ос- новного концентратора. В деталях 4 с отверстиями деконцентрато- рами могут быть дополнительные отверстия малого диаметра, рас- положенные вдоль силового потока, в деталях 5 с боковыми вы- кружками – дополнительные малые выкружки, в деталях 6 и 7 со ступенчатыми переходами – выкружки вблизи переходов. 100 Рис. 5.2. Схемы концентрации напряжений Главное значение имеет расположение деконцентраторов. При правильном расположении деконцентраторы спрямляют силовые линии и выключают из силового потока участки, смежные с кон- центратором напряжений (штриховые линии на деталях 6 и 7). Не- правильным является расположение, увеличивающее искривление силовых линий 8 и, следовательно, вызывающее дополнительную концентрацию напряжений. К деконцентраторам ошибочно относят местное уплотнение мате- риала ослабленных участков с помощью выдавок, наносимых чека- нами. Назначение деконцентраторов – спрямить силовой поток, а вы- давок – упрочнить материал созданием в нем остаточных напряже- ний сжатия. Это различие важно практически потому, что правила расположения выдавок иные, чем деконцентраторов. Последние рас- полагают по течению силового потока перед концентратором или за ним, выдавки же следует располагать в фокусе концентрации 9 и 10. Явление концентрации напряжений, вызванное формой, на прак- тике усугубляется тем обстоятельством, что участки расположения концентраторов почти всегда бывают ослаблены по технологиче- ским причинам. У деталей, подвергающихся механической обработке, ослабле- ние на участках переходов наступает в результате перерезания во- 101 локон, полученных при предшествующей горячей обработке заго- товки давлением. У литых деталей участки переходов, как правило, ослаблены литейными дефектами, вызванными нарушениями струк- туры при кристаллизации металла и охлаждении отливки. В этих участках обычно сосредотачиваются рыхлоты, пористость, микро- трещины и возникают внутренние напряжения. У кованых и штам- пованных деталей участки переходов имеют пониженную прочность вследствие вытяжки металла на этих участках. Соответственно раз- личают геометрические концентраторы (концентраторы формы) и технологические концентраторы. Типичные концентраторы напряжений в цилиндрических дета- лях типа валов приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Эскиз Концентраторы Эскиз Концентраторы Эскиз Концентраторы Сверления Канавки Шпоночные пазы Ступеньки с острыми входящими углами Отверстия Поднутрения Шлицы Штифты 102 Окончание табл. 5.1 Эскиз Концентраторы Эскиз Концентраторы Эскиз Концентраторы Резьбовые отверстия Лыски Торцовые шлицы Резьбы Впадины зубьев Сварные швы Кольцевые выточки Клейма Сильными концентраторами являются внутренние дефекты ма- териала: раковины, пористость, микротрещины, неметаллические включения (оксиды, силициды и др.). Предел выносливости геометрически подобных деталей снижа- ется с увеличением их абсолютных размеров. О причинах этого яв- ления высказано несколько предположений. Статистическая теория объясняет это явление повышением вероятности образования внут- ренних дефектов при увеличении размеров детали. Технологическая школа выдвигает на первый план затруднительность получения од- нородной структуры и равномерной прочности по сечению крупных деталей, например при горячем пластическом деформировании и термообработке. Циклическая прочность зависит и от состояния поверхности, осо- бенно в тех случаях нагружения, когда наибольшие напряжения возникают в поверхностных слоях (изгиб, кручение, сложные напряженные состояния). 103 Грубая механическая обработка, вызывающая пластические сдви- ги, надрывы и микротрещины в поверхностном слое, резко снижает предел выносливости, тонкая (полирование, суперфиниширование) – повышает. Это явление особенно резко выражено у деталей неболь- ших размеров и слабее у крупных деталей. Последнее объясняется присущими крупным деталям неоднородностями структуры, дей- ствие которых пересиливает действие концентраторов, вызванных механической обработкой. Предел выносливости снижается при наличии случайных царапин и повреждений поверхностного слоя, а также износа поверхности. Рез- кое падение циклической прочности наблюдается при коррозии. Циклическая прочность снижается в соединениях с натягом, ко- нусных и клеммных соединениях с высокими напряжениями смятия на посадочных поверхностях. Отрицательно действуют на цикличе- скую прочность гальванические покрытия твердыми и прочными металлами (Cr, Ni). Покрытия пластичными металлами (Cu, Zn, Cd, Sn, Pb) на усталостную прочность влияют мало. 5.2. Повышение циклической прочности Физические основы явлений усталости еще не изучены в степе- ни, позволяющей создать стройный расчет деталей на циклическую прочность. Отсутствие основополагающих физических принципов заставляет идти по пути накопления экспериментальных данных, которые не всегда позволяют произвести достоверный расчет, тем более, что данные, получаемые различными экспериментаторами, имеют большой разброс, а зачастую, вследствие различия методики испытаний, несопоставимы и даже противоречивы. Из-за наслоения новых данных, введения поправочных коэффициентов, а также мно- гообразия подлежащих учету факторов расчетные формулы все бо- лее усложняются. В этих условиях большое значение имеет понимание общих за- кономерностей циклической прочности. Осмысленное проектиро- вание, основанное на знании этих закономерностей, дает порой го- раздо больше, чем расчет, и позволяет избежать ошибок, которые в последующем пришлось бы исправлять, например приемами упрочняющей технологической обработки. 104 Во многих случаях можно устранить первопричину и добиться если не полного исключения циклических нагрузок, то хотя бы их умень- шения. Даже в машинах определенно циклического действия можно достичь значительного уменьшения максимальных циклических напряжений и их амплитуды, а также смягчения динамичности нагрузки. Одним из основных способов является повышение упругости де- талей в направлении действия нагрузок и введение упругих связей между деталями, передающими и воспринимающими нагрузку. При циклическом крутящем моменте можно сгладить пики напряжений и, следовательно, уменьшить амплитуду цикла введени- ем упругих муфт между деталями, воспринимающими крутящий мо- мент. Установка пружинных амортизаторов между валами и зубча- тыми колесами снижает пики напряжений в зубьях и делает работу зубчатых передач плавной и спокойной. Переход с подшипников ка- чения на подшипники скольжения, например в шатунно-кривошип- ных механизмах, снижает пики нагрузок благодаря амортизирующе- му действию масляного слоя. Работа, затрачиваемая на вытеснение масла из зазора в подшипниках, поглощает импульс действующих сил, что способствует снижению нагрузок на механизм. Другой способ заключается в снижении коэффициента амплитуды напряжений путем наложения постоянной нагрузки. Этот прием ши- роко применяют в конструкции циклически нагруженных болтовых соединений, придавая болтам предварительную затяжку. При доста- точно большой затяжке удается практически полностью устранить циклическую составляющую и сделать нагрузку статической. Во многих случаях возникновение высоких знакопеременных нагрузок связано с появлением резонансных колебаний в частях ме- ханизма. Этот опасный вид циклической нагрузки предотвращают с помощью демпферов (пружинных, маятниковых, гидравлических или фрикционных). Вибрации машин и агрегатов, являющиеся ис- точниками знакопеременных нагрузок, устраняют или смягчают их подвеской на виброизолирующих и виброгасящих амортизаторах. В ряде случаев полного или почти полного устранения цикличе- ских нагрузок можно достичь повышением точности изготовления деталей и их опор. Примером может служить устранение статиче- ского и динамического дисбаланса быстровращающихся роторов, вызывающего переменные нагрузки в опорах и корпусах. Повыше- 105 ние точности изготовления зубьев колес (уменьшение погрешно- стей шага и толщины зуба, искажений, профиля и т. п.) устраняет циклические нагрузки, порождаемые этими погрешностями. В случаях, когда не удается ликвидировать циклические нагруз- ки или снизить циклические напряжения, следует прибегать к спе- циальным способам повышения сопротивления усталости. Эти способы можно разделить на технологические и конструк- тивные. В первом случае упрочнения достигают специальными при- емами обработки, во-втором – приданием деталям форм, благопри- ятных для циклической прочности. 5.3. Конструирование циклически нагруженных деталей Если устранить концентраторы напряжений полностью невоз- можно, то следует заменять сильные концентраторы умеренно дей- ствующими. Например, резьбовые отверстия, принадлежащие к числу наиболее сильных концентраторов, целесообразно заменять гладкими отверстиями, отрицательный эффект которых меньше и может быть ослаблен рядом мер. Концентраторы следует удалять из наиболее напряженных участков детали и переносить, если это допускает конструкция, в зоны наименьших напряжений. С целью уменьшения номинальных напряжений целесообразно увеличивать сечения детали на участках расположения концентраторов. Примеры устранения и снижения концентрации напряжений при- ведены в табл. 5.2. Таблица 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Головка болта Фиксирующий усик распо- ложен в наиболее напря- женной зоне и вызывает резкую концентрацию на- пряжений Усик перенесен в головку в область низких напря- жений. Концентрация на- пряжений остается Усик выполнен как одно целое с головкой. Кон- центрация напряжений практически устранена 106 Продолжение табл. 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Крепление пробки в вале Резьба вызывает концент- рацию напряжений 1. Резьбовое крепление за- менено запрессовкой. 2. Пробка укреплена раз- вальцовкой. 3. Пробка укреплена гай- кой. 4. Пробка ввернута в коль- цо, расположенное в по- лости вала Масляная система шейки коленчатого вала Заглушка 1, пробка 2 и маслоподводящая труб- ка 3 установлены на резьбе, вызывающей концентра- цию напряжений Заглушка установлена в ва- лу и застопорена винтом. Маслоподводящая трубка завальцована в отверстии шейки вала Масляное отверстие в шатунной шейке коленчатого вала Отверстие расположено в наиболее напряженной на изгиб зоне шейки Отверстие перенесено в нейтральную зону (рас- положение отверстия должно быть согласовано с векторной диаграммой нагрузок) 107 Продолжение табл. 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Отверстие под штифт Концентрация напряжений в днище отверстия Днище отверстия закруг- лено Нарезной стержень Увеличен диаметр нарез- ного участка Вал с резьбой Вал усилен на участке резьбы Торсионный валик Концентрация напряжений у основания шлицев Валик усилен на участке расположения шлицев Шлицевой вал Концентрация напряжений у основания шлицев Вал усилен на ослаблен- ном участке Штифтовое соединение вала со ступицей Высокая концентрация на- пряжений в валу и ступице Штифтовое соединение за- менено шлицевым. Благо- даря большому числу шли- цев напряжения на участ- ках передачи крутящего момента резко снижены 108 Продолжение табл. 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Установка подшипника на валу Зал ослаблен канавками под стопорные кольца Вал усилен на ослаблен- ном участке Крепление подшипника на валу Концентрация напряжений на резьбовом участке Резьбовой пояс перенесен на ненагруженный конец вала Узел уплотнения Канавки под уплотнитель- ные кольца резко ослаб- ляют вал Канавки выполнены в на- садной втулке Соединение зубчатого колеса с валом Концентрация напряжений на участках расположения гужонов Диаметр расположения и число гужонов (винтов) увеличены (уменьшение сил, передаваемых гужо- нами). Вал и ступица утол- щены 109 Продолжение табл. 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Блок зубчатых колес Концентрация напряжений на участке расположения гужонов Колесо посажено на про- должение зубьев шестерни (резкое снижение сил на участках передачи крутя- щего момента). Вал и сту- пица утолщены Головки шатуна На участках а шатун и крышка ослаблены вы- борками под головки бол- тов и гайки Сечения ослабленных уча- стков увеличены Установка ротора на валу Крепежные болты и уста- новочные штифты ослаб- ляют ступицу Ротор затянут кольцевой гайкой. Крутящий момент передается торцовыми зубьями, вынесенными за пределы напряженных участков ступицы Ротор турбины Диск ротора ослаблен раз- грузочными отверстиями а 1. Отверстия усилены бо- бышками. 2. Отверстия расположены в кольцевом усиливающем поясе 110 Продолжение табл. 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Крепление ротора турбины к разъемному валу Отверстия под болты ослабляют ротор 1. Отверстия под болты расположены в кольцевых утолщениях и вынесены за пределы напряженных сечений. 2. Отверстия под болты расположены во фланцах, отнесенных от тела ротора Вал Совмещение концентрато- ров напряжений (наруж- ный входящий угол а и выточка б) Ослабленный участок уси- лен разноской концентра- торов напряжений Вал Совмещение концентрато- ров напряжений (наруж- ный входящий угол а и внутренний б) 1. Ослабленный участок усилен разноской входя- щих углов. 2. Внутренний концентра- тор устранен приданием полости плавных очерта- ний Коническое зубчатое колесо Совмещение концентра- торов напряжений (впа- дины а, зубьев, и острых торцовых кромок б) Зубчатый венец усилен 111 Окончание табл. 5.2 Исходная конструкция Измененная конструкция Сущность изменения Крепление зубчатого венца к диску Совмещение концентрато- ров напряжений (впадины зубьев и отверстия под болты) Крепление перенесено в диск зубчатого венца Установка подшипника на шлицевом валу Совмещение трех концен- траторов напряжений (входящий угол а, впади- ны шлицев б и внутрен- ний входящий угол в) Сечения вала на участке расположения концентра- торов напряжений усиле- ны. Внутренней полости приданы плавные очерта- ния 6. Тепловые взаимодействия Повышенные температуры наблюдаются не только в тепловых машинах, у которых нагрев является следствием рабочих процес- сов. В «холодных» машинах нагреваются механизмы, работающие при высоких скоростях и больших нагрузках (зубчатые передачи, подшипники, кулачковые механизмы и т. д.). Детали, подвержен- ные циклическим нагрузкам, нагреваются в результате упругого гистерезиса при многократно повторных циклах нагружения-раз- гружения. Повышение температуры сопровождается изменением линейных размеров деталей и может вызвать высокие напряжения. 112 6.1. Тепловые напряжения Если материал при колебаниях температуры лишен возможности свободно расширяться или сжиматься, то в нем возникают тепловые напряжения. Различают торможение тепловых деформаций детали сопряжен- ными деталями (торможение смежности) и торможение деформа- ций волокон детали смежными волокнами (торможение формы). Торможение смежности. Примером торможения смежности яв- ляется соединение деталей, имеющих при работе различную темпе- ратуру или выполненных из материалов с неодинаковыми коэффи- циентами линейного расширения (рис. 6.1). Рис. 6.1. Схема торможения смежности Пусть болт 1 и втулка 2 (см. рис. 6.1) изготовлены из материалов с коэффициентами линейного расширения 1 и 2 и их температу- ры равны соответственно 1t и 2t . При нагреве от исходной темпера- туры 0t болт и втулка в свободном состоянии удлинились бы на величины 1 1l t  и 2 2l t  , где 1 1 0t t t   ; 2 2 0t t t   ; l – длина соединения. В стянутой системе образуется температурный натяг:  2 2 1 1tf l t t     или в относительных единицах 113 2 2 1 1te t t    . (6.1) В соединении возникает термическая сила Рt, вызывающая, со- гласно закону Гука, относительное удлинение болта е1 и укороче- ние втулки е2: 1 1 tPe   ; 2 2 tPe   , где 1 1 1E F  и 2 2 2E F  – коэффициенты жесткости соответ- ственно болта и втулки (F1 и F2 – сечения болта и втулки). Сумма относительных деформаций 1 2 1 2 t t t P P e e e      , откуда 1 1 1 21 t e p      . (6.2) Примем, что температура стягивающей и стягиваемой деталей одинакова (как это обычно и бывает в машинах при установив- шемся тепловом режиме). Полагая 1 2t t t  , получаем из формул (6.1) и (6.2)   12 1 1 21 tP t        . Возможны три случая: 1. 2 1  (стяжка деталей из алюминиевых, магниевых и мед- ных сплавов стальными болтами и болтами из титановых сплавов). При нагреве в таких соединениях возникает натяг, пропорциональ- ный произведению  2 1t    . При охлажденнии до минусовых температур этот фактор становится отрицательным. Следовательно, 114 первоначальный сборочный натяг уменьшается, т. е. снижается не- сущая способность соединения. 2. 1 2  (стяжка стальных и чугунных деталей болтами из аустенитных сталей; стяжка деталей из титановых сплавов сталь- ными болтами). В случае нагрева произведение  2 1t    отрица- тельно, т. е. нагрузочная способность соединения снижается, а при охлаждении до минусовых температур положительно, т. е. первона- чальный натяг увеличивается. 3. 1 2  (стяжка стальных и чугунных деталей стальными бол- тами; стяжка деталей из титановых сплавов титановыми болтами). В этом случае  2 1 0t     , т. е. первоначальный натяг при нагреве и охлаждении не меняется. Согласно формуле (6.2) напряжение растяжения в болте 1 1 1 1 21 t t t P E e F       , (6.3) напряжение сжатия во втулке 2 2 2 2 11 t t t P E e F       . (6.4) Отношение 2 2 1 1 1 1 2 1 12 2 1 2 2 1 1 t t E F E E F F E FE F E F       не зависит от модулей упругости материалов шпильки и втулки и определяется только соотношением сечений последних. Анализ показывает, что термические напряжения в шпильках резко падают с увеличением 1 2  (жесткие шпильки, упругие кор- пуса). Напряжения в корпусах, наоборот, возрастают, но при обыч- 115 ных значениях 1 2 1   и для обычных литейных материалов (чу- гун, легкие сплавы) значительно меньше, чем в шпильках. На основании формул (6.3), (6.4) можно сделать следующие вы- воды:  для уменьшения термических напряжений в шпильках корпус следует делать упругим, а шпильки – жесткими;  для уменьшения термических напряжений в корпусе шпильки следует выполнять упругими, а корпус – жестким. Прочность корпуса обычно не является определяющей для проч- ности стяжных соединений, поэтому для термически нагруженных соединений целесообразно придерживаться правила: упругий корпус – жесткие шпильки. Прочность стяжных соединений помимо термических напряже- ний в значительной степени зависит от силы предварительной за- тяжки соединения и рабочих сил, действующих на соединение. Из уравнения (6.2) следует, что возможны следующие способы уменьшения термической силы:  уменьшение разности температур сопряженных деталей (например, охлаждением стягиваемой детали или увеличением тем- пературы стягивающей детали);  уменьшение разницы в значениях коэффициентов линейного расширения (соответствующим подбором материалов сопряженных деталей). Если материалы стягивающей и стягиваемой деталей заданы, то термическую силу можно уменьшить введением между стягиваю- щей и стягиваемой деталями промежуточных втулок, выполненных из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, например инвара. Действенным средством уменьшения термических напряжений является установка пружинных элементов на корпусах или, что кон- структивно удобнее, на болтах. Упругие элементы часто применяют для поглощения термических деформаций при установке на валу нескольких деталей, выполнен- ных из сплавов с повышенным коэффициентом линейного расшире- ния (например, роторов многоступенчатых аксиальных компрессо- ров). Для фиксации и затяжки таких деталей требуется значительная осевая сила. Поэтому упругие элементы в данном случае выполняют 116 в виде набора многочисленных прочных и относительно жестких элементов (рис. 6.2), в сумме дающих необходимую упругость. Рис. 6.2. Упругие элементы в системах силовой затяжки Торможение формы. Тепловые напряжения, вызванные тормо- жением формы, возникают при неравномерном нагреве детали, ко- гда отдельные волокна материала лишены возможности по конфи- гурации детали расширяться в соответствии с законом тепловой деформации. В отличие от торможения смежности здесь напряже- ния возникают только при перепаде температур в теле детали (при стационарном тепловом потоке, когда тепло переходит от горячих участков к более холодным, или при неустановившемся тепловом потоке, например при тепловом ударе, когда волна тепла распро- страняется по телу детали). Как общее правило, горячие участки детали с температурой, пре- вышающей среднюю, испытывают напряжения сжатия, а более хо- лодные – напряжения растяжения. Это же справедливо при минусо- вых температурах: менее холодные участки подвергаются сжатию, а более холодные – растяжению. Тело, имеющее во всех своих частях одинаковую температуру, термических напряжений не испытывает. Плоские стенки. Представим себе плоскую стенку толщиной s (рис. 6.3, а), через которую в направлении, перпендикулярном ее плоскости, проходит равномерный тепловой поток. Пусть поверх- ность стенки, обращенная к источнику теплоты, имеет температуру t1 а противоположная поверхность – t2, причем 1 2t t . Температура поперек стенки изменяется по прямолинейному закону. Мысленно рассечем пластинку на ряд тонких параллельных сло- ев. Если бы все они имели возможность свободно расширяться под действием температуры, то слои с температурой выше средней 117 удлинились бы по сравнению со средним слоем, а слои с темпера- турой ниже уменьшались, и пластинка приняла бы форму, изобра- женную на рис. 6.3, б. Рис. 6.3. К определению термических напряжений Относительное удлинение крайнего, наиболее нагретого слоя:    1 1 ñð 1 20,5e t t t t      , относительное укорочение крайнего, наиболее холодного слоя:    2 ñð 2 1 20,5e t t t t      ,  2 1 max 1 20,5e e e t t     . (6.5) Если пластинка сохраняет при нагреве плоскую форму, то все слои в силу совместимости деформации должны иметь одинаковые размеры, равные размерам среднего слоя. В такой пластинке наибо- лее нагретые слои сжаты тормозящим действием смежных более холодных слоев, а наиболее холодные растянуты действием более горячих слоев (см. рис. 6.3, в), каждый по двум взаимно перпен- дикулярным направлениям. Наибольшие напряжения возникают в крайних, поверхностных слоях. При симметричном растяжении-сжатии (как в рассматриваемом случае) 1 1 Ee   , 118 где  – коэффициент Пуассона. Подставляя в это выражение вели- чину е из уравнения (6.5), получаем максимальное значение напря- жений в крайних слоях  max 1 2 1 0,5 1 E t t      , (6.6) где знак плюс относится к растяжению, а минус – к сжатию. Напряжения поперек стенки изменяются, как и температура, по прямолинейному закону. Перепад температур можно выразить через количество теплоты Q, проходящей через стенку в единицу времени на единицу поверхности:  1 2Q t t s    , (6.7) где  – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м°С); s – толщина стенки, м. Подставляя значение 1 2t t из формулы (6.7) в уравнение (6.6), получаем: max 1 0,5 1 E Qs      . Тепловая прочность материалов. Из формулы (6.6) следует, что максимальные термические напряжения при заданной интенсивно- сти теплового потока Q пропорциональны толщине стенки s и фак- тору 1 1 E   , характерному для каждого материала (табл. 6.1). Фактор 1 1 для всех металлов близок к 1,5 (за исключением чугу- нов, для которых он равен 1,18). Тепловая прочность, т. е. сопротивляемость материала действию термических напряжений характеризуется отношением предела теку- чести материала к фактору 1 1 E   (аналогичным запасу прочности): 0,2 (1 ) n E      . 119 Таблица 6.1 Материалы 1 0,2 10   Е10–4 610  1/С , Вт/м°С  31 10 1 E    310n  МПа Стали: углеродистые 50 20 12 40 0,3 8,6 5,8 легированные 150 21 9 16,6 сверхпрочные 300 22 9,5 31,5 коррозионно- стойкие аусте- нитные 50 20 17 30 15,8 3,2 Чугуны серые 20 8 12 35 0,15 3,25 6,5 Сплавы Al: литейные 15 7,2 24 150 0,33 1,7 8,7 деформируе- мые 40 20,5 Сплавы Мg: литейные 10 4,5 28 70 0,33 2,7 3,3 деформируе- мые 20 6 Бронзы 50 11 19 70 0,33 4,5 11 Сплавы Тi 130 11,5 10 8 0,3 20 6,3 Приведенные в таблице величины справедливы при температу- рах примерно до 200 оС, когда показатели прочности, упругости, линейного расширения и теплопроводности обычных конструкци- онных материалов изменяются сравнительно мало. При переходе в область более высоких температур на первый план выступают жа- ропрочность, т. е. способность длительно выдерживать напряжения в условиях высоких температур, и жаростойкость, т. е. способность сопротивляться горячей коррозии. К жаропрочным материалам от- носятся стали, легированные Ni, W, Mo, Ti, Nb, сплавы на никеле- вой основе, титановые сплавы и др. В области высоких температур качественные соотношения между материалами становятся иными. С повышением температуры большинство рассмотренных выше ма- териалов (например, стали обычного состава) теряют прочность; некоторые из них вообще не способны выдерживать высокие тем- пературы (легкие сплавы). Титановые сплавы, которые в условиях умеренных температур имеют посредственную тепловую прочность, здесь выдвигаются на одно из первых мест. 120 Криволинейные стенки. Если пластинка свободно деформиру- ется под действием перепада температур, то термические напряже- ния уменьшаются и при известных условиях могут практически ис- чезнуть; если пластинка достаточно тонка, сделана из материала с малым модулем упругости, она может изогнуться настолько, что наружные волокна ее удлинятся, а внутренние укоротятся на вели- чину  1 2t t  . Пластинка при этом изгибается по сферической по- верхности. Если свободный изгиб возможен только в одном направлении, то пластинка изгибается по цилиндру. Полые цилиндрические детали. На практике встречаются слу- чаи, когда при перепаде температур форма детали в силу ее конфигу- рации не меняется или меняется незначительно. Типичным примером является цилиндрическая труба большой длины. При одностороннем нагреве, например изнутри, труба, расширяясь в радиальном и осе- вом направлениях, сохраняет в целом цилиндрическую форму. Внут- ренние, наиболее нагретые слои стенки при этом испытывают напряжения сжатия, а наружные, более холодные – напряжения рас- тяжения. Напряжения падают только на свободном торце трубы, где сдерживающее влияние кольцевых сечений ослабевает, вследствие чего труба воронкообразно расширяется. При нагреве снаружи кар- тина обратная: наружные, более горячие слои подвергаются сжатию, внутренние – растяжению; свободные торцы трубы сходятся к цен- тру. Если необходимо сохранить правильную цилиндрическую фор- му, то следует вводить на торцах кольцевые ребра жесткости. Сложение тепловых и рабочих напряжений. Обычно термиче- ские напряжения сочетаются с напряжениями от внешних нагрузок. Сочетание может быть благоприятным, если сложение термических и рабочих напряжений уменьшает результирующие напряжения, и неблагоприятным, если оно увеличивает последние. Это зависит от соотношения термических и рабочих напряжений и закономерности их изменения поперек стенки. Уменьшение тепловых напряжений. Способы снижения теп- ловых напряжений, вызываемых торможением формы, заключают- ся прежде всего в устранении первопричины – неравномерности температурного поля по сечению детали. Иногда этого удается до- стичь рациональным охлаждением детали. 121 Если перепад температур неустраним по функциональному назначению детали (трубы теплообменных аппаратов), то выгодно применять материалы с благоприятным сочетанием прочности, теп- лопроводности и теплового расширения. Например, трубы из ситал- лов с нулевым коэффициентом линейного расширения совершенно не подвержены термическим напряжениям. Термические напряжения можно снизить введением тепловых буферов, т. е. увеличением податливости участков детали с тем- пературой, отличающейся от температуры смежных участков. Температурные швы. В некоторых случаях удается без ущерба для функционального назначения детали полностью или почти пол- ностью устранить торможение формы как первоисточника термиче- ских напряжений. Примером могут служить температурные швы – радиальные прорези, проделываемые в кольцевых охлаждающих ребрах (рис. 6.4, а). Во избежание нарушения правильной цилин- дрической формы прорези располагают в шахматном порядке или по спирали (рис. 6.4, б и в). Рис. 6.4. Температурные швы Температурные швы незначительно ухудшают теплорассеивание ребер. Если прорези расположить настолько часто, чтобы кольцевые ребра превратить в отдельные столбики (рис. 6.4, г) (игольчатая по- верхность охлаждения), то оребрение будет совершенно свободным от термических напряжений. Потеря охлаждающей поверхности на участках расположения вырезов компенсируется образованием но- вых охлаждающих поверхностей на торцах вырезов. Компенсация может быть полной, если ширина прорезей равна толщине ребра. Кроме того, теплорассеивание улучшается вследствие повышения турбулентности воздушного потока в ребрах. Масса оребрения зна- 122 чительно меньше, чем при кольцевых ребрах (приблизительно вдвое, если ширина прорезей равна ширине охлаждающих игл). 6.2. Тепловые деформации В узлах, состоящих из деталей, имеющих различную рабочую температуру или изготовленных из материалов с разными коэффи- циентами линейного расширения, тепловые деформации могут су- щественно влиять на взаимное расположение деталей. В частности, при нагреве в соединениях возникают термические зазоры или натяги, которые необходимо учитывать при назначении сборочных (холодных) зазоров. Расположение фиксирующих баз. Фиксирующие базы следует выбирать с таким расчетом, чтобы при всех возможных темпера- турных изменениях размеров системы точность расположения де- талей не нарушалась или нарушалась бы в наименьшей мере. В узле конической передачи, установленной в корпусе из легкого сплава (рис. 6.5, а), фиксирующий подшипник 1 расположен на зна- чительном расстоянии L от центра зацепления зубчатых колес. Удлинение корпуса при нагреве вызывает смещение малого колеса передачи в направлении, указанном стрелкой. Большое колесо перемещается в том же направлении, но на меньшую величину (вследствие меньшего значения коэффициента линейного расшире- ния стального вала). В результате зазор в зацеплении уменьшается. При известных соотношениях зубчатые колеса могут начать рабо- тать враспор. Рис. 6.5. Фиксация вала конической передачи В правильной конструкции (рис. 6.5, б) фиксирующим является задний подшипник 2, расположенный на сравнительно малом рас- 123 стоянии l от центра зацепления. Смещения колес относительно друг друга при нагреве здесь гораздо меньше; кроме того, зазор в зацеп- лении с нагревом увеличивается, а не уменьшается, как в предыду- щем случае. Обеспечение свободы температурным перемещениям. Следует избегать осевой фиксации деталей в двух точках. При наличии тем- пературных деформаций в случае такой фиксации могут появиться термические напряжения, вызванные торможением смежности. Примером ошибочной установки является фиксация вала в двух подшипниках качения одновременно (рис. 6.6, а). Если корпус под- шипников выполнен из материала с иным коэффициентом линейно- го расширения, чем вал, а также если вал и корпус имеют различ- ные рабочие температуры, то в узле возникает зазор или натяг. По- следний может привести к защемлению подшипников. Неизбежные погрешности выполнения осевых размеров соединения, в свою оче- редь, могут вызвать появление зазоров или натягов. Вал следует фиксировать в одном подшипнике (рис. 6.6, б). Второй подшипник должен быть плавающим, т. е. иметь свободу перемещения в осевом направлении. Рис. 6.6. Фиксация подшипников качения В соединениях трубопроводов, несущих горячие жидкости или газы, необходимо предусматривать компенсаторы тепловых расши- рений, предотвращающие возникновение термических сил и дефор- мацию трубопроводов. 124 7. Конструирование узлов и деталей 7.1. Унификация конструктивных элементов Элементы, выявляющиеся в процессе компонования, следует мно- гократно использовать для всей конструкции, осредняя расчетные па- раметры и добиваясь максимального сокращения их номенклатуры. Унификации в первую очередь подлежат посадочные соедине- ния (по номинальным размерам, типу посадок и квалитету), резьбы (по диаметру, шагу и квалитету), шлицевые и шпоночные соедине- ния, крепежные детали и т. д. Целесообразно сокращать номенкла- туру материалов, виды отделочных операций, гальванических по- крытий, типы сварки, форму сварных швов и др. На рис. 7.1, а–в приведен пример компонования вала с насадной деталью, опертой в бронзовой втулке. В конструкции а выбор поса- дочных диаметров не продуман. Правильно назначен основной по- садочный размер (диаметр опорной шейки) из числа нормальных (50). Далее допущены ошибки. С целью уменьшения расхода брон- зы конструктор принимает толщину стенок втулки равной 3,5 мм, вследствие чего получается нестандартный размер наружного диа- метра втулки (57). Стремясь увеличить прочность вала в насадном соединении, конструктор уменьшает диаметр вала по отношению к диаметру шейки на 2 мм на сторону, в результате чего получается нестандартный диаметр 46, который приводит к размеру резьбы М45 под затяжную гайку. В компоновке на основе нормальных размеров (конструкция б) наружный диаметр втулки 60 мм, диаметр насадного соединения 45 мм. Отсюда следует размер резьбы М42. Однако стандартизация размеров в данном случае приводит к некоторому снижению проч- ности вала и увеличению массы бронзовой втулки. В более рацио- нальной конструкции в диаметр шейки 55 мм, наружный диаметр втулки 60 мм, диаметр насадного соединения 50 мм. В конструкции г допущен значительный разнобой в размерах посадочных диаметров, резьб, шпонок и модулей зуба. В рацио- нальной конструкции д сокращено число посадочных размеров, унифицированы шпонки и модули зубьев (т = 4). Необходимая прочность зуба малых зубчатых колес достигнута увеличением их 125 длины. В результате унификации номенклатура элементов сокра- щена с 16 до 7 наименований. Рис. 7.1. Унификация элементов конструкции В качестве примера унификации размеров под ключ приведем узел регулирования редукционного клапана (рис. 7.2). В конструк- ции а применены три размера (1–3), в унифицированной конструк- ции б – один размер (4). 126 Рис. 7.2. Унификация размеров под ключ 7.2. Унификация деталей Следует добиваться максимальной унификации оригинальных деталей. Особенно это важно для трудоемких и многократно повто- ряющихся деталей. Конвейерная цепь (рис. 7.3, а) составлена из звеньев двух типов. В рациональной конструкции б звенья унифицированы. Стяжной хомут (в) состоит из двух трудоемких деталей. Соединение промежуточной серьгой (г) позволяет сделать половины хомута одинаковыми. На рис. 7.3, д и е приведен пример унификации штамповок в уз- ле составного шкива, на рис. 7.3, ж и з – в конструкции цилиндри- ческого штампованного резервуара. Рис. 7.3. Унификация деталей Нередко унификация достигается лишь в результате целенаправ- ленной проработки, требующей оригинальных решений. 127 7.3. Принцип агрегатности Целесообразно конструировать узлы в виде независимых агрега- тов, отдельно собираемых, регулируемых, подвергаемых обкатке, контрольным испытаниям и устанавливаемых в отработанном виде на машину. Последовательно проведенное агрегатирование позво- ляет осуществить параллельную и независимую сборку узлов ма- шины, упрощает монтаж, ускоряет доводку опытных образцов, об- легчает использование на новых машинах отработанных и прове- ренных в эксплуатации конструкций и упрощает ремонт, позволяя комплектно заменить износившиеся узлы новыми. Агрегатирование иногда усложняет конструкцию, но в конечном счете всегда дает большой выигрыш в общей стоимости изготовления машин, надеж- ности и удобстве эксплуатации. Примеры агрегатирования мелких узлов приведены на рис. 7.4. Рис. 7.4. Агрегатирование В конструкции а редукционный клапан установлен непосредствен- но в корпусе. Установка клапана в отдельной втулке (конструкция б) делает узел агрегатным. Конструкция в торцового уплотнения неудо- влетворительна. При демонтаже уплотняющий диск 1 под действием пружины сходит с направляющей и пазов, фиксирующих его от вра- щения, и узел распадается. Неудобен и монтаж уплотнения. Введение кольцевого стопора 2 (конструкция г) придает узлу агрегатность. Конструкция д узла установки распределительного золотника в станине ошибочна. Точное отверстие под золотник выполнено непо- средственно в отливке станины. На участке расположения золотника, в месте скопления материала могут возникнуть раковины и пористость, делающие уплотнение золотника невозможным. Износ отверстия в эксплуатации можно исправить только установкой ремонтных гильз. 128 В улучшенной конструкции е золотник установлен в промежу- точной втулке 3, выполненной из качественного материала с повы- шенной износостойкостью. В наиболее правильной конструкции ж золотник установлен в отдельном корпусе 4, соединяемом со стани- ной по привалочной поверхности. 7.4. Устранение подгонки Необходимо избегать установки и подгонки узлов и деталей по месту. Подгонка, особенно сопровождаемая операциями слесарной или станочной обработки, снижает производительность сборки и лишает конструкцию взаимозаменяемости. Конструкция зубчатой передачи (рис. 7.5, а) неудовлетворитель- на. Опоры зубчатых колес зафиксированы на корпусе болтами. Сборщик вынужден регулировать положение опор так, чтобы до- биться правильного зацепления колес. При разборке регулировка сбивается, и в дальнейшем операцию подгонки приходится проде- лывать снова. Положение опор можно зафиксировать контрольны- ми штифтами (б), но это требует дополнительных механических операций при сборке. Рис. 7.5. Устранение подгонки при сборке 129 В правильной конструкции в опоры центрированы по отверсти- ям, взаимное расположение которых выдерживается с необходимой точностью при механической обработке корпуса. В наиболее целе- сообразной конструкции г зубчатые колеса заключены в общий корпус, что обеспечивает полную агрегатность и создает наилучшие условия для работы колес. На рис. 7.5, д и е показаны неправильная и правильная конструк- ции узла установки зубчатого перебора с клиноременным приводом. 7.5. Устранение и уменьшение изгиба Во всех случаях, когда допускает конструкция, изгиб следует за- менять более выгодными видами деформации – растяжением, сжати- ем или сдвигом. Целесообразно применение стержневых или близких к ним систем, элементы которых работают преимущественно на рас- тяжение-сжатие. Если изгибное нагружение неизбежно, то следует уменьшать плечо изгибающих сил и увеличивать моменты сопротив- ления на опасных участках. Особенно это важно при консольном нагружении, наиболее невыгодном по прочности и жесткости. Конструкция 1 (рис. 7.6) привода роликового толкателя ошибоч- на. Направляющая втулка толкателя, выполненная в виде консоли, подвергается сильному изгибу действием приводного кулачка. Крепление конца втулки в станине (конструкция 2) устраняет изгиб. На рис. 7.6 приведен пример последовательного упрочнения сварного соединения проушины с трубой. Конструкция 3 нерацио- нальна. Вылет проушины чрезмерно велик; соединение работает на изгиб. Протяженность сварного шва недостаточна; в его крайних верхних точках при изгибе возникают высокие растягивающие напряжения. В усиленной конструкции 4 проушина удлинена по направлению действия силы и подвергается преимущественно рас- тяжению, а сварной шов – преимущественно сдвигу. В еще более прочной конструкции 5 проушина врезана в трубу. Ниже рассмотрены приемы последовательного упрочнения флан- цевого соединения, нагруженного растягивающими силами. Кон- струкция 6 нерациональна вследствие большого вылета крепежных болтов относительно стенок соединяемых деталей. Уменьшение вы- лета до предела, допускаемого условием размещения головок болта, а также условиями обработки опорных поверхностей под головки (конструкция 7), снижает изгибающий момент. Дальнейшего упроч- 130 нения можно достичь введением ребер (конструкция 8, 9) и прибли- жением стенок к оси болтов путем гофрирования стенок (конструк- ция 10) или расположения болтов в нишах (конструкция 11). Рис. 7.6. Устранение изгиба 7.6. Устранение деформаций при затяжке Следует устранять возможность деформации частей конструк- ции при затяжке (рис. 7.7, 1). Шпильки и болты, проходящие через полые детали, нужно заключать в жесткие колонки (конструкция 2). В отдельных случаях можно ограничиться подкреплением стяги- ваемых стенок ребрами т (конструкция 3), расположенными в непосредственной близости к крепежной детали. Крепление крышки подшипника (конструкция 4) ошибочно. За- тяжка болтов вызывает деформацию крышки, сопровождающуюся нарушением правильной цилиндрической формы подшипника. Кро- ме того, в болтах возникают напряжения изгиба. В конструкции 5 крышка освобождена от действия сил затяжки. 131 Рис. 7.7. Устранение деформации при затяжке 132 На рис. 7.7 показаны неправильная 6 и правильная 7 конструк- ции фланцев. Узел 8 крепления крышки шатуна является непра- вильным, а 9 – правильным. Крепление тяги в вилке (конструкция 10) требует точной обработки или притирки поверхностей обеих деталей. В противном случае неиз- бежен или распор вилки тягой, или прогиб щек при затяжке болтов. В улучшенной конструкции 11 нижний болт заменен призонным пальцем, испытывающим сдвиг и смятие. Щеки изгибаются (при наличии зазора в соединении) только в результате затяжки верхнего болта, которая вызывает меньшие напряжения, чем в конструкции 10. В конструкции 12 детали соединены призонными пальцами, зафикси- рованными в осевом направлении стопорными кольцами, и не испы- тывают изгиба. Однако соединение лишено преимущества затяжки. По суммарным показателям прочности и жесткости лучшей яв- ляется конструкция 11. При креплении оси в вилке (конструкция 13) в щеках вилки возни- кает изгиб. Подкрепление щек распорной втулкой (конструкция 14) заставляет точно выдерживать длину втулок и ширину пролета между щеками, что усложняет изготовление. Крепление оси в одной из щек штифтом (конструкция 15) освобождает узел от внутренних напряжений, но лишает его жесткости. Наиболее правильно затяги- вать палец только в одной щеке (конструкция 16). Жесткость уве- личивается по сравнению с конструкцией 15, хотя и уступает жест- кости конструкции 14. При установке ролика в вилке (конструкция 17) затяжка оси вы- зывает смыкание проушин вилки до упора в торцы ролика, в резуль- тате чего ролик теряет подвижность. Введение дистанционной втул- ки (конструкция 18) исправляет положение, но усложняет изготов- ление. Наиболее целесообразно крепить ось штифтом в одной из проушин (конструкция 19). Свободу вращения ролика обеспечива- ют, предусматривая осевой зазор между роликом и проушинами. Фиксация втулки 20 подшипника является ошибочной. Стопор- ный винт завертывается до упора во втулку, вследствие чего по- следняя деформируется (штриховая линия). В правильной кон- струкции 21 винт упирается головкой в корпус подшипника: между резьбой и наружной поверхностью втулки оставлен зазор п. Затяжка упорной шайбы 22, нагруженной по торцу подшипника скольжения, является неправильной. Высота заплечика вала недо- 133 статочна; при затяжке возникает сила Р, деформирующая шайбу. Для сохранения плоской формы шайбы следует увеличить высоту заплечика и уменьшить диаметр гайки (конструкция 23) или при- дать шайбе жесткий воротник (конструкция 24). В узле установки зубчатого колеса на центрирующих конусах (конструкция 25) ошибка заключается в том, что конусы располо- жены под зубьями; при затяжке зубья деформируются (штриховые линии). В правильной конструкции 26 конусы вынесены за пределы зубчатого венца. Конструкция 27 уплотнения с разрезными пружинными кольца- ми ошибочна. При затяжке гребешки корпуса деформируются, и кольца теряют подвижность. Конструкции 28–30 исключают за- щемление колец. В отдельных случаях создают незначительную деформацию с целью увеличения жесткости и устойчивости крепления. Например, при креплении колонны в станине (конструкция 31) между фланцем колонны и опорной поверхностью оставляют зазор s, выбираемый при затяжке (конструкция 32). Зазор устанавливают расчетом или экспериментально так, чтобы напряжения во фланце не превышали допустимых значений. В узле 33 крепления направляющего лопаточного аппарата к крыльчатке центробежного насоса торцы лопаток обработаны на конус и при затяжке плотно смыкаются с лопатками крыльчатки 34, что предотвращает вибрации лопаток при работе. 7.7. Компактность конструкции Одним из признаков рациональной конструкции является ком- пактность. Целесообразное использование объема уменьшает раз- меры, массу и металлоемкость. Уменьшения осевых размеров можно иногда достичь разноской конструкции в радиальном направлении. В узле торцового уплотне- ния (рис. 7.8, 1), втулка т которого прижимается пружиной к уплотняющему диску п, расположение пружины снаружи втулки (конструкция 2) делает узел более компактным без нарушения па- раметров, определяющих его работоспособность. 134 Рис. 7.8. Уменьшение габаритных размеров 135 В шлицевых, конусных и других соединениях, несущая способ- ность которых пропорциональна квадрату диаметра, при одинако- вой нагружаемости длина соединения подчиняется соотношению   2 1 2 2 1l l D D . Значительного сокращения осевых размеров мож- но достичь сравнительно малым увеличением диаметра (конструк- ции 3, 4 и 5, 6). Для размещения конструктивных элементов следует использо- вать свободные полости. В компенсирующей шлицевой муфте 7 с заданной длиной L промежуточной втулки можно сократить габа- риты путем частичного (конструкция 8) или полного (конструкция 9) ввода ступиц приводных дисков в полость втулки. При размерах, показанных на рисунке, длина соединений сокращается в отноше- нии 1 2 3: : 1:0,8:0,6L L L  . В узле установки зубчатого колеса 10 сокращение длины до- стигнуто расположением ступицы подшипника под венцом колеса (конструкция 11). Конструкцию шарикового подпятника 12 можно сделать компактной, спрятав узел подпятника в полости вала (кон- струкция 13). Размеры шарнирного соединения трубопроводов 14 сокращены путем замены одной из наружных сферических поверхностей внут- ренней сферической поверхностью (конструкция 15). В узле 16 концевой установки вала, нагруженного радиальной и осевой силой переменного направления, осевую нагрузку восприни- мают два однорядных упорных подшипника. Конструкция громозд- кая. Фиксация вала в продольном направлении неточная: упорные подшипники, расположенные на значительном расстоянии один от другого, должны быть установлены с осевым зазором, компенсиру- ющим тепловые деформации системы; в установке неизбежен осе- вой зазор. В конструкции 17 осевую нагрузку воспринимает двухрядный упорный подшипник, расположенный между радиальными опора- ми. При том же расстоянии L между опорами размеры узла сокра- щены примерно в 1,5 раза. Осевой зазор становится минимальным. При сохранении тех же размеров, что и в конструкции 16, можно увеличить разноску радиальных опор в 1,5 раза с выгодой для устойчивости вала. 136 В исходной конструкции 18 гайка законтрена подпружиненным стопором q с двумя шестигранниками, из которых больший сколь- зит в шестигранном отверстии вала, а меньший входит в шести- гранное отверстие гайки. Осевые размеры узла неоправданно вели- ки. Для отвертывания гайки необходимо предварительно утопить стопор до вывода малого шестигранника из зацепления с гайкой; неопытный сборщик может попытаться отвертывать гайку без пред- варительного освобождения стопора. При отвертывании стопор, ничем не зафиксированный в осевом направлении, выпадает из от- верстия вала. В конструкции 19 осевые размеры уменьшены путем размеще- ния пружины в шестиграннике стопора. Длина внутреннего шести- гранника гайки сокращена, что исключает возможность отворачи- вания гайки без предварительного освобождения стопора. В наиболее рациональной конструкции 20 стопор выполнен из шестигранного прутка. Шестигранные отверстия в валу и гайке обрабатываются одной протяжкой (в предыдущих конструкциях требовались две протяжки). Благодаря установке пружины снаружи стопора осевые размеры узла сокращены в 1,5 раза по сравнению с исходной конструкцией. Стопор зафиксирован в осевом направ- лении пружинным кольцом и не выпадает из отверстия после от- вертывания гайки. Отвернуть гайку можно лишь после освобож- дения стопора. На рис. 7.9, а показан узел конической передачи с обычной кон- сольной установкой зубчатого колеса. В конструкции б применена двухопорная установка. Один конец вала ведущего колеса установ- лен в стенке корпуса, другой – в отъемной крышке 1 с окном на участке зацепления зубьев. Габариты передачи существенно сокра- щены, устойчивость колес улучшена. При переносе зубчатого колеса на другую сторону ведомого вала (конструкция в) осевые размеры передачи сокращаются почти в 2 раза по сравнению с исходной конструкцией. Редуктор с конической передачей обычной схемы (г) отлича- ется большими размерами. Объем корпуса рационально исполь- зован в конструкции д, где подшипники большого конического колеса и один из подшипников малого колеса установлены в при- ливе внутри. 137 Рис. 7.9. Уменьшение габаритных размеров конической передачи 7.8. Принцип самоустанавливаемости В подвижных соединениях, где возможны перекосы и смещения деталей, необходимо предусматривать свободу самоустанавливае- мости, обеспечивающую правильную работу деталей при всех воз- можных неточностях изготовления и монтажа. В подпятнике с жесткой установкой опорной шайбы в корпусе (рис. 7.10, 1) пята работает по шайбе краями вследствие неизбеж- ных в системе перекосов. В конструкции 2 шайба установлена на сферической опоре, что обеспечивает контакт по всей поверхности трения. Кроме того, шарнирная установка допускает образование клинового зазора, обеспечивающего гидродинамическую смазку. Принцип самоустанавливаемости широко применяют в кон- струкции опор валов, подверженных изгибу и перекосам. Само- устанавливаемость особенно необходима в случае подшипников скольжения с большим отношением длины к диаметру. При жест- кой установке 3 изгиб и перекос вала вызывают повышенные кро- мочные давления, резко ухудшающие условия работы подшипника. Для придания самоустанавливаемости подшипники устанавливают на сферических опорах 4 и 5. 138 Рис. 7.10. Обеспечение самоустанавливаемости 139 В шариковых радиальных подшипниках 6 изгиб вала вызывает перекос подшипника и одностороннюю нагрузку шариков, иногда намного превышающую номинальную нагрузку. Это устранимо за- ключением подшипника в сферическую обойму 7 или применением двухрядных сферических подшипников 8. Сферические двухрядные подшипники обладают пониженной нагружаемостью по сравнению с однорядными радиальными вслед- ствие неблагоприятной для контактной прочности формы наруж- ных беговых дорожек и не приспособлены для восприятия значи- тельных осевых сил. Поэтому в узлах, воспринимающих повышен- ную осевую нагрузку, предпочтительнее применять однорядные подшипники 9 на сферических опорах или двухрядные самоуста- навливающие подшипники 10 с бочкообразными роликами. Несу- щую способность упорных подшипников 11 повышают установкой их на сферических шайбах. Высокой нагружаемостью отличаются самоустанавливающиеся сфероконические подшипники 12 с бочко- образными роликами. Другой пример – двухступенчатый поршень воздушного ком- прессора 13. Поршень т перемещается в цилиндре низкого давле- ния, скалка п скользит в цилиндре высокого давления (воздушные коммуникации на рисунке не показаны). Недостаток конструкции состоит в том, что поршень и скалка выполнены как одно целое. Требуется соблюдение точной соосности рабочих поверхностей: во- первых, поршня и скалки, во-вторых, отверстий цилиндров высо- кого и низкого давлений. Так как зазор между скалкой и стенками цилиндра высокого давления гораздо меньше, чем зазор между поршнем и стенками цилиндра низкого давления, поперечные силы привода воспринимаются преимущественно скалкой, которая в этой конструкции подвергается усиленному износу. В целесообразной конструкции 14 скалка может несколько пере- кашиваться и смещаться относительно оси поршня. Нагрузку при- вода воспринимает поршень; скалка разгружена от поперечных сил. Требование строгой соосности отверстий цилиндров низкого и вы- сокого давлений отпадает. Конструкция 15 тарельчатого клапана, в которой тарелка жестко закреплена на хвостовике шпинделя, не обеспечивает беззазорной посадки клапана на седло вследствие неизбежного отклонения от перпендикулярности посадочной плоскости относительно оси шпин- 140 деля. Другая ошибка заключается в том, что тарелка при посадке вращается вместе со шпинделем относительно седла. Последняя ошибка исправлена в конструкции 16, где тарелка зафиксирована на хвостовике шпинделя двумя поперечными штифтами q. При закры- тии клапана шпиндель проворачивается относительно тарелки. Од- нако беззазорная посадка клапана не обеспечена. В наиболее целесообразной конструкции 17 торец шпинделя вы- полнен по сфере, благодаря чему тарелка клапана свободно само- устанавливается и плотно садится на седло при всех возможных неточностях изготовления. Для обеспечения самоустановки фикси- рующие штифты посажены с зазором s относительно заплечика хвостовика шпинделя. В перекидной заслонке 18, закрывающей попеременно два вза- имно перпендикулярных трубопровода, обеспечить плотное приле- гание заслонки к седлам практически невозможно, особенно ввиду того, что трубопроводы установлены на мягких прокладках и их положение при переборках может значительно изменяться. В пра- вильной конструкции 19 заслонка установлена на сферическом шар- нире t, зафиксирована на рычаге в продольном направлении попе- речными штифтами u и застрахована от вращения вокруг оси стерж- ня фиксирующими штифтами в лунках стержня. В многопоточных конических передачах 20 очень трудно обес- печить равномерную нагрузку зубьев, т. к. регулировка одной пары зубчатых колес вызывает разрегулировку остальных пар. В тяжело- нагруженных передачах вводят упругие элементы, обеспечивающие приблизительно одинаковую нагрузку на зубья, независимо от не- точностей изготовления и монтажа шестерен. В конструкции 21 колеса соединены с валами шлицевыми вен- цами с увеличенными радиальными и окружными зазорами и опер- ты на плавающие сферические шайбы v. Перемещение колес в ра- диальном направлении и их поворот вокруг центров сфер обеспечи- вают выравнивание нагрузок на зубья. Для сохранения правильно- сти зацепления необходимо, чтобы поверхность сфер на участке расположения зубьев приблизительно следовала форме начального конуса шестерен. В зажимном приспособлении 22 силу зажима воспринимает прак- тически одна точка рифленой поверхности. Резьба зажимного болта подвергается изгибу. 141 Конструкция 23 освобождена во всех звеньях от перекосов. Из- гиб болта предотвращен затяжкой гайки на сферическую шайбу. Установка болта на шарнире придает механизму дополнительное преимущество быстроты действия. Для удобства манипулирования введена пружина, предупреждающая спадение шайбы при откиды- вании болта. Приспособление 24 предназначено для зажима пакета заготовок с помощью рычага w, приводимого штоком х гидравлического ци- линдра. Вследствие колебаний размеров заготовок неизбежен за- жим в одной точке; при зажиме нижним краем упорной поверхно- сти рычага (увеличенные осевые размеры пакета) возможно выво- рачивание заготовок. Установка упорного элемента на шарнире обеспечивает правильный зажим (конструкция 25). 7.9. Бомбинирование Поверхности, работающие под нагрузкой в условиях линейного или плоскостного контакта, целесообразно выполнять слегка выпук- лыми, что обеспечивает центральное приложение нагрузки и устра- няет повышенные кромочные давления, возникающие из-за неточно- стей изготовления и монтажа. Этот прием, называемый бомбиниро- ванием, широко применяют для деталей, работающих под высокой нагрузкой в условиях качения или скольжения. Необходимую степень выпуклости определяют по упругой де- формации поверхности под нагрузкой с учетом возможных в систе- ме перекосов или чаще экспериментально. Изготовляют несколько пробных деталей с различной степенью выпуклости, испытывают их под рабочей нагрузкой и по следам износа выбирают выпуклость, обеспечивающую наиболее благоприятное распределение нагрузки по поверхности. Обычно стрела выпуклости составляет несколько сотых миллиметра. На рис. 7.11 показан кулачковый привод цилиндрического тол- кателя. Острые кромки на поверхностях контакта (а) недопустимы. По меньшей мере необходимо округление торцов (б). В конструк- ции в кулачок бомбинирован. Технологически проще придать вы- пуклую форму рабочей поверхности толкателя (г). В конструкции д бомбинирована направляющая поверхность толкателя. При внецен- тренном нагружении толкатель в известных пределах самоустанав- 142 ливается с сохранением более или менее равномерного контакта на рабочих поверхностях. Другой способ обеспечения самоустанавли- васмости заключается в придании направляющей поверхности тол- кателя небольшой конусности (е). Рис. 7.11. Обеспечение самоустанавливаемости (узел привода толкателя) 7.10. Сопряжение по нескольким поверхностям Следует избегать сопряжения деталей по нескольким поверхно- стям (рис. 7.12, а и в). Детали следует сопрягать только по одной поверхности, предусматривая на остальных зазоры (рис. 7.12, б, г и д), достаточные для того, чтобы исключить их соприкосновение при всех возможных неточностях изготовления, упругих деформа- циях, тепловых расширениях системы или при сжатии уплотняю- щих прокладок. Рис. 7.12. Сопряжение поверхностей 143 Грубые ошибки, подобные приведенным на рис. 7.12, а и в, до- пускают только начинающие конструкторы. Чаще встречаются ошиб- ки, заключающиеся во введении излишней подгонки, излишнего цен- трирования и т. п. Например, подгонка призматической закладной шпонки к шпоночной канавке по всему контуру (рис. 7.12, е) намного осложняет производство. Правильно подгонять шпонку только по рабочим граням, оставляя зазоры по горцам шпонки и между верхней плоскостью шпонки и днищем канавки (рис. 7.12, ж и з). 7.11. Затяжка по двум поверхностям Затяжка по двум поверхностям иногда неизбежна по конструк- тивным условиям. Например, одновременная равномерная затяжка всех поверхностей трех фланцев 1 (рис. 7.13) требует совместной обработки торцов, подгонки или очень точного изготовления. Если фланец 2 выступает из гнезда, то притягиваемая деталь подвергает- ся изгибу. Если фланец утоплен в гнезде, то теряется осевая фикса- ция фланца 3. Рис. 7.13. Затяжка по двум поверхностям Введение упругих прокладок 4–6 улучшает конструкцию. В частности, эта мера обеспечивает герметичность соединения, если 144 прокладка достаточно толста и упруга, а также перекрывает несов- падение уплотняемых поверхностей. С целью обеспечения герме- тичности и точной осевой фиксации фланца устанавливают про- кладки из мягкого металла (красной меди, свинца, алюминия) тол- щиной, превышающей глубину гнезда под прокладку. При затяжке металл прокладки пластически деформируется, уплотняя соедине- ние и фиксируя фланец 7. Для истечения избытка металла должен быть предусмотрен свободный объем. Напряжения смятия, возни- кающие в прокладке под действием рабочих осевых сил, должны быть меньше предела текучести материала прокладок, иначе воз- можна потеря точности осевой фиксации. В случае применения более твердых металлов (латуни, бронзы, низкоуглеродистой отожженной стали) для обеспечения пластиче- ской деформации уменьшают размеры прокладок 8 и 9, их делают гребенчатыми 10, 11 или гофрированными 12. Деформируемые прокладки необходимо сменять при каждой пе- реборке. Для многократного применения используют пружинные прокладки: конические 13, U-образные 14, V-образные 15, N-образ- ные 16 и Х-образные 17. Герметичность обеспечивают цинковани- ем, кадмированием и серебрением прокладок. Сила затяжки пружин должна быть больше действующих на фланец рабочих нагрузок. 7.12. Осевая фиксация деталей Детали следует фиксировать в осевом направлении только в од- ной точке, предусматривая возможность самоустановки детали по остальной ее длине. Если, например, палец зафиксирован врезными винтами в двух опорах (рис. 7.14, а), то при тепловом изменении размеров в узле возникают лишние напряжения. В правильной кон- струкции б закреплен только один конец пальца; противоположный конец может перемещаться в опоре. В ошибочной конструкции в зубчатой передаче с шевронным зубом колеса зафиксированы в осе- вом направлении дважды – зубом и упором в торцы подшипников. Добиться совпадения фиксирующих баз практически невозможно. Ошибку можно исправить, предусмотрев зазоры s, допускающие самоустановку одного из пары колес по зубу (конструкция г). 145 Рис. 7.14. Осевая фиксация деталей В узле установки вала зубчатого колеса в подшипниках сколь- жения вал зафиксирован в двух точках, находящихся на большом расстоянии одна от другой (конструкция д). Точная фиксация в дан- ном случае невозможна, т. к. во избежание заклинивания опорных поверхностей при тепловом расширении корпуса, а также с учетом неточностей изготовления и монтажа необходим большой зазор между фиксирующими поверхностями. Несколько улучшает конструкцию сближение фиксирующих по- верхностей (конструкция е). В правильных конструкциях ж, з вал зафиксирован на коротком участке; противоположный конец вала самоустанавливается в опоре. На свободных участках деталей следует предусматривать запасы на самоустановку и производственные отклонения размеров. 7.13. Ведение деталей по направляющим Детали, совершающие прямолинейное поступательно-возвратное движение по двум направляющим, следует фиксировать на одной 146 направляющей; вторая направляющая должна только поддержи- вать деталь (рис. 7.15, б и г). Одновременное двойное направление (рис. 7.15, а, в) предъявляет повышенные требования к точности изготовления направляющих и пазов. При переменах температурно- го режима направление может нарушиться, вследствие чего деталь заклинивается в направляющих. Рис. 7.15. Направление деталей: а, в – неправильное; б, г – правильное 7.14. Привалочные поверхности Привалочные поверхности под съемные детали следует выпол- нять плоскими. Следует избегать крепления на цилиндрической по- верхности. Изготовление таких соединений очень трудоемко. Равно- мерная затяжка болтов, расположенных под углом, затруднительна. При креплении на поверхностях, расположенных под углом, тре- буется точно выдержать равенство углов привалочных поверхно- стей детали и корпуса, чтобы исключить деформацию детали при затяжке. Крепежные болты необходимо затягивать попеременно и каждый раз на небольшую величину, чтобы обеспечить плотное прилегание детали к обеим приваленным поверхностям. Предпо- чтительнее конструкция с плоским креплением. Правило крепления по плоскости имеет особое значение для гер- метичных соединений. На уплотняющих поверхностях не должно быть ступенек, внутренних и наружных углов. Недопустима под- гонка по криволинейным поверхностям. Если требуется герметич- ность, то единственно правильным решением является сопряжение крышки по плоской поверхности. 7.15. Стыкование по скрещивающимся плоскостям Стыкование детали по скрещивающимся плоскостям усложняет изготовление и затрудняет уплотнение стыков. Пример нетехноло- гичного соединения приведен на рис. 7.16, а. Боковая крышка 1 147 установлена на стыке корпуса и верхней крышки. Конструкция тре- бует обработки привалочной поверхности в сборе корпуса и крыш- ки. Для обеспечения герметичности стыка необходима установка толстой упругой прокладки. В целесообразной конструкции б стык корпуса и крышки вынесен за пределы расположения крышки. Рис. 7.16. Стыкование по скрещивающимся плоскостям Нетехнологична конструкция в корпуса, состоящего из двух по- ловин, разнимающихся в вертикальной плоскости А-А. Верхняя крыш- ка установлена на стыке половин. Еще хуже конструкция г, в которой крышка стыкуется с половинами корпуса по двум взаимно перпен- дикулярным плоскостям. В правильной конструкции д приваленные плоскости обособлены. 7.16. Точность взаимного расположения деталей Детали, нуждающиеся в точной взаимной фиксации, предпочти- тельно устанавливать в одном корпусе при минимальном числе пе- реходных сопряжений и посадок. В качестве примера приведем узел редукционного клапана (рис. 7.17, а). Наиболее важное, определяю- щее надежность работы узла сопряжение конической фаски клапана с гнездом осуществляется через ряд переходных сопряжений, каж- дое из которых является источником неточностей. Эти сопряжения следующие: посадка между штоком 1 клапана и направляющей втулкой 2; между втулкой 2 и крышкой 5; между крышкой 3 и кор- пусом 4; между седлом 5 клапана и корпусом 4. 148 Рис. 7.17. Редукционный клапан Конструкция требует соблюдения строгой соосности следующих элементов: во втулке – отверстия и посадочной поверхности; в крыш- ке – отверстия и центрирующего буртика; в корпусе – центрирую- щего отверстия под крышку и отверстия под седло; в седле – фаски и посадочной поверхности. При притирке по седлу клапан центрируется в направляющей втулке 2. Достигнутая герметичность нарушается при переборках в результате смещения крышки 3 относительно корпуса 4. В рациональной конструкции б клапан центрирован непосред- ственно в седле. Точность направления клапана определяется только одним сопряжением – между направляющим хвостовиком 6 клапана и седлом 7. Для обеспечения правильной работы необходимо соблю- сти соосность только следующих элементов: в клапане – направляю- щей поверхности хвостовика и фаски; в седле – фаски и посадочной поверхности. Все остальные элементы узла можно выполнить с по- ниженной точностью. При притирке клапан центрируется в седле; переборки узла не влияют на достигнутую герметичность. 7.17. Буртики Буртики применяют для упора деталей в неподвижных соедине- ниях и для ограничения осевого перемещения деталей в подвижных сочленениях. Наиболее рациональны буртики с формой равного сопротивления изгибу, обладающие наименьшей массой и простые в изготовлении. Нерабочую поверхность буртика целесообразно вы- полнять под углом 45° так, чтобы ее можно было обработать про- 149 ходным резцом с обычным значением главного угла в плане 45°. Изготовление фасонных буртиков затруднительнее. Высоту буртиков следует сокращать до минимума, допускаемого конструктивными условиями. Чем выше буртик, тем больше отход металла в стружку и трудоемкость изготовления. На рис. 7.18 приведен обзор способов уменьшения высоты бур- тиков и полной их замены (для случая неподвижных соединений). В конструкциях б–г насадная деталь затягивается на промежуточную шайбу, упирающуюся в заплечик или буртик уменьшенной высоты. Рис. 7.18. Уменьшение высоты буртиков и их замена В неподвижных соединениях д буртик часто заменяют кольце- выми стопорами прямоугольного сечения. Прочность узла е можно повысить заключением кольца в цилиндрическую выточку на дета- ли или в промежуточной шайбе ж, предупреждающую раскрывание и выход кольца из канавки. Силовой упор обеспечивают кольцевые стопоры круглого сечения, охватываемые конической выточкой на детали или в промежуточной шайбе (рис. 7.18, з–к). Для легкоразбираемых соединений применяют полукольца, за- водимые в канавки на валу и фиксируемые конической или цилинд- рической выточкой в затягиваемой детали (рис. 7.18, л, м). В конструкции н охватывающее кольцо 1 зафиксировано на по- лукольцах 2 с помощью пружинного кольцевого стопора 3. Соеди- нение разбирают вручную сдвигом кольца в осевом направлении. 150 В конструкциях о, п буртик образован зачеканкой кольца из пла- стичного металла в выточку на валу. Зачеканку производят на рота- ционно-ковочных машинах; после зачеканки кольцо обрабатывают совместно с валом. В конструкции р упор создается коническим бронзовым коль- цом, посаженным по H7/h6 на гладкий вал. При тангенсе угла кону- са tg < f (где f – коэффициент трения) конструкция обеспечивает надежную осевую фиксацию насадной детали за счет сил трения, возникающих между кольцом и валом. Если необходима установка в строго определенном положении, то кольцо упирают в буртик вала, высота которого может быть очень незначительной, так как основной упор по-прежнему создает- ся силами трения (рис. 7.18, с). Следует отметить, что все посадки упорных колец в канавки ослаб- ляют вал и не рекомендуются для соединений, подверженных высоким циклическим нагрузкам. В отдельных случаях можно ликвидировать ослабление утолщением вала на участке расположения канавки. 7.18. Фаски и галтели Все внешние углы деталей должны быть снабжены фасками (табл. 7.1), внутренние углы – галтелями (табл. 7.2). Таблица 7.1 Фаски Эскиз детали Назначение фасок Неправильно Правильно Механически обрабатываемые детали Предотвращение травмы рук. Предо- хранение точных поверхностей от забоин Облегчение сборки 151 Продолжение табл. 7.1 Эскиз детали Назначение фасок Неправильно Правильно Прессовые соединения Облегчение запрессовки Предотвращение выпучивания метал- ла на кромках отверстий Неподвижные и подвижные сочленения Уменьшение кромочных давлений Накатные детали Удобство манипулирования. Улучше- ние внешнего вида Резьбовые соединения. Нарезные стержни и отверстия Облегчение наживления и завертывания 152 Окончание табл. 7.1 Эскиз детали Назначение фасок Неправильно Правильно Гайки Создание кольцевой опорной поверхно- сти (диаметр D). Предупреждение то- чечного контакта вследствие смятия граней Гайки и головки болтов Облегчение накидывания ключа Головки болтов Облегчение накидывания ключа 153 Таблица 7.2 Галтели Эскиз детали Назначение галтелей Неправильно Правильно Входящие углы нагруженных деталей Уменьшение концентрации напряже- ний на участках переходов. Повыше- ние статической прочности и сопро- тивления усталости 154 Продолжение табл. 7.2 Эскиз детали Назначение галтелей Неправильно Правильно Детали, работающие в условиях контактного нагружения Уменьшение кромочных давлений Детали, подвергаемые механической обработке Увеличение стойкости режущего инструмента 155 Продолжение табл. 7.2 Эскиз детали Назначение галтелей Неправильно Правильно Детали, подвергаемые термообработке Предотвращение обезуглероживания и перегрева кромок. Уменьшение за- калочных напряжений на участках переходов Детали, подвергаемые химико-термической обработке Равномерное насыщение поверхност- ного слоя вводимыми элементами Детали, подвергаемые гальванопокрытиям Предотвращение местных колебаний плотности тока. Равномерное осажде- ние металла. Облегчение полирования Детали, покрываемые красками, лаками и эмалями Равномерное нанесение покрытия 156 Продолжение табл. 7.2 Эскиз детали Назначение галтелей Неправильно Правильно Литые детали Равномерная кристаллизация металла при остывании. Уменьшение усадоч- ных напряжений Штампованные детали Улучшение течения металла; заполне- ние входящих углов ручьев штампа Листовые штампованные детали Облегчение вытяжки металла. Предотвращение разрывов на участ- ках переходов Листовые вырубки детали Увеличение стойкости вырубного инструмента Резервуары Устранение очагов коррозии во вхо- дящих углах. Облегчение промывки Детали, работающие в горячей среде Предотвращение перегрева и обгора- ния кромок Выпускной клапан 157 Окончание табл. 7.2 Эскиз детали Назначение галтелей Неправильно Правильно Лопатка турбины Теплорассеивающие ребра Улучшение теплоперехода из тела дета- ли в ребра Декоративные детали Улучшение внешнего вида. Облегчение полирования Детали ручного управления Предупреждение травмы рук. Облег- чение полирования Фаски обычно выполняют под углом 45°. Катет с фаски для ци- линдрических деталей общего назначения можно определять из со- отношения 0,1c D , где D – диаметр цилиндра. Значения c, полу- ченные из этого выражения, округляют до стандартных: 0,2; 0,5; 0,8; 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5. На свободных, не сопрягающихся поверхностях фаски дела- ют размером 0,1–0,2 мм. В отличие от конструктивных фасок их на изображении не показывают, а указывают в технических тре- бованиях чертежа надписью типа: острые кромки притупить R = 0,2 мм. Необходимость притупления острых кромок чаще указывают в общих технических условиях на изготовление изде- лия, где оговаривают также размеры и допустимые колебания раз- меров таких фасок. Галтели перекрывают галтелями большего радиуса, чем галтель охватываемой детали, выточками и (способ наиболее технологич- ный) фасками. 158 8. Конструирование литых деталей Литье широко применяют для изготовления фасонных деталей от мелких до самых крупных типа базовых и корпусных. У многих машин (двигатели внутреннего сгорания, турбины, компрессоры, металлорежущие станки и т. д.) масса литых деталей составляет 60–80 % массы машины. С помощью литья можно получить детали самой сложной кон- фигурации, невыполнимые другими способами формообразования. Литейный процесс производителен и недорог. Для литых деталей характерны пониженная прочность, различные механические показатели в разных участках отливки, склонность к образованию дефектов и напряжений. Качество отливки зависит от технологии литья и конструкции детали, поэтому конструктор должен знать основные правила литейной техники и уверенно вла- деть приемами, обеспечивающими получение качественных отли- вок при наименьших производственных затратах. Рассмотрим наиболее распространенный способ – литье в песчан- ные формы. Многие правила конструирования деталей, отливаемых в песчаные формы, действительны и для других способов литья. 8.1. Толщина стенок и прочность отливок Стенки литых деталей обладают неодинаковой прочностью в по- перечном сечении из-за различия условий кристаллизации. Проч- ность максимальна в поверхностном слое, где металл вследствие повышенной скорости охлаждения приобретает мелкокристалличе- скую структуру и где образуются благоприятные для прочности остаточные напряжения сжатия. В поверхностном слое чугунных отливок преобладают перлит и цементит. Сердцевина, застывающая медленнее, имеет крупнокристаллическое строение с преобладани- ем феррита и графита. В ней нередко образуются дендритные кри- сталлы и возникают усадочные раковины и рыхлоты. Чем массивнее стенка, тем резче разница между прочностью серд- цевины и корки, поэтому увеличение толщины стенок не сопровож- дается пропорциональным увеличением прочности отливки. По этим причинам, а также для уменьшения массы целесообраз- но выполнять стенки отливок наименьшей толщины, которая до- 159 пускается условиями литья. Необходимую жесткость и прочность обеспечивают оребрением, применением рациональных профилей, приданием детали выпуклых, сводчатых, сферических, конических и тому подобных форм. Такой метод всегда приводит к получению более легких конструкций. На видах рис. 8.1 показаны примеры нерационального оформле- ния литых деталей в виде массивных отливок (г) и рационального – в виде тонкостенных конструкций (д). Рис. 8.1. Формы литых деталей Механическую обработку литых деталей следует сводить к мини- муму не только в интересах сокращения стоимости изготовления, но и по соображениям прочности (при механической обработке удаляется наиболее прочный поверхностный слой). Участки, подвергаемые ме- ханической обработке, усиливают, утолщая прилегающие стенки. 8.2. Формовка Конструкция отливки должна обеспечивать простое и удобное из- готовление формы. Это условие разделяется на следующие, частные:  модель должна беспрепятственно извлекаться из формы;  стержни должны свободно формоваться в стержневых ящиках; 160  конфигурация и крепление стержней не должны препятство- вать сборке формы. Устранение подрезок. Для свободного извлечения модели из формы нужно, чтобы на поверхности модели не было подрезок – выступов или углублений, расположенных перпендикулярно или наклонно к направлению выемки, которые при извлечении модели срезают отформованные участки. На рис. 8.2, а показана схема подрезки. Деталь имеет наклонные ребра. При извлечении модели (направление извлечения показано штриховкой, перпендикулярной к плоскости А–А разъема формы) ребра срезают участки формы, зачерненные на рисунке. Для устра- нения подрезки можно выполнить части модели, мешающие выем- ке, отъемными или выдвижными. Перед извлечением модели эти части отнимают или убирают внутрь модели, после чего модель вы- ходит из формы. По другому способу модель изготовляют с запол- нением подрезаемых участков; такая модель дает форму, изобра- женную на виде б. Требуемую конфигурацию получают установкой в форме закладных стержней после извлечения модели (вид в). Рис. 8.2. Подрезки и способы их устранения Все эти способы усложняют и удорожают формовку. Целесооб- разнее придать детали конфигурацию, исключающую подрезку. При расположении ребер параллельно направлению извлечения (вид г) модель беспрепятственно выходит из формы. При конструировании отливки необходимо иметь ясное пред- ставление о расположении плоскости разъема и о положении детали в форме при заливке. Как правило, детали отливают ответственны- ми поверхностями вниз, т. к. металл в нижних частях отливки полу- чается более плотным и качественным, чем в верхних. Установив плоскость разъема, необходимо последовательно просмотреть все элементы конструкции и устранить подрезки. 161 В табл. 8.1 приведены примеры подрезок в типовых машино- строительных деталях и способы их устранения. Таблица 8.1 Исходная конструкция Исправленная конструкция и способ устранения Ручной маховичок Изменение конфигурации детали Патрубок Расположение осей фланцев под углом 90° Трубчатая деталь Изменение конфигурации бобышки Корпус Расширение внутренней полости корпуса Корпус Продление бобышек до днища корпуса 162 Продолжение табл. 8.1 Исходная конструкция Исправленная конструкция и способ устранения Корпус Устранение фланца путем перехода с болтового крепления на крепление шпильками Корпус Продление бобышек до потолка корпуса Крыльчатка вентилятора Устранение перекрытия лопастей Спицы маховика Поворот двутаврового сечения спицы на 90° Бобышки Слияние бобышек 163 Продолжение табл. 8.1 Исходная конструкция Исправленная конструкция и способ устранения Корпусная деталь с наружными бобышками и платиками Продление бобышек до плоскости разъема Изменение расположения бобышек Корпусная деталь Деталь изготовлена без нижнего фланца Корпусные детали с косыми и вафельными ребрами Переход на прямые ребра Разъем форм. Следует избегать разъема форм по наклонным и ступенчатым плоскостям, осложняющего изготовление форм. Для формовки рычага со смещенными плечами (рис. 8.3, а) тре- буется ступенчатый разъем. Формовка упрощается при расположе- нии плеч в одной плоскости (вид б). 164 Формовку криволинейного патрубка (рис. 8.4, а) можно упро- стить, выпрямив ось патрубка при незначительном изменении рас- положения привязочных точек патрубка (вид б), а при необходимо- сти и с сохранением его (вид в). Рис. 8.3. Устранение ступенчатого разъема формы Рис. 8.4. Упрощение формовки криволинейных патрубков Для удешевления производства и повышения точности отливки следует всеми способами упрощать форму отливок. Контуры дета- лей и внутренних полостей рекомендуется образовывать простейши- ми линиями – прямыми, дугами окружности и т. д. Крупные и слож- ные литые детали целесообразно разделять на части. 8.3. Отливки, формуемые без применения стержней Открытые отливки целесообразно формовать по моделям без при- менения стержней. В этом случае модели придают конфигурацию, точно соответствующую форме изделия. Непременное условие при- менения этого способа состоит в том, чтобы на внутренней поверх- ности детали не было подрезок. 165 На рис. 8.5 приведены примеры перевода типовых деталей на бес- стержневую формовку. Рис. 8.5. Стержневая и бесстержневая формовка: а, б – крышка; в, г – кронштейн; д, е – рычаг; ж, з – корпус; и, к – переходник; л, м – ротор; н, о – корпус подшипника Требования упрощения и удешевления производства не всегда совпадают с требованиями прочности и жесткости детали и удоб- ства эксплуатации. 8.4. Стержни При конструировании внутренних полостей следует придавать стержню конфигурацию, обеспечивающую свободное его извлече- ние из стержневого ящика. Конфигурация внутренних полостей должна допускать свобод- ную установку стержней в форме. При конструировании внутрен- них полостей следует обеспечивать выход газов, выделяющихся из стержней при заливке металла. Тонкие стержни для увеличения прочности обычно армируют про- волочным каркасом. Необходимость извлечения каркаса при уда- 166 лении стержня ограничивает минимальное сечение стержня и тре- бует продуманного расположения окон. Толщина стержня, армированного проволокой, для отливок не- большого и среднего размеров должна быть не меньше 6–8 мм. В местных перемычках допустимо утоньшение стержня до 5 мм. При конструировании деталей с несколькими стержнями при- мерно одинаковой конфигурации рекомендуется унифицировать стержни, добиваясь сокращения их номенклатуры. В отливках с открытыми нижними полостями стержни устанав- ливают основанием в нижней опоке. Стержни, формирующие верх- ние полости, подвешивают в верхней опоке за обратный конус или с помощью проволоки, укрепляемой на брусе, опирающемся на верх- нюю опоку. Целесообразнее опирать верхний стержень на нижний через окно в горизонтальной стенке отливки (вид г). В закрытых полостях стержни крепят на знаках, представляющих собой отформованные заодно со стержнем выступы, устанавливае- мые в гнездах, образованных в форме соответствующими выступа- ми на модели. Знаки выполняют цилиндрическими или конически- ми. Последние обеспечивают более точную установку стержня в поперечном направлении, но осевая фиксация получается менее определенной, чем при цилиндрических знаках, упирающихся в гнезда формы торцами. Обычно для крепления знаков используют имеющиеся на детали отверстия. В отливках с замкнутыми внутренними полостями стерж- ни крепят с помощью специальных знаков, выводимых через отвер- стия в стенках отливки. В готовом изделии отверстия могут оставать- ся открытыми, если это допустимо по функциональному назначению детали. Отверстия, портящие внешний вид детали, а также отверстия полостей, которые должны быть герметичны, заглушают. Для повышения устойчивости крепления и облегчения выбивки стержней отверстиям под знаки следует придавать максимальные размеры, допустимые без существенного ослабления детали и без ущерба для ее внешнего вида. Расположение знака должно обеспечивать устойчивую и по воз- можности точную установку стержня во всех трех измерениях. Креп- ление должно быть достаточно прочным для того, чтобы выдержать вес стержня, а при заливке противостоять динамическому действию потока металла и гидростатических сил, вызывающих всплывание 167 стержня вследствие различия удельных весов жидкого металла и материала стержня. На практике наибольшее значение имеет гидро- статическая сила. Для предотвращения всплывания необходимо располагать знаки с упором в верхнюю часть формы. Недопустимо консольное креп- ление стержней с большим вылетом консоли относительно точки крепления, т. к. гидростатические силы вызывают выворачивание стержня из гнезда. 8.5. Формовочные уклоны Для облегчения выемки модели из формы поверхностям, пер- пендикулярным к плоскости разъема, придают формовочные (ли- тейные) уклоны. В табл. 8.2 приведены стандартные уклоны в зависимости от вы- соты h поверхности над плоскостью разъема и соответствующее поперечное смещение крайних точек поверхности tgh   . Таблица 8.2 Высота над поверхностью разъема h, мм Угол наклона стенки  Уклон (tg) htg, мм Высота над поверхностью разъема h, мм Угол наклона стенки  Уклон (tg) htg, мм До 20 20–50 50–100 100–200 3° 1°30' 1° 45' 0,052 0,026 0,0175 0,013 До 1 0,5–1,25 0,9–1,8 1,3–2,6 200–800 800–2000 Более 2000 30' 20' 15' 0,010 0,006 0,004 2–8 5–12 Более 8 Величину стандартных уклонов на чертежах не проставляют, и детали вычерчивают без уклонов. Однако уклоны следует учиты- вать, особенно при конструировании деталей, имеющих большую высоту (в направлении, перпендикулярном к плоскости разъема). На чертежах крупногабаритных отливок целесообразно указы- вать уклон или предпочтительнее предусматривать конструктивные уклоны, превышающие формовочные уклоны. Придерживаться стан- дартных конструктивных уклонов необязательно. 168 8.6. Усадка Усадкой называют сокращение размеров отливки при остыва- нии. Усадка является одним из основных показателей литейных ка- честв материала и наряду с другими свойствами (жидкотекучесть, теплоемкость, теплопроводность, окисляемость, склонность к обра- зованию ликватов) определяет пригодность металла к литью. Чем меньше усадка, тем больше точность размеров отливки и тем мень- ше опасность появления усадочных напряжений, раковин, трещин и коробления отливки. Фактическая усадка зависит от сопротивления, оказываемого внут- ренними частями формы сокращению размеров отливки. При жест- ких стержнях усадка может уменьшиться на 30–50 % по сравнению со свободной усадкой, но при этом в стенках отливки возникают повышенные усадочные напряжения. Усадку учитывают корректировкой размеров формы. 8.7. Внутренние напряжения Внутренние напряжения возникают в стенках отливки, усадка ко- торых тормозится сопротивлением элементов формы или действием смежных стенок. Усадочные раковины и пористость появляются в частях отливки, застывающих в последнюю очередь, – в утолще- ниях и массивах, теплоотвод от которых затруднен. Повышенные внутренние напряжения вызывают коробление от- ливки и могут привести к образованию трещин. Со временем внутренние напряжения перераспределяются и ча- стично рассеиваются в результате медленно протекающих диффу- зионных процессов (естественное старение). Через длительный промежуток времени (2–3 года) деталь меняет первоначальную форму, что недопустимо для точных машин (например, металлоре- жущих станков). Первопричиной усадочных напряжений является различие тем- ператур стенок. На этом основан способ одновременного затверде- вания. Обеспечивая равномерное остывание отливки, при котором температура стенок в каждый данный момент одинакова, можно получить отливку, свободную от усадочных напряжений. 169 8.8. Одновременное затвердевание При проектировании отливок по принципу одновременного за- твердевания нужно придерживаться следующих правил:  стенки отливки должны иметь по возможности равномерную толщину;  элементам отливки, остывающим в условиях пониженной теп- лоотдачи (внутренние стенки), следует для ускорения затвердева- ния уменьшать сечения;  переходы между стенками различной толщины должны быть плавными;  стенки отливки не должны иметь резких переходов, при изме- нении направления стенки должны быть соединены плавными пе- реходами;  нужно избегать местных скоплений металла и массивов;  участки соединения стенок с массивами целесообразно выпол- нять с пологим утолщением по направлению к массивам или усили- вать ребрами. Целесообразно увеличивать податливость отливки в направлении усадочных деформаций путем придания стенкам сводчатых форм, введения тепловых буферов и др. Технологически равномерность остывания обеспечивают актив- ным управлением скоростью охлаждения. Массивные отливки, а так- же участки с ухудшенным теплоотводом охлаждают с помощью ме- таллических холодильников, вставок из теплопроводных формовоч- ных составов (смеси с хромистым железняком, магнезитом и др.). Образование усадочных раковин и пористости в массивных участках предупреждают питанием поздно застывающих узлов жидким металлом (установка питающих бобышек, дополнительных литников и выпоров, введение прибылей). Торможение усадки внутренними элементами формы устраняют, применяя податливые формовочные смеси, пористые, ячеистые и полые стержни. Остаточные напряжения устраняют стабилизирующей термиче- ской обработкой. Чугунные отливки подвергают искусственному старению (выдержка 5–6 ч при 500–550 °С с последующим медлен- ным охлаждением в печи). Перед старением производят обдирку 170 отливок. Окончательную механическую обработку производят по- сле старения. Детали, подвергнутые искусственному старению, практически не меняют своих размеров в эксплуатации. Эффективный способ устранения внутренних напряжений, а так- же общего повышения качества отливки состоит в контролируемом охлаждении отливки. Металл заливают в подогретые формы. После затвердевания (точка солидуса) форму медленно охлаждают, давая выдержки при температурах фазовых превращений, когда происхо- дят наибольшие изменения объема, а также при температурах пере- хода из пластического состояния в упругое. Этот способ устраняет первоисточник усадочных напряжений, т. к. в каждый данный момент температура всех частей отливок одинакова. Напряжения, обусловленные торможением формы, предотвращают, применяя податливые стержни. Нагревом формы перед заливкой удаляется из формовочной сме- си влага, пары и газы, которые при заливке в холодные формы вы- зывают паровые и газовые раковины и пористость. Стоимость такого процесса немногим превышает стоимость ли- тья обычным способом с последующей стабилизирующей термооб- работкой. 8.9. Направленное затвердевание Для отливки деталей из сплавов с пониженными литейными ка- чествами применяют способ направленного затвердевания. Стенкам придают сечения, прогрессивно увеличивающиеся кверху. Затвер- девание идет снизу вверх; нижние сечения по мере затвердевания питаются жидким металлом из расположенных выше сечений; верх- ние сечения, застывающие в последнюю очередь, питаются из мас- сивных прибылей, располагаемых сверху отливки. Поперечные стенки делают наклонными, расширяющимися кверху, и соединяют со смеж- ными стенками плавными галтелями. Усадочная раковина сосредо- точивается в прибыли. В прибыль уходят неметаллические включе- ния, шлаки, плены, засоры. Недостатки способа направленного затвердевания: 1) утяжеление отливки в результате расширения стенок кверху (недостаток, особенно выраженный у отливок большой высоты); 171 2) увеличенный расход металла; 3) усложнение формовки из-за наличия прибылей; 4) затруднительность удаления прибылей. 8.10. Правила конструирования Для одновременного затвердевания толщину внутренних стенок рекомендуется делать равной примерно 0,8S (где S – толщина наружных стенок). Переходы от стенки к стенке следует выполнять с галтелями. Во всех случаях, когда позволяет конструкция, целесо- образно применять максимальные радиусы переходов, допускаемые конфигурацией детали. В конструкции литых деталей следует избегать местных скопле- ний металла, утолщений, массивов, образующих горячие узлы. Про- ектируя отливку, нужно тщательно просмотреть все места скопле- ния материала с учетом припусков на механическую обработку, ко- торые существенно влияют на распределение металла. На участках, где массивы неизбежны, следует технологически обеспечивать ускоренное охлаждение. Форма отливки должна облегчать усадку. Сводчатые, арочные, выпуклые, скорлупные формы уменьшают усадочные напряжения, улучшают условия отливки и увеличивают прочность деталей вслед- ствие увеличения моментов сопротивления сечений. Повышается жесткость конструкций, что особенно важно для отливки из сплавов с низким модулем упругости (серые чугуны, легкие сплавы). Форма отливки должна обеспечивать всплывание неметалличе- ских включений и выход газов, выделяющихся при остывании от- ливки в результате понижения растворимости газов в металле с умень- шением его температуры. Внешние обводы литых деталей рекомендуется снабжать ранта- ми (литейными окантовками, рис. 8.6, а, б) с целью увеличения жесткости, повышения равномерности застывания и (у чугунных отливок) предотвращения отбела чугуна. У стыкуемых по торцам деталей (в) ранты способствуют равно- мерному распределению сил затяжки. При наличии рантов легче зачистить неровности и уступы, образующиеся на стыках вслед- ствие неточности литья, и добиться совпадения наружных конту- ров стыков. 172 Как правило, следует снабжать окантовками облегчающие и тех- нологические отверстия в стенках (г, д) для повышения прочности и улучшения условий охлаждения отливки. Ориентировочные разме- ры рантов приведены на видах а, г. Следует избегать выполнения в отливках отверстий малого диа- метра и большой длины. Такие отверстия следует сверлить. Длинные отверстия (типа мас- ляных каналов) лучше выполнять сверлением, заливкой трубок или заменять их трубчатыми съемными магистралями. Рис. 8.6. Окантовка кромок Конфигурация литых масляных каналов и маслосодержащих по- лостей должна допускать полную очистку поверхностей от литей- ного пригара, песка и прочих засорений. Для увеличения жесткости и прочности литых деталей и как сред- ство улучшения отливки применяют оребрение. Целесообразное рас- положение ребер позволяет улучшить питание элементов отливок и предупредить возникновение усадочных раковин и внутренних напряжений. У верхушки ребер обязательны галтели радиусом не менее 1 мм. Основание ребер соединяют со стенкой галтелями. Если ребро затвердевает при отливке позднее, чем стенка (как нередко бывает в случае внутренних ребер), то при усадке (направ- ление усадки показано на рисунке штриховыми стрелками) в нем возникают напряжения растяжения (сплошные стрелки). Если реб- ро, напротив, затвердевает раньше, то в нем возникают благоприят- ные для прочности напряжения сжатия. Более быстрое остывание достигается уменьшением толщины ребер. 173 Ребрам следует придавать наиболее простые формы. Вогнутые ребра нецелесообразны по прочности; при работе на изгиб и растя- жение в них возникают высокие напряжения, пропорциональные сте- пени вогнутости. Ребра выпуклого профиля некрасивы и утяжеляют деталь. Лучше всего применять прямолинейные ребра, наиболее проч- ные при работе на растяжение-сжатие и изгиб. В деталях, работающих на изгиб, рекомендуется избегать соеди- нения ребра со стенкой в плоскости, где изгибающий момент имеет большую величину, т. к. момент сопротивления сечения в плоско- сти слияния ребра со стенкой понижен. Лучше подводить ребра до края детали (в область наименьших значений изгибающего момен- та), присоединяя их к поясам жесткости. Во избежание ослабления следует не применять механическую обработку ребер. Следует предупреждать возможность подрезки ребер, примыкающих к поверхностям, подвергаемым механической обработке. Ребра должны быть расположены ниже обрабатываемой поверхности на 3–6 мм. Не рекомендуется выводить ребра на необ- рабатываемую поверхность фланцев, т. к. на участках слияния ребер затрудняется формовка. Целесообразно располагать ребра ниже не- обрабатываемых поверхностей на величину, равную радиусу закруг- ления фланцев (вид 17). Участки перехода ребер в тело детали следует выполнять радиу- сами не менее 3–6 мм. Как правило, ребра следует подводить к узлам жесткости – участкам изменения направления стенок и крепежным узлам. При двустороннем оребрении рекомендуется во избежание местных скоплений металла, а также для уменьшения усадочных напряжений располагать ребра в шахматном порядке. 8.11. Нанесение размеров Нанесение размеров на чертежах литых деталей должно отра- жать расположение литейных баз и баз механической обработки, а также учитывать отклонения размеров. Основные правила нанесения размеров литых деталей следующие:  необрабатываемые поверхности следует привязывать к литей- ной черновой базе непосредственно или с помощью других размеров; 174  исходную базу механической обработки следует привязать к черновой литейной базе; все остальные размеры механически обра- батываемых поверхностей – к базе механической обработки непо- средственно или с помощью других размеров. Привязывать литейные размеры к размерам механически обраба- тываемых поверхностей и наоборот недопустимо, за исключением случая, когда литейная база и база механической обработки совпа- дают (осевые базы). На рис. 8.7 приведены варианты нанесения размеров литой детали. Рис. 8.7. Нанесение размеров на литой детали Нанесение размеров по виду а неверно. Расстояние между обра- батываемыми плоскостями, привязанными к черным поверхностям суммой размеров 15, 175 и 10 мм, в данном случае колеблется в широких пределах вместе с колебаниями размеров черных по- верхностей. Такая же ошибка допущена в конструкции б, где расстояние между обрабатываемыми поверхностями задано суммой размеров 185 и 15 мм. 175 При нанесении размеров по виду в расстояние между обрабаты- ваемыми плоскостями (200 мм) выдерживается в необходимых уз- ких пределах (в пределах допуска на механическую обработку). Ошибка заключается в том, что черные поверхности привязаны к смежным обрабатываемым плоскостям (размеры 15 и 10 мм). Вы- держать такую координацию практически невозможно; положение черных поверхностей колеблется в пределах точности литья, а с ни- ми колеблется и расстояние до обрабатываемых плоскостей. На виде г ошибка усугублена тем, что толщина верхней горизон- тальной стенки, заданная в предыдущих случаях непосредственно размером 5 мм, определена высотой внутренней полости, заданной относительно обрабатываемой нижней плоскости (размер 185 мм). Таким образом, вводится еще один источник неточности. Толщина стенки будет колебаться в широких пределах. В системе нанесения размеров по виду д положение нижней об- рабатываемой плоскости задано двумя размерами – от верхней чер- ной поверхности детали (размер 190 мм) и от верхней черной по- верхности фланца (размер 15 мм). Выдержать такую координацию практически невозможно. На виде е показана правильная система. В качестве черновой ба- зы выбрана верхняя, необрабатываемая поверхность фланца. К ней размером 15 мм привязана база механической обработки (нижняя плоскость фланца). К базе механической обработки привязана об- рабатываемая верхняя плоскость (размер 200 мм). Верхняя черная поверхность координируется от литейной базы (размер 175 мм) и от нее – толщина верхней стенки (размер 5 мм). Расстояние к между верхней обрабатываемой плоскостью и верх- ней черной стенкой становится замыкающим звеном размерной це- пи и служит компенсатором отклонений расположения поверхно- стей, получаемых литьем. Поскольку величина к на чертеже не ого- ворена, ее не принимают в расчет при контроле детали. Разумеется, номинальное значение к должно быть больше максимально возмож- ного смещения верхней стенки в результате неточности литья. Примеры нанесения размеров на литых деталях приведены на рис. 8.8 (неправильно нанесенные размеры заключены в прямо- угольные рамки). 176 Рис. 8.8. Нанесение размеров на литых деталях 9. Конструирование механически обрабатываемых деталей Механическая обработка принадлежит к числу наиболее трудо- емких и дорогих способов изготовления и составляет до 70 % стои- мости изделия. Главные технологические способы повышения производитель- ности обработки: 1. Сокращение машинного времени (интенсификация процессов резания). К этим способам относятся скоростное резание (увеличе- ние главной скорости резания), силовое резание (увеличение подачи и глубины реза), производительные способы обработки (обработка многолезвийным инструментом, внутреннее и наружное протягива- ние, фрезоточение и т. д.). 2. Сокращение вспомогательного времени – применение быст- родействующих приспособлений автоматизации подачи, установки, крепления и снятия заготовок, обработка по настроенным операци- ям, автоподналадка настройки, автоматизация контроля. Разновид- ностью этого способа является последовательная обработка загото- вок в многоместных приспособлениях. 177 3. Совмещение во времени операций обработки (синхронизация переходов). К этому способу относятся обработка комбинирован- ным инструментом и многоинструментная обработка (многорезцо- вое точение и строгание, фрезерование набором фрез). Наиболее полное выражение этот способ получил в агрегатных станках, про- изводящих одновременную обработку нескольких поверхностей заготовки. 4. Одновременная обработка нескольких заготовок – параллель- ная и параллельно-последовательная обработка нескольких загото- вок в многоместных приспособлениях, непрерывная обработка на роторных, карусельных и барабанных станках. 5. Ускорение передачи заготовок со станка на станок (механиче- ская транспортировка заготовок, рациональная расстановка обору- дования). Наивысшую производительность дают автоматические и полуавтоматические линии, особенно роторные. Обязательными условиями применения производительных спо- собов обработки, специальной технологической оснастки и специа- лизированных станков являются массовость и стабильность выпус- ка продукции, устранение многомодельности и всемерная унифика- ция конструкций. В конструкции механически обрабатываемых деталей должно быть предусмотрено максимальное сокращение трудоемкости обра- ботки при одновременном обеспечении высокого качества и надеж- ности машин. При конструировании механически обрабатываемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:  сокращать протяженность механически обрабатываемых поверх- ностей до конструктивно необходимого минимума;  уменьшать количество металла, снимаемого при обработке;  предусматривать изготовление деталей наиболее производитель- ными методами обработки без снятия стружки (штамповкой, холод- ной высадкой, чеканкой и т. д.);  шире применять профильный и сортовой прокат с сохранени- ем наибольшего числа черных поверхностей;  предусматривать изготовление деталей из заготовок с формой, возможно близкой к форме окончательного изделия;  облегчать изготовление трудоемких деталей путем примене- ния составных конструкций; 178  избегать излишне точной механической обработки. Применять в каждом отдельном случае наиболее низкую точность, обеспечи- вающую правильную работу узла и удовлетворяющую условию взаимозаменяемости;  обеспечивать возможность применения наиболее производитель- ных способов механической обработки (обработка мерным много- лезвийным инструментом и т. д.);  предусматривать возможность обработки на проход, являю- щейся главным условием повышения производительности, получе- ния высокой точности и малой шероховатости обрабатываемых по- верхностей;  при невозможности обработки на проход обеспечивать выход обрабатывающего инструмента на расстояние, достаточное для по- лучения точных поверхностей;  обеспечивать удобный подход режущего инструмента к обра- батываемым поверхностям;  предусматривать возможность обработки максимального числа поверхностей при одной операции на одном станке, с одного уста- нова, одним и тем же инструментом;  деталям многократного и массового применения придавать формы, допускающие групповую обработку с применением комби- нированного инструмента;  обеспечивать возможность обработки точных соосных и парал- лельных отверстий с одного установа, облегчающей получение со- осности и точных межосевых расстояний;  предусматривать четкое разделение поверхностей, обрабатывае- мых на различных операциях, различным инструментом и с различ- ной степенью точности;  между обрабатываемыми и ближайшими необрабатываемыми поверхностями предусматривать расстояния, обеспечивающие об- работку при наибольших возможных по производственным услови- ям колебаниях размеров заготовки;  избегать совместной обработки деталей в сборе, нарушающей непрерывность производственного потока, снижающей взаимозаме- няемость и затрудняющей смену деталей в эксплуатации;  сокращать номенклатуру обрабатывающего инструмента путем унификации размеров и формы обрабатываемых элементов; 179  в единичном и мелкосерийном производстве сводить к мини- муму применение специального режущего инструмента, по возмож- ности обходясь стандартным инструментом;  придавать обрабатываемым поверхностям форму, обеспечиваю- щую равномерную и безударную работу инструмента;  разгружать цилиндрический многолезвийный инструмент (свер- ла, развертки, зенкеры и т. д.) от одностороннего давления при об- работке;  придавать обрабатываемым участкам высокую и равномерную жесткость, обеспечивающую точную обработку и способствующую применению производительных способов обработки;  предусматривать удобные базы для контроля размеров по воз- можности с применением универсального измерительного инст- румента. 9.1. Сокращение объема механической обработки Примеры устранения лишней механической обработки приведе- ны на рис. 9.1. В узле крепления направляющей (вид а) целесооб- разно уменьшить глубину фиксирующей выборки в корпусе (вид б) до значения, достаточного для надежности фиксации. Рис. 9.1. Примеры сокращения механической обработки В литых деталях (ниша под крепежный болт – виды в, г; крышка – виды д, е; корпусная деталь – виды ж, з) поверхности, нуждающие- ся в обработке, следует располагать выше смежных необработан- ных поверхностей. 180 В узле установки подшипников качения (вид и) точной механи- ческой обработке следует подвергать строго ограниченные участки рабочих поверхностей (вид к). На видах л, м показано сокращение протяженности пояса запрес- совки втулок в корпусе; на видах н, о – центрирующего пояса при- зонного болта. Для деталей, изготовляемых из круглого проката, снижение тру- доемкости механической обработки и уменьшение объема снимае- мой стружки достигается главным образом сокращением перепадов между диаметрами деталей, особенно наибольших диаметров, определяющих главную долю снимаемого материала. В ступенчатом валике (рис. 9.2, а) из-за наличия заплечика уве- личивается диаметр D заготовки и резко повышается объем снимае- мой стружки. Большой перепад диаметром ступенек, в свою очередь, вызывает увеличение объема механической обработки. Объем сни- маемой стружки составляет 135 % объема готового изделия; коэф- фициент использования материала заготовки равен 0,43, т. е. более половины объема заготовки идет в стружку. Рис. 9.2. Детали, изготовленные из круглого проката В конструкции валика без заплечика и с уменьшенным перепа- дом диаметров ступенек (вид б) объем снимаемой стружки вслед- ствие уменьшения диаметра D заготовки сокращается в 3 раза по сравнению с предыдущим вариантом. Большая часть этого сокра- щения до диаметра D1 (80 %) обусловлена удалением заплечика. Коэффициент использования материала повышается до 0,7. 181 На виде в показано дальнейшее сокращение объема снимаемой стружки, достигнутое при изготовлении детали из чистотянутого прутка диаметром, равным максимальному диаметру D2 валика. Ко- эффициент использования материала здесь повышается до 0,8. Примеры сокращения механической обработки посредством умень- шения максимального диаметра деталей показаны на видах г–е (нажимной винт), ж, з (вороток), и, к (колпачок), л, м (ножка). Диаметр изделия нужно согласовать со стандартными диаметра- ми круглого проката. Максимальный диаметр изделия должен быть меньше ближайшего стандартного диаметра. 9.2. Перевод на ковку и штамповку Наиболее целесообразно выполнять детали из заготовок, имею- щих форму, близкую к форме окончательного изделия, получаемую горячей штамповкой в закрытых штампах. Помимо сокращения ме- ханической обработки, штамповка увеличивает прочность благода- ря уплотнению металла, образованию волокнистой текстуры и про- исходящей при остывании заготовки рекристаллизации, сопровож- дающейся образованием мелких равноосных зерен. Цельноштампованные детали при всех прочих равных условиях прочнее, легче и требуют меньшей механической обработки, чем составные детали. Применение штампов экономически оправдано при массовом вы- пуске, когда первоначальные затраты на изготовление штампов быстро окупаются увеличением производительности и сокращени- ем механической обработки. Однако благодаря высокой прочности штам-пованных изделий штамповку нередко применяют в произ- водстве ответственных машин независимо от масштаба выпуска и стоимо-сти изготовления. На рис. 9.3 представлены способы изготовления чашечной дета- ли (деталь показана на рисунке тонкими линиями). Изготовление точением из цилиндрической болванки (рис. 9.3, а) весьма трудоемко. Деталь ослабляется перерезанием волокон мате- риала. На рис. 9.3, б изображена заготовка, полученная на молоте в от- крытом штампе с фасонной матрицей и плоским бойком, в, г – то же, с фасонными матрицами и бойком. 182 Рис. 9.3. Способы изготовления чашечной детали При штамповке в одноручьевом закрытом штампе (вид д) боль- шая часть поверхностей приобретает окончательную форму, за ис- ключением поверхностей, подлежащих механической обработке. От- верстие намечено углублениями 1 (наметками). Напуск в отверстии удаляют механической обработкой или последующими штамповоч- ными операциями. При штамповке в чистовом ручье (вид е) точность необрабаты- ваемых стенок выше; припуски на механическую обработку мень- ше. Перемычку в отверстии удаляют вырубным штампом. На рис. 9.3, ж показана заготовка, полученная на горизонтально- ковочной машине, с прошивкой отверстия. При холодном калибровании всем поверхностям придается окон- чательный вид (вид з), за исключением поверхностей, нуждающих- ся в особо точной обработке (посадочное отверстие, центрирующая выборка, торец фланца). Плоские фасонные детали целесообразно изготовлять из листа. 9.3. Составные конструкции Составные конструкции применяют при небольшом масштабе выпуска, когда изготовление штампов экономически не оправдано. Примеры расчленения деталей как средства уменьшения отхода металла в стружку приведены на рис. 9.4 – 1, 2 – пробковый кран, 3, 4 – поршень, 5–7 – заделка колонны. Расчленение деталей часто позволяет уменьшить трудоемкость механической обработки. 183 Рис. 9.4. Составные конструкции В узле, состоящем из лабиринтного уплотнения и уплотнения раз- резными пружинными кольцами (вид 8), деталь а практически невы- полнима (нельзя подвести режущий инструмент к гребешкам внут- 184 реннего лабиринта и канавкам пружинных колец). Разделение детали на две части (вид 9) позволяет обработать ее без затруднений. На видах 10, 11 показано упрощение обработки кольцевого Т-об- разного паза путем разделения детали на две части. Деталь с внут- ренней ступицей (вид 12) можно обработать с необходимой степе- нью чистоты только при помощи чашечного шлифовального круга (вид 13). В составной конструкции (вид 14) отъемная ступица обра- батывается наружным шлифованием. На рис. 9.4, 15–34 приведены примеры разделения деталей слож- ной конфигурации – ниппель (виды 15, 16), чашечная деталь с внут- ренней сферической поверхностью (17, 18), полый валик с внутрен- ней перегородкой (19, 20). Затруднительна обработка цилиндрических и сферических вы- ступов, ось которых не совпадает с осью вращения детали. Для об- тачивания их необходимы специальные приспособления (центросме- сители); шлифование возможно только при помощи чашечных кру- гов. Такие части целесообразно делать отъемными. Конструкция водила с кольцами, выполненными заодно с корпу- сом водила (вид 21), нетехнологична. Целесообразнее установить пальцы в отверстиях (виды 22, 23), точное изготовление и коорди- нирование которых не представляют затруднений. Выполнение выступающих частей заодно с деталью допустимо, если их не более двух и если они расположены по разные стороны детали (например, лобовые кривошипы, вид 24). Технологически все же предпочтительнее составная конструкция (вид 25), хотя по прочности она уступает цельной. Примеры составных конструкций приведены на видах 26, 27 (крестообразное водило); 28, 29 (рычаг со сферическим бойком). В последнем случае закономерно и другое решение: замена головки сферической чашкой (вид 30). Наружные резьбы на выступающих частях корпусных деталей (вид 31) приходится нарезать вручную, что неприемлемо для массо- вого производства. Целесообразно делать их отъемными (вид 32). Следует избегать центрирования по наружным буртикам на кор- пусных деталях (вид 33), заменяя его центрированием по отверсти- ям (вид 34). 185 9.4. Устранение излишне точной обработки Применять размеры с допусками (посадочные размеры) нужно только в случае необходимости. Квалитет следует выбирать наиниз- ший, допустимый условием взаимозаменяемости и условием надеж- ной работы узла. Поверхности, точность изготовления которых не влияет на рабо- ту узла в целом, следует изготовлять по более низким квалитетам, чем рабочие поверхности. 9.5. Обработка напроход Для увеличения производительности механической обработки и повышения чистоты и точности ее большое значение имеет обра- ботка напроход со свободным входом и выходом режущего ин- струмента за пределы обрабатываемой поверхности. Конструкция корпусной детали, изображенная на рис. 9.5, а, не- технологична, т. к. ход режущего инструмента (торцовой фрезы) вдоль обрабатываемой поверхности ограничен стенками детали. Рис. 9.5. Обработка корпусных деталей напроход Условия резания различны на различных участках обрабатывае- мой поверхности. Вначале изделие подводят к фрезе осевой пода- чей; происходит врезание фрезы в металл, при котором получается грубообработанная поверхность. Для того чтобы получить более или менее одинаковую шероховатость на всем протяжении обраба- тываемой поверхности, нужно сделать несколько проходов. 186 Приемы производительной обработки – скоростное резание, об- работка по настроенным операциям, а также групповая обработка – в данном случае неприменимы. Каждую деталь приходится обраба- тывать индивидуально, затрачивая много времени на подвод, вывод фрезы и настройку в размер. В правильной конструкции б с выступающей обрабатываемой по- верхностью фреза работает напроход, обрабатывая плоскость с оди- наковой шероховатостью при высокой производительности. На виде в показана нетехнологичная конструкция плиты. Подле- жащие обработке поверхности a–f расположены на различных уров- нях; обработка каждой поверхности требует отдельной операции. Контур верхнего фланца вследствие наличия внутренних бобышек приходится обрабатывать при комбинированных поперечной и про- дольной подачах изделия. В технологичной конструкции г все обрабатываемые поверхно- сти выведены на один уровень. Обработка производится в два при- ема – проходом верхней и нижней поверхностей плиты. На рис. 9.6 показаны примеры исполнения точных отверстий. В конструкции 1 подшипник установлен в разъемном корпусе (ра- диальная сборка), в гнезде, ограниченном с обеих сторон стенками. Обрабатывать посадочную поверхность гнезда очень трудно. В конструкции 2 (установка подшипника в целом корпусе с осевой сборкой) точная обработка посадочной поверхности затруднена из-за наличия буртика, фиксирующего подшипник в осевом направлении. Правильны конструкции с обработкой посадочной поверхности напроход. Подшипник в этом случае фиксируют в осевом направле- нии стопорными кольцами (вид 3) или промежуточными втулками (вид 4), из которых одна закреплена в корпусе, а другая служит для затяжки кольца подшипника. На видах 5, 6 показаны нецелесообразная (5) и целесообразная (6) конструкции корпуса подшипника качения. Узел установки подшипников качения в зубчатом колесе с бур- тиком для их фиксации (вид 7) нетехнологичен. Особенно трудно в данном случае обеспечить концентричность посадочных поверх- ностей, обрабатываемых с разных установок. При замене буртика стопорным кольцом (вид 8) становится возможной обработка от- верстия напроход. 187 Рис. 9.6. Обработка напроход 188 В узле установки в глухом отверстии (вид 9) затруднительна об- работка отверстия и притирка плунжера. В данном случае необхо- димо сделать отверстие сквозным (вид 10). В крышке с фасонным фланцем т, обрабатываемым фрезерова- нием (вид 11), целесообразно придать фланцу форму, обеспечиваю- щую обработку напроход (вид 12). В конструкции 13 поверхности под гайки обрабатываются каж- дая отдельно с помощью торцовой фрезы. Изменив форму опорных поверхностей (вид 14), можно обрабатывать все опорные поверхно- сти напроход. Пазы (вид 15) целесообразнее выполнять открытыми (вид 16), так как при этом облегчается обработка, и боковые грани пазов мож- но выполнить с более высокой точностью. Примеры изменения конструкций для обеспечения возможности обработки напроход показаны на видах 17, 18 (посадка втулки в кор- пусную деталь) 19, 20 (узел передачи момента во фланцевом соеди- нении) и 21, 22 (штифтовое крепление вала). На видах 23, 25 изображены неправильные конструкции корпус- ных деталей с отверстиями, расположенными в линию. При нали- чии глухих стенок необходимо обрабатывать отверстия консольной резцовой скалкой, конец которой неустойчив и прогибается под действием силы резания. На видах 24, 26 в корпусах предусмотрены отверстия, через ко- торые можно пропустить борштангу, дав ей вторую опору. На видах 27, 30 показаны примеры упрощения обработки путем приведения обрабатываемых поверхностей в одну плоскость. В кон- струкции блочной головки двигателя (вид 27) обработка ведется по трем уровням: по плоскости а стыка головки с крышкой, по плоско- сти b установки подшипников распределительного валика и по опор- ным поверхностям с гаек крепежных болтов. Целесообразна конструкция, в которой все три плоскости выве- дены на один уровень и обрабатываются за один проход (вид 28). В узле крепления подвески подшипника к картеру (вид 29) под- веска фиксируется с помощью буртиков, что исключает обработку напроход стыковых поверхностей картера и подвесок. В конструкции 30 фиксация подвески выполнена контрольными штифтами, что обеспечивает возможность обработки напроход. 189 9.6. Выход обрабатывающего инструмента Обработка напроход не всегда осуществима по конструктивным условиям. В таких случаях необходимо предусмотреть перебег ре- жущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности на расстояние, достаточное для получения заданной шероховатости и точности. При точной обработке ступенчатых цилиндрических поверхно- стей выход инструмента обеспечивают введением на участках со- пряжения канавок глубиной несколько десятых миллиметра. 9.7. Подход обрабатывающего инструмента Для повышения производительности и точности механической обработки нужно обеспечить свободный подход режущего инстру- мента к обрабатываемым поверхностям. Для этого необходимо ясно представлять себе характер операции, знать размеры режущего ин- струмента и его крепежных элементов, условия установки и креп- ления детали при обработке. На рис. 9.7, 1 изображен шкив клиноременной передачи с нарез- ным отверстием п в ступице под крепежный винт. По конфигурации детали отверстие можно просверлить и нарезать только через холо- стое сверление т в ободе (вид 2), которое должно быть предусмот- рено при конструировании. Способы выполнения отверстия п в кронштейне (вид 3) показа- ны на видах 4–6. При определении угла наклона косого отверстия (вид 5) надо учесть габариты патрона сверла. В конструкции штифтового крепления чашечной детали на валу (вид 7) невозможно просверлить и развернуть отверстие п под штифт, а также установить штифт. Нужно или предусмотреть в ободе шки- ва холостое отверстие m (вид 8) или изменить расположение ступи- цы (вид 9). Отверстие п (вид 10) в приливе цилиндра между фланцами мож- но просверлить через холостое отверстие m в одном из фланцев (вид 11) или через выемку q во фланце цилиндра (вид 12). При накатывании головки лимба в конструкции 13 накатываю- щей ролик невозможно подвести к основанию головки. Накатывае- мый пояс должен быть отнесен от лимба на расстояние s = 3–4 мм (вид 14), достаточное для прохода щеки роликодержателя. 190 Рис. 9.7. Подход режущего инструмента 191 При большом диаметре лимба целесообразно перейти на состав- ную конструкцию 15, что позволяет применить короткий и жесткий роликодержатель. Обработка фигурного паза t в торцовом копире (вид 16) неосу- ществима: подвести пальцевую фрезу для обработки паза невозмож- но, т. к. рядом расположено зубчатое колесо, выполненное заодно с копиром. Для обработки необходимо сделать зубчатое колесо и копир разъ- емными (вид 17). В конструкции 18 зубчатого колеса с внутренним шлицевым вен- цом шлицы можно нарезать только долблением. Для применения наиболее производительного и точного способа обкатывания нужно вынести шлицевой венец за пределы ступицы (вид 19), сместить ступицу (вид 20) или применить составную конструкцию 21. В цельнокованом роторе турбины (вид 22) для обработки внут- ренних поверхностей дисков необходимо раздвинуть диски, увели- чив расстояние b и уменьшив ширину ободьев (вид 23), или перейти на разъемную конструкцию 24. Отфрезеровать лопатки крыльчатки центробежной машины (вид 25) нельзя (шпиндель фрезы упирается в верхушки лопаток). Обработка становится возможной, если увеличить радиус R у осно- вания лопаток (вид 26). 9.8. Разделение поверхностей, обрабатываемых с разной точностью Поверхности, обрабатываемые разным инструментом и с различ- ной степенью точности и шероховатости, должны быть конструк- тивно отделены одна от другой. В вильчатой проушине (рис. 9.8, 1) основание паза совпадает с поверхностью цоколя. В правильной конструкции (вид 2) основа- ние паза приподнято над поверхностью цоколя на величину s (не менее нескольких десятых миллиметра). Конструкция вала с квадратным хвостовиком под насадную де- таль (вид 3) неправильна: обработать торец f вала при фрезеровании граней квадрата без образования ступенек практически невозможно. В конструкции 4 грани приподняты над торцом на расстояние s; торец подрезают при обтачивании цилиндрической поверхности 192 хвостовика. Для перекрытия цилиндрического пояска в насадной детали предусмотрена выточка. Рис. 9.8. Разделение поверхностей, обрабатываемых разными операциями 193 Квадрат хвостовика можно отделить от торца вала кольцевой выточкой с диаметром, несколько меньшим, чем расстояние между гранями (вид 5). В неправильной конструкции зубчатого колеса (вид 6) поверх- ность впадин зубьев совпадает с цилиндрической поверхностью д обода колеса. В правильной конструкции 7 поверхность впадин рас- положена выше поверхности ступицы на величину s, гарантирую- щую выход зуборезного инструмента и предупреждающую вреза- ние инструмента в поверхность обода. Шатунную головку (вид 8), в которой поверхности, получаемые после выполнения разных операций, слиты одна с другой, практиче- ски изготовить нельзя. В конструкции 9 поверхности, обрабатываемые различными ин- струментами, отделены одна от другой. Наружная поверхность h двутаврового стержня, обрабатываемая цилиндрической фрезой, при- поднята на величину s по отношению к головке шатуна; внутренние полости i двутавра, обрабатываемые торцовой фрезой, отодвинуты от головки на расстояние s1; консоли головки, обрабатываемые то- чением, отделены от стержня расстоянием s2. В конструкции 10 кулачка точная поверхность кулачка сливается с цилиндрической поверхностью вала, обрабатываемой более грубо. Прошлифовать тыльную поверхность l кулачка заподлицо с цилин- дром вала невозможно. В правильной конструкции 11 поверхность кулачка расположена выше поверхности вала на величину s, обес- печивающую обработку. В конструкции 12 кулачковой шайбы поверхности т, п кулачков обрабатываются точением заодно с кольцевыми участками q, r тор- ца диска; участки t фрезеруют. Добиться совпадения этих поверх- ностей невозможно. В правильной конструкции 13 фрезеруемая поверхность t распо- ложена выше смежных поверхностей торца диска на величину s. Аналогично в конструкции шайбы с торцовым гребешком (ви- ды 14, 15) поверхность u, обрабатываемую фрезерованием, следу- ет сделать выше остальных поверхностей торца, обрабатываемых точением. Колодку с цилиндрическими пальцами (вид 16) обработать труд- но. Необходимо обработать за два перехода токарным резцом при- легающие к пальцам поверхности V, обеспечив их точное совпаде- 194 ние. Конструкция с цилиндрическими цоколями W, приподнятыми на величину s (вид 17), правильна только в том случае, если по- верхность V колодки между пальцами черная; обрабатывать эту по- верхность трудно. Если примыкающая к пальцам поверхность подлежит обработке, то ей следует придать форму, показанную на виде 18. Цоколи W пальцев обрабатывают точением, поверхность V – фрезерованием напроход. У шестигранников, примыкающих к цилиндрическим поверхно- стям (вид 19), грани должны быть расположены выше цилиндриче- ской поверхности (вид 20). В конструкции 21 получить сопряжение шлифовальных рабочих граней паза с основанием паза, выполняемым сверлением, невоз- можно. Необходимо разделить поверхности точной и грубой обра- ботки (вид 22) или выполнить основание паза диаметром, большим ширины паза (вид 23), для выхода шлифовального круга. Примеры неправильного и правильного сопряжения точных и гру- бых поверхностей показаны на видах 24, 25 (толкатель со сфериче- ской головкой) и 26, 27 (призонный болт). Конструкция 28 сопряжения шатунной и коренной шеек коленча- того вала со щеками ошибочна: шлифовальные галтели шеек сразу переходят в щеки, обрабатываемые фрезерованием. В правильной конструкции 29 галтели отделены от поверхностей щек уступами s. В коническом зубчатом колесе (вид 30) упорная поверхность z, обрабатываемая шлифованием, переходит в галтель торцовой по- верхности зубьев, обрабатываемой точением. Получить показанное на рисунке плавное сопряжение практически невозможно. В пра- вильной конструкции 31 шлифуемая поверхность отделена от гру- бой поверхности уступом s. В тарельчатом клапане (вид 32) направляющая поверхность што- ка, обрабатываемая с высокой степенью точности, непосредственно переходит в галтель головки. Практически такое сопряжение можно выполнить только зачисткой участка сопряжения вручную. В правильной конструкции 33 поверхность штока отделена от галтели небольшим уступом s. Цилиндрические поверхности одинакового диаметра, обрабаты- ваемые до различных параметров шероховатости, целесообразно 195 разделять неглубокой канавкой или же обрабатывать всю поверх- ность напроход до одинаковых параметров шероховатости. Для обработки поверхностей с одинаковым номинальным диа- метром, но с различными посадками целесообразно разделить поса- дочные пояса канавкой или один пояс выполнить ниже другого. Если номинальный диаметр посадочной поверхности вала равен наружному диаметру примыкающей резьбы, то из-за увеличения диа- метра резьбы (в результате «подъема» витков при нарезании) быва- ет невозможно установить насадную деталь на вал. В таких случаях следует обработать наружный диаметр резьбы напроход с посадочной поверхностью, о чем должно быть сделано соответствующее указание на чертеже. Целесообразнее уменьшить диаметр резьбы. 9.9. Отделение обрабатываемых поверхностей от черных На заготовках, полученных литьем, штамповкой, ковкой и т. д., обрабатываемые поверхности должны быть отнесены от ближай- ших необработанных поверхностей на расстояние к, превышающее возможные смещения необработанных поверхностей в заготовке. На рис. 9.9 показано применение этого правила для поверхно- стей, расположенных выше (вид а) и ниже (б) черных поверхностей, а также для поверхностей, смежных с черными стенками (в). Если расстояние к недостаточно, то при смещении в литье чер- ной поверхности вверх (вид а) обрабатывающий инструмент вреза- ется в стенку, а при смещении вниз не доходит до нее, и на стенке остается чернота. На виде б при смещении черной поверхности вниз инструмент может не дойти до металла. Смещение боковых стенок (вид в) может вызвать врезание инструмента в металл. На видах г–е показано применение правила отделения обрабаты- ваемых поверхностей для крепежных фланцев. Отодвинуть черные стенки от обрабатываемых поверхностей не всегда позволяют размеры. В таких случаях в стенках делают мест- ные углубления (виды ж, з), ниши, выборки (виды и, к) и т. д., бла- годаря которым на данном участке удается выдержать необходимое расстояние к (ж, и – неправильные; з, к – правильные конструкции). 196 Рис. 9.9. Отделение обрабатываемых поверхностей от черных 9.10. Обработка с одного установа Поверхности, нуждающиеся в точной взаимной координации, целесообразно обрабатывать с одного установа. В редукторе с консольным расположением зубчатых колес (рис. 9.10, а) отверстия под входной и выходной валы обрабатыва- ют с разных сторон корпуса. Выдержать межосевое расстояние аw и обеспечить параллельность осей отверстий при этом трудно. В целесообразной конструкции б предусмотрено дополнитель- ное отверстие т, позволяющее обработать посадочные отверстия с одной стороны. В редукторе со ступенчатыми отверстиями под двухопорные шес- терни (вид в) ошибка состоит в неправильном расположении ступе- ней, не допускающем обработку с одной стороны. В правильной конструкции г благодаря введению холостой втул- ки п становится возможной обработка отверстий с одной стороны. В корпусной детали (вид д) соосность отверстий выдержать слож- но, так как малый диаметр среднего отверстия затрудняет обработ- ку напроход. 197 Рис. 9.10. Обработка с одного установа В корпусных деталях целесообразно делать отверстия одинако- вого (вид е) или ступенчатого (вид ж) диаметра, убывающего по направлению хода режущего инструмента. Последняя система про- ще, производительность обработки выше. В узле установки втулок в корпусной детали (вид з) посадочные поверхности под втулки из-за малого диаметра промежуточного отверстия можно обработать только с разных сторон изделия; соос- ность отверстий обеспечить трудно. 198 В улучшенной конструкции и диаметр промежуточного отвер- стия d1 увеличен до размера, допускающего совместное разверты- вание втулок после запрессовки. Наиболее целесообразна конструкция к. Здесь диаметр отверстия d2 увеличен до размера, при котором возможна обработка напроход по- садочных отверстий под втулки и совместное развертывание втулок. 9.11. Совместная обработка в сборе Следует избегать совместной обработки в сборе, усложняющей и дробящей производственный поток и лишающей конструкции свой- ства взаимозаменяемости. Исключение представляют случаи, когда совместная обработка представляет единственный способ обеспечения работоспособности конструкции. Так, в многоопорных коленчатых валах, установлен- ных в картере, разъем по оси опор является непременным условием сборки, а совместная обработка постелей подшипников в сборе по- ловин картеров – единственным способом обеспечить соосность опор. С разъемом в плоскости оси нередко выполняют корпуса ро- торных машин для удобства монтажа и демонтажа и упрощения осмотра в эксплуатации. 9.12. Перенос профильных элементов на охватываемые детали Внутренние поверхности труднее обрабатывать, чем наружные, поэтому профильные элементы целесообразно выполнять на наруж- ных поверхностях. Следует избегать выполнения длинных резьб в отверстиях. Длин- ную резьбу целесообразно выполнять на стержне, короткую – во втулке. 9.13. Фрезерование по контуру При обработке фрезерованием следует избегать сложных фигур- ных профилей, заменяя их плоскими или цилиндрическими поверх- ностями. 199 Конструкция рычага, подлежащего обработке кругом (рис. 9.11, а), нетехнологична. Наружный контур детали нельзя обработать цилинд- рической фрезой из-за наличия входящих углов. Обработать по- верхности т, ограниченные цилиндрическими стенками бобышек, также очень трудно. Рис. 9.11. Фрезерование по контуру В конструкции б наружный контур описан прямыми линиями и окружностями и поддается копирному фрезерованию. Участки п между бобышками, ограниченные прямыми линиями, можно обра- ботать фрезерованием напроход. Для упрощения обработки одна из сторон рычага (плоскость р) сделана плоской. Фрезеровать контур фланца (вид в) практически невозможно из- за малых галтелей у основания бобышек. Участки между бобышка- ми должны быть профилированы радиусом, по меньшей мере рав- ным радиусу фрезы (вид г), или прямыми линиями (вид д). На рис. 9.11, е–з показаны, е – неправильная, ж, з – правильные конструкции рычага, подвергаемого круговому фрезерованию. Конструкция сухаря и нетехнологична: его цилиндрический кон- тур t можно обработать только фасонной фрезой с поперечной по- дачей заготовки или строганием по копиру. В технологически более целесообразной конструкции к цилин- дрическая поверхность соединена с боковыми полками галтелью радиусом, равным радиусу фрезы, что позволяет обработать эту по- верхность стандартной цилиндрической фрезой с продольной пода- чей заготовки. 200 В конструкции л вся поверхность детали выполнена цилиндри- ческой. Деталь можно обработать фрезерованием в поворотном при- способлении или точением в приспособлении. Для увеличения производительности фрезерования и повышения стойкости фрез следует применять фрезы максимального диаметра, допускаемого конструкцией детали. При обработке плоской выемки (вид м) заданный профиль вы- емки можно обработать только консольной фрезой малого диаметра на вертикально-фрезерном станке; недостаточная жесткость фрезы не позволяет получить правильную поверхность. В конструкции н поверхность обрабатывается фрезой большего диаметра, установленной на двухопорном шпинделе (горизонталь- но-фрезерный станок). Обработка пальцевой фрезой (вид о) допустима только как ис- ключение, когда поверхности необходимо придать контур, близкий к прямоугольному. Обработка этим способом непроизводительна; чистую поверхность получить невозможно. На рис. 9.11, п показано фрезерование торцовой фрезой увели- ченного диаметра, перекрывающей обрабатываемую поверхность. 9.14. Снятие фасок на фигурных поверхностях Следует избегать снятия фасок на фигурных поверхностях. Для снятия фаски по контуру фланца (рис. 9.12, а) требуется копирное фрезерование специальной фрезой. Целесообразнее ограничиться указанием о притуплении кромок (вид б); эта операция производит- ся проще (особенно способом электрохимического травления). Рис. 9.12. Снятие фасок по контуру 201 Снятие фаски по цоколю торцового кулачка (вид в) можно об- легчить, если уменьшить диаметр d цилиндрической части кулачка против диаметра D цоколя на величину, превышающую удвоенный катет фаски (вид г). Если уменьшить диаметр d невозможно по кон- структивным условиям, следует ограничиться указанием о притуп- лении кромок (вид д). Снятие фасок с граней квадрата (вид е) требует специального фрезерования с многократной перестановкой детали в процессе об- работки. В данном случае целесообразно применить фрезерование граней на предварительно обточенном цилиндре (вид ж) с торцовой фаской, малый диаметр d которой должен быть меньше расстоя- ния S между гранями. Фаски на углах встречи граней получаются как след предыдущей обточки цилиндра. 9.15. Обработка углубленных поверхностей Не рекомендуется выполнять фигурное фрезерование с углубле- нием в черную поверхность (рис. 9.13, а). Единственно возможный способ обработки таких поверхностей – фрезерование торцовой фре- зой, диаметр которой определяется минимальным радиусом R за- круглений фасонной поверхности. Поверхность приходится обраба- тывать в несколько проходов; операция крайне непроизводительна, получить поверхность с малой шероховатостью невозможно. Рис. 9.13. Фрезерование углубленных поверхностей Для упрощения обработки можно придать поверхности легко выполнимую обычным торцовым фрезерованием круглую форму диаметром, превышающим заданный максимальный поперечник фа- 202 сонной поверхности (вид б). К такой поверхности можно привали- вать фасонный фланец. Лучше придать фасонной поверхности форму платика, выступаю- щего над черной поверхностью (вид в), и обрабатывать платик тор- цовой фрезой. Возможность применения фрезы, перекрывающей всю обраба- тываемую поверхность, должна быть конструктивно обеспечена. В конструкции г это условие не выполнено: максимальный диаметр D фрезы, ограниченный смежными стенками, недостаточен; поверх- ность приходится обрабатывать в несколько проходов фрезой мало- го диаметра. В конструкции д стенки раздвинуты на величину, допускающую пе- рекрытие поверхности фрезой. Обработка ведется с подачей заготовки в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Лучшие результаты по производительности дает обработка напроход (вид е) с продольной подачей. 9.16. Обработка бобышек в корпусах Подрезка внутренних торцов отверстий в неразъемных корпусах (рис. 9.14, а), разбуртовка (вид б) и снятие фасок (вид в) представ- ляют определенные трудности. Рис. 9.14. Обработка бобышек в корпусах Обработать эти поверхности в корпусах с глухими стенками мож- но только с помощью борштанг с выдвижными резцами. При нали- 203 чии люка поблизости от отверстий (вид г), позволяющего устано- вить резцы, можно применять борштанги обычной конструкции. Для увеличения производительности диаметр отверстия со сто- роны входа инструмента (вид д) следует делать больше диаметра бобышки второго отверстия на величину 2к максимально возмож- ных смещений бобышки при литье. При этом торец малого отвер- стия обрабатывают зенкером. Вторую торцовую упорную поверх- ность создают установкой втулки 1 в большее отверстие. Конструктивное оформление узла для этого случая представлено на виде е (установка промежуточного зубчатого колеса). Возможна и другая конструкция: ступенчатая ось, колесо упирается в торец ступеньки (вид ж). При разбуртовке торца малого отверстия (вид з) диаметр d боль- шого отверстия должен быть не меньше диаметра d разбуртовки. Во избежание образования непрочных усов диаметр D1 черной поверх- ности бобышки должен превышать диаметр d развертки не менее чем на 8–10 мм. Вместо подрезки торцов можно ввести переходные втулки 2 (вид и), торцы которых служат упорными поверхностями (вид к). В корпусах с разъемом по оси отверстий (вид л) необходимо со- блюдать те же правила, так как торцы должны обрабатываться со- вместно, в сборе половин корпуса. В корпусах с разъемом в плоскости, перпендикулярной к оси от- верстий (вид м), отверстия обрабатывают в сборе половин, зафикси- рованных одна относительно другой контрольными штифтами. Тор- цы бобышек можно обработать при разнятых половинах корпуса. 9.17. Обработка отверстий Отверстия неответственного назначения с параметром шероховато- сти поверхности до Rа 3,2 мкм и диаметром до 40 мм рекомендуется выполнять только сверлением, без дополнительной обработки, остав- ляя днище коническим (рис. 9.15, б, д). Формы отверстий по рис. 9.15, а, в, г, требующих дополнительной обработки, нецелесообразны. В отверстиях, обрабатываемых более точно (зенкерованием, рас- тачиванием, развертыванием), необходимо учитывать операцию пред- варительного сверления и особенности инструмента чистовой об- работки. 204 Рис. 9.15. Обработка отверстий Отверстие с плоским днищем (вид е) нельзя обработать зенкером и разверткой. Режущий конус зенкера оставляет на участке т необ- работанный слой металла. В конструкции ж отражено предварительное сверление отверс- тия. Однако глубина сверления недостаточна. На участке п после зенкерования остается необработанный слой металла. В правильной конструкции з сверление углублено в днище от- верстия на глубину l, достаточную для выхода режущего конуса зенкера, что позволяет выдержать заданную длину l чистовой об- работки. Диаметр сверления определяется величиной припуска s на эту обработку. То же правило следует соблюдать для отверстий с поднутряю- щей канавкой для выхода обрабатывающего инструмента. В кон- струкции, где сверление не доходит до днища отверстия (вид и), остается необработанным слой г, который приходится выбирать 205 резцом при расточке поднутрения. В целесообразной конструкции (вид к) сверление углублено в днище поднутрения, поэтому обра- ботка последнего значительно облегчается. Следует избегать применения поднутряющих канавок т (вид л) в отверстиях малого диаметра d < 15–20 мм). Показанная на виде м форма отверстия, подвергаемого развер- тыванию, практически неосуществима из-за наличия режущего ко- нуса на развертке. Необходимо углублять сверление на расстояние l (вид н), достаточное для выхода конуса развертки. На видах о, п показаны неправильные, а на виде р – правильная конструкции нарезных отверстий. Минимальное расстояние l между днищем отверстия и витками резьбы с полным профилем определя- ется длиной заборного конуса метчиков. Следует избегать сверления отверстий под углом  < 70° к по- верхности. При таком сверлении необходима предварительная за- сверловка или подфрезеровка входного участка отверстия, что усложняет изготовление. Для облегчения обработки следует распо- лагать отверстие под углом более 70° к поверхности. Лучше всего сверлить отверстия под прямым углом. Глубину отверстий, получаемых с помощью обычных спираль- ных сверл, рекомендуется во избежание смещения отверстия и по- ломки сверл делать не более 6–8 диаметров. Целесообразно сокращать длину сверлений до конструктивно не- обходимого минимума. Длинные и тонкие сверления рекомендуется заменять ступенчатыми. Длинный, узкий масляный канал, сообщающий сверления в валу, целесообразно заменить отверстием большого диаметра. При необ- ходимости уменьшить сечение канала (например, для ускорения подачи масла в пусковые периоды) можно перекрыть канал вытес- нителем. 9.18. Сокращение номенклатуры обрабатывающего инструмента Для сокращения номенклатуры режущего инструмента следует унифицировать диаметры точных поверхностей. Особенно это важ- но для отверстий, обрабатываемых мерным цилиндрическим ин- струментом (сверла, зенкеры, развертки, протяжки). 206 Во избежание перестановки и смены инструмента целесообразно использовать один и тот же инструмент для выполнения максималь- но возможного числа операций. Свободные переходы между ступеньками и буртиками точеных валов, не служащие опорными поверхностями, целесообразно вы- полнять по конусу с углом наклона, равным углу главной режущей кромки проходного резца в плане (обычно 45°), и галтелью у осно- вания, равной стандартному закруглению у вершины резца R = 1 мм. Это избавляет от необходимости менять режущий инструмент и подрезать торец. В единичном и мелкосерийном производстве не рекомендуется применять специальный инструмент. 9.19. Измерительные базы В качестве измерительных баз обычно используют наличные эле- менты конструкции. Иногда приходится вводить специальные изме- рительные базы (рис. 9.16). Рис. 9.16. Измерительные базы 207 В конструкции конической пробки (рис. 9.16, а) измерить боль- шой диаметр D конуса трудно из-за наличия острой кромки. Изме- рить малый диаметр d конуса практически невозможно. Детали та- кой конфигурации можно обмерить только с помощью конической втулки-калибра. Для облегчения замера целесообразно снабдить конус на большом диаметре цилиндрическим пояском шириной b = 2–3 мм (вид б). В конструкции сферической детали (вид в) измерить диаметр сфе- рической поверхности сложно из-за наличия острой кромки. В це- лесообразной конструкции (вид г) кромка выполнена по цилиндру. Помимо облегчения измерения, такая конструкция у термически об- рабатываемых деталей предупреждает перегрев кромки. Из-за острых кромок на торце конической детали (вид д) трудно выдержать осевой размер l. Плоская площадка на торце (вид е) об- легчает изготовление и измерение. Неправильная конструкция кольцевых ребер показана на виде ж, правильная – на виде з. На зубчатых венцах червячных колес (вид и) целесообразно предусматривать цилиндрические площадки шириной b (вид к), об- легчающие измерение, а также упрощающие сборку червячной пе- редачи в осевом направлении и предупреждающие концентрацию сил на кромках зубьев. Цилиндрические площадки b на зубьях конических зубчатых ко- лес (виды л, м) образуют измерительную базу и предупреждают со- средоточение нагрузок на вершине зуба. Площадки b облегчают установку колеса в осевом направлении. На видах н, о приведен пример введения цилиндрических баз в конструкции храпового колеса. Для облегчения измерения деталей с цилиндрическими высту- пами целесообразно делать число выступов четным. Наружный диа- метр D шлицевого вала с нечетным числом шлицев (вид п) можно измерить только с помощью втулки-калибра: измерить внутренний диаметр d еще труднее. В конструкции с четным числом шлицев (вид р) диаметры D и d можно измерить универсальным измери- тельным инструментом. На виде т (хвостовик конического клапана) приведена кон- струкция с четным числом центрирующих ребер, более целесооб- разная, чем конструкция с с нечетным числом ребер. 208 9.20. Повышение производительности обработки Для увеличения производительности механической обработки целесообразно обрабатывать максимальное число поверхностей на одном станке, с одного установа, за одну операцию, с применением одного инструмента, используя все возможности станка, на котором производится основная операция. При обработке на каждом станке число перестановок детали сле- дует сводить к минимуму, добиваясь обработки максимального чис- ла поверхностей с одного установа. Следует избегать обработки под углом к базовым поверхностям. Это заставляет устанавливать изделие на станках с поворотными стола- ми или в поворотных приспособлениях и усложняет настройку станка. Производительность обработки можно значительно повысить, при- меняя комбинированный инструмент, обрабатывающий одновремен- но несколько поверхностей (сверло-зенкер, резцовые блоки, набор- ные фрезы и т. д.). В крупносерийном и массовом производстве следует обеспечи- вать возможность групповой обработки деталей по настроенной опе- рации с установом заготовок в многоместных быстродействующих приспособлениях. Последовательная обработка сокращает вспомогательное время (время установки заготовок и настройки станка). Параллельная об- работка сокращает машинное время пропорционально числу заго- товок, одновременно подвергаемых обработке. Наибольшее повы- шение производительности обеспечивает параллельно-последова- тельная обработка. Непременное условие применения этих методов – обработка по- верхностей напроход. В конструкции деталей, предназначенных для групповой после- довательной и параллельно-последовательной обработки, следует предусматривать базы, фиксирующие взаимное положение деталей при обработке. При фрезеровании базами могут служить цоколи деталей и их боковые грани. При обработке цилиндрических дета- лей базами служат центральные отверстия. Детали насаживают на оправку и подвергают обработке в комплекте. Обрабатываемые участки должны обладать достаточной жестко- стью, во избежание деформации под действием сил резания. 209 10. Сборка узлов и агрегатов машин При конструировании соединений, узлов и агрегатов должны быть выдержаны следующие условия производительной и каче- ственной сборки:  полная взаимозаменяемость деталей и узлов;  исключение подгоночных работ и установки деталей по месту;  удобный подход монтажного инструмента: возможность при- менения механизированного инструмента;  агрегатный принцип сборки – соединение деталей в первичные подузлы, подузлов в узлы, узлов в агрегаты, установка агрегатов на машину. Соблюдение этих условий позволяет организовать технологиче- ский процесс по принципу параллельного и одновременного выпол- нения операций, закрепить за каждым рабочим местом цикл посто- янно повторяющихся операций и механизировать сборку. В круп- носерийном и массовом производстве выполнение этих условий позволяет организовать непрерывно-поточную сборку. Взаимозаменяемость деталей достигается назначением необхо- димых допусков и предельных отклонений формы (параллельность, перпендикулярность и т. д.). Типы посадок выбирают в зависимости от условий работы соединения. Необходимую точность устанавли- вают размерным анализом, имеющим целью проверку работоспо- собности соединения при крайних значениях зазоров (натягов). Иногда по условиям работы зазоры (натяги) должны быть вы- держаны в более узких пределах, чем те, которые получаются при выполнении размеров даже по 5–6-му квалитетам. В таких случаях часто применяют селективную сборку. В зависимости от величины отклонений от номинала детали делят на несколько групп. При сборке соединяют детали только тех групп, которые в сочетании одна с другой дают необходимую величину зазоров (натягов). Есте- ственно, что при этом принцип взаимозаменяемости нарушается. Необходимость предварительной разбивки детали на размерные группы осложняет и замедляет производственный процесс. Для соединений такого рода целесообразно ввести повышенный (прецизионный) 4-й квалитет. Современные методы чистовой обра- ботки (прецизионное шлифование валов, калибрующее протягива- 210 ние и хонингование отверстий) позволяют получить размеры с точ- ностью 0,5–1 мкм, достаточной для соединений, собираемых в настоящее время методом селективной сборки. Повышение стоимо- сти механической обработки вполне окупилось бы упрощением и удешевлением сборки. Особое внимание следует обратить на устранение подгоночных работ, доделки в процессе сборки и установки деталей и узлов по ме- сту с индивидуальной регулировкой их взаимного расположения. Подгонка требует применения расстраивающих ритм сборки слесар- ных операций или дополнительной станочной обработки, снижает качество сборки и лишает конструкцию взаимозаменяемости. Приго- ночные работы, как правило, очень трудоемки. Необходимы предва- рительная, иногда многократная, сборка узлов, промеры, проверка работы узла и последующая разборка для внесения исправлений. Каждая сборка-разборка связана с операциями промывки деталей. В правильной конструкции детали должны быть выполнены с точ- ностью, обеспечивающей собираемость и надежность узла при ком- плектации его любыми деталями, поступающими со склада готовых изделий. Положение деталей в узле, узлов в агрегате и на машине должно быть определено сборочными базами и фиксирующими эле- ментами, выполненными заранее с помощью станочных операций. При сборке некоторых соединений до сих пор применяют руч- ные операции. К таким операциям относится, например, притирка деталей в соединениях, где требуется высокая степень герметично- сти (посадки конических клапанов, пробковых кранов, плоских рас- пределительных золотников, плунжеров и цилиндрических золот- ников во втулках и т. д.). Притирку применяют также в тяжело- нагруженных соединениях на конусах для полного прилегания и предупреждения наклепа и разбивания посадочных поверхностей. Поскольку притирка производится попарно, детали лишаются свой- ства взаимозаменяемости. Однако и здесь возможна замена ручных операций механически- ми не только на предварительных, но и на окончательных стадиях обработки. Так, на передовых предприятиях трудоемкую операцию попарной притирки плоских поверхностей в соединениях металла по металлу заменяют механизированной притиркой каждой из по- верхностей по эталонной плите, благодаря чему сопрягающиеся де- тали становятся взаимозаменяемыми. 211 10.1. Осевая и радиальная сборка Система сборки оказывает большое влияние на конструкцию уз- ла и на его технологические и эксплуатационные характеристики. В узлах с продольной и поперечной осями симметрии возможны две основные системы сборки: осевая, при которой части узла со- единяются в осевом направлении, и радиальная, при которой части соединяются в поперечном (радиальном) направлении. При осевой сборке плоскости стыка перпендикулярны к продольной оси; при радиальной – проходят через продольную ось. На рис. 10.1 в качестве простейшего примера изображена сборка вала с насаженным на него зубчатым колесом в корпус. На рис. 10.1, а показана осевая сборка. Корпус и крышка корпуса, а также уста- новленные в них подшипниковые втулки целые. Вал вводят в кор- пус в осевом направлении и фиксируют крышкой, центрированной относительно корпуса цилиндрическим буртиком. Рис. 10.1. Схемы сборки На рис. 10.1, б показана смешанная радиально-осевая сборка. В данном случае корпус разъемный, а крышка – целая. При радиальной сборке (рис. 10.1, в) корпус и втулки выполнены с разъемом по продольной оси. Вал укладывают в одну из половин корпуса и накрывают другой половиной. Половины корпуса стяги- вают поперечными болтами и фиксируют одну относительно дру- гой установочными штифтами. 212 Сопоставление систем осевой и радиальной сборки позволяет сде- лать следующие, общие для многоступенчатых агрегатов выводы. При осевой сборке отливка корпуса, разделенного на отсеки, проста. Механическая обработка весьма удобна. Обрабатываемые поверхности открыты для обзора, доступны для подвода режущего инструмента и легко промеряются. Так как обработка производится по непрерывным цилиндрическим поверхностям, то при изготовле- нии отсеков могут быть применены методы скоростной обработки. Конструкции в целом присуща высокая жесткость. Внутренние по- лости хорошо уплотняются. Недостатки осевой сборки следующие: 1. Сборка агрегата сложна. Проверка и регулировка осевых зазо- ров затруднительны. Выдержать правильные зазоры можно или с по- мощью специальных приспособлений, или повышением точности выполнения осевых размеров элементов конструкции. 2. Осмотр внутренних частей сложен. Для того чтобы открыть ка- кую-нибудь ступень, необходимо демонтировать все предыдущие. Конструкция с радиальной сборкой по достоинствам и недостат- кам противоположна конструкции с осевой сборкой. Изготовление корпуса, представляющего собой две массивные отливки, затрудни- тельно. Механическая обработка сложна. Внутренние полости об- рабатывают или открытым способом (для каждой половины корпу- са в отдельности с последующей подгонкой стыка), или закрытым (при половинах корпуса, собранных на контрольных штифтах по предварительно начисто обработанным поверхностям стыка). И тот и другой способ требуют специальных инструментов, мерительных приспособлений, а также высокой квалификации исполнителей. Вследствие асимметрии сечений корпус имеет неодинаковую жест- кость: меньшую в плоскости стыка и большую в перпендикулярном к нему направлении. Ослабление конструкции продольным разъ- емом приходится компенсировать увеличением сечений стенок корпуса. Конструкция поэтому получается тяжелой. Полости кор- пуса нуждаются в тщательном уплотнении по фигурному плоскому стыку без нарушения цилиндричности внутренних обработанных поверхностей, что обычно достигается притиркой стыковых поверх- ностей и установкой их на герметизирующих составах. Зато сборка и разборка очень удобны. При сборке вал укладыва- ют в подшипники нижней половины корпуса. Предоставляется пол- 213 ная возможность проверить и отрегулировать осевые зазоры. Осмотр внутренних полостей агрегата удобен. При снятой верхней половине корпуса обнажается внутренность агрегата и обеспечива- ется доступ ко всем установленным в корпусе деталям. Сравнивая недостатки и преимущества осевой и радиальной сбор- ки, видим, что осевую сборку целесообразно применять в тех случа- ях, когда ради создания прочной и легкой конструкции (транспорт- ное машиностроение) можно пойти на некоторые эксплуатационные неудобства. Если масса конструкции не играет существенной роли и если можно допустить повышенную стоимость изготовления ради удобства сборки и эксплуатации, то применяют радиальную сборку. На рис. 10.2 показаны схемы сборки одноступенчатого зубчатого редуктора с расположением осей зубчатых колес в горизонтальной плоскости. Рис. 10.2. Схемы сборки одноступенчатых редукторов В конструкции с осевой сборкой (вид а) из-за наличия цоколя нельзя разъединить корпус по оси симметрии. Зубчатые колеса ре- дуктора монтируют с одной стороны в стенке корпуса, а с другой – в отъемной крышке 1, зафиксированной на корпусе контрольными 214 штифтами. Конструкция обеспечивает удобную механическую об- работку корпуса. В отличие от многоступенчатых агрегатов здесь удобен и монтаж. Для проверки зацепления колес и для осмотра внутренней полости редуктора предусматривают смотровой люк 2. В конструкции с радиальной сборкой (вид б) корпус состоит из двух частей с разъемом в плоскости осей зубчатых колес, части кор- пуса фиксируются одна относительно другой контрольными штиф- тами. Как и другие системы радиальной сборки, эта конструкция характеризуется сложностью механической обработки. Посадочные отверстия под подшипники валов обрабатывают в сборе при поло- винах корпуса, соединенных по предварительно обработанным по- верхностям стыка, или раздельно в обеих половинах, с последую- щей чистовой обработкой поверхностей стыка. Последний способ сложнее, чем первый. Уплотнение стыка связано с некоторыми затруднениями. Упру- гие прокладки применять нельзя, чтобы не нарушить цилиндрич- ность посадочных гнезд под подшипники; необходима притирка поверхностей стыка и применение герметизирующих составов. Осо- бенно трудно добиться уплотнения одновременно по плоскому сты- ку и по наружным цилиндрическим поверхностям подшипников (если втулки подшипников выполнены целыми). Во избежание раз- борки стыка при эксплуатации в корпусе необходимо предусматри- вать смотровой люк. В конструкции со смешанной радиально-осевой сборкой (вид в) валы зубчатых колес оперты в стенках корпуса; корпус снабжен крышкой с плоскостью разъема, расположенной выше гнезд под подшипники валов. Сборку ведут в следующем порядке: заводят в корпус зубчатые колеса (которые в данном случае должны быть насадными), продевают валы через подшипник и через ступицы ко- лес (валы должны быть ступенчатыми) и фиксируют колеса на ва- лах. По простоте механической обработки, по устойчивости фикса- ции валов в корпусе эта конструкция лучше предыдущих. Однако монтаж ее значительно сложнее. В большинстве случаев возможно несколько вариантов сборки, из которых конструктор должен выбрать вариант, наиболее подхо- дящий к данным условиям работы. В табл. 10.1 приведены способы радиальной и осевой сборки ти- пового машиностроительного узла – зубчатого редуктора. 215 Таблица 10.1 Радиальная сборка Плоскость разъема корпуса проходит через ось блока. Предварительно собран- ный блок укладывают подшипниками на посадочные поверхности нижнего кор- пуса и накрывают верхней половиной корпуса, фиксируемой относительно ниж- ней контрольными штифтами. Левый подшипник фиксируют крышкой а, пра- вый подшипник – «плавающий» Верхняя половина корпуса зафиксирова- на относительно нижней наружными обоймами подшипников. Правый под- шипник «плавает» на валу. Недостаток конструкции: невозможность обработки посадочных поверхностей под подшип- ники напроход Половины корпуса зафиксированы одна относительно другой наружными обой- мами подшипников и кольцами б. Пра- вый подшипник «плавает» на валу. Воз- можна обработка посадочных поверхно- стей под подшипники напроход Половины корпуса зафиксированы одна относительно другой обоймами подшип- ников и крышками в. Конструкция при- менима при не слишком большом рас- стоянии между подшипниками 216 Продолжение табл. 10.1 Осевая сборка Отъемная стенка г зафиксирована относительно корпуса контрольными штифтами. При монтаже блок устанавливают правым подшипником в корпус и накрывают отъемной стенкой (стопорное кольцо д подшипника должно быть предварительно снято), после чего фиксируют крышкой е. Недостатки конструкции: уменьшение жесткости корпуса; расположение уплотнительной прокладки ниже уровня масла Блок фиксируется в осевом направлении подшипником, расположенным в корпусе Вариант конструкции (подвесной корпус) 217 Продолжение табл. 10.1 В корпусе (эск. 8) проделано отверстие диаметром, превышающим диаметр большего колеса. Блок устанавливают в крышке ж и вводят в корпус (эск. 9). Центрирующие поверхности в корпусе обрабатывают с одного установа. Диаметр крышки ограничивает расположение смежных (расположенных вне плоскости чертежа) колес перебора Блок фиксируется подшипником, расположенным в корпусе. В крышке преду- смотрено отверстие для обработки посадочных поверхностей напроход Большое зубчатое колесо вводят через верхнее отверстие корпуса (экс. 12) и продевают через него вал с установленным на нем малым колесом, после чего затягивают гайки з и фиксируют блок крышкой и (эск. 13) 218 Окончание табл. 10.1 Если диаметр малого зубчатого колеса превышает диаметр посадочного отвер- стия подшипника, то оба колеса заводят в корпус сверху (эск. 14). Монтаж с про- деванием вала через зубчатые колеса широко применяют при установке их на подшипниках скольжения (эск. 15) Вал в сборе с зубчатыми колесами заводят в наклонном положении через верхнее отверстие корпуса (эск. 16), разворачивают, после чего устанавливают подшип- ники и фиксируют блок крышкой (эск. 17) Блок можно собрать тем же способом в сборе с подшипниками (эск. 15), если установить подшипники на промежуточных втулках к (эск. 19) и несколько рас- ширить верхнее отверстие 219 10.2. Независимая разборка При выборе системы сборки следует учитывать удобство осмотра, проверки и регулирования узлов. Демонтаж одной детали или узла не должен нарушать целостности других узлов, подлежащих проверке. Рис. 10.3. Системы сборки Установка зубчатого колеса по рис. 10.3, а неудачна. Колесо за- фиксировано гайкой 1, служащей также для крепления оси в корпусе. Чтобы снять колесо, необходимо демонтировать весь узел. В улуч- шенной конструкции (вид б) ось и колесо укреплены отдельно, по- этому снимать колесо можно без демонтажа оси. В узле крепления подшипника (вид в) крышка и корпус стянуты сквозными болтами. При снятии крышки подшипник распадается. В конструкции г демонтаж крышки и корпуса раздельный. На виде д представлен узел конической зубчатой передачи к ку- лачковому валику. Корпуса подшипников выполнены как одно це- лое со станиной, крышки – заодно с кожухом станины. При снятии кожуха валик остается в нижних вкладышах: проверить работу узла невозможно. Целесообразно сделать кожух станины несущим, а крышки к кор- пусам подшипников крепить каждую отдельно (вид е). При снятии 220 кожуха весь механизм в сборе становится доступным для осмотра. Помимо удобства разборки, при такой конструкции облегчается точ- ная обработка отверстий подшипников. 10.3. Последовательность сборки При последовательной установке нескольких деталей с натягом следует избегать посадки по одному диаметру (рис. 10.4, а, в, д). Необходимость продевать детали через посадочную поверхность усложняет монтаж и демонтаж, а также и вызывает опасность по- вреждения поверхностей. В таких случаях целесообразно применять ступенчатые валы с диаметром ступеней, последовательно возрас- тающим в направлении сборки (виды б, г, е). Рис. 10.4. Сборка по нескольким посадочным поясам Особенно затруднительна сборка большого числа деталей на длин- ных валах при посадках с натягом. Это затруднение при монтаже можно преодолеть, нагревая насаживаемые детали до температуры, допускающей свободное надевание их на вал (хотя эта операция усложняет сборку); при демонтаже такой возможности нет. Правильная конструкция вала в этом случае – ступенчатая. Если ступеней много, то во избежание чрезмерного увеличения диаметра последних ступеней вала приходится отказываться от стандарт- ных диаметров и вводить индивидуальные размеры. Перепад ступе- 221 ней в этом случае доводят до минимальных размеров (порядка не- скольких десятков миллиметра), достаточных для свободного наде- вания деталей. Лучше, если сборку ведут с двух сторон вала. В этом случае обработка вала и ступиц упрощается; число номинальных диамет- ров, номенклатура специального режущего (развертки, протяжки) и мерительного инструмента (скобы, пробковые калибры) умень- шаются вдвое. При монтаже по двум посадочным поясам необходимо соблюдать правильную последовательность введения детали в посадочные от- верстия. Если деталь сначала входит в первый (по ходу движения) пояс, а между торцом детали и вторым посадочным поясом остается зазор т (рис. 10.5, а), то вследствие неизбежного перекоса монтаж становится затруднительным, а при посадках с натягом зачастую и невозможным. Также следует избегать одновременного входа де- тали в посадочные пояса (виды б). Правильные конструкции пока- заны на видах в. Деталь должна сначала войти во второй посадоч- ный пояс на расстояние п (практически 2–3 мм), достаточное для ее направления, после чего войти в первый пояс. Рис. 10.5. Посадка по двум поясам 10.4. Съемные устройства Съемные устройства обязательны в соединениях деталей с натя- гом, с применением герметизирующих составов, в соединениях с 222 труднодоступным расположением деталей, а также в соединениях, работающих при циклических нагрузках, когда возможно появле- ние наклепа и фрикционной коррозии. Простейший способ облегчения разборки – включение в детали элементов, допускающих применение съемников: закраин, реборд, резьбовых поясов, нарезных отверстий и т. д. В некоторых случаях съемники вводят в конструкцию детали. На рис. 10.6 показана посадка втулки с натягом в корпусную де- таль. Конструкция а с трудом поддается разборке. Разборку можно облегчить, увеличив высоту реборды т (вид б), введя кольцевой зазор h (вид в) или выборку q между ребордой и корпусом под де- монтажный инструмент (вид г), просверлив резьбовые отверстия s во втулке (вид д) или t в корпусе (вид е) под винты-съемники. Резь- бовых отверстий должно быть не меньше трех (под углом 120°) для того, чтобы обеспечить извлечение детали без перекосов. Рис. 10.6. Съемные устройства 10.5. Сборочные базы Положение деталей при сборке должно быть однозначно опреде- лено сборочными базами. Недопустимы конструктивные неопреде- ленности, при которых сборщик должен вести сборку по своему усмотрению. Нежелательны конструкции, требующие регулировки, под-гонки, установки по месту и т. д. В производстве ошибки сборки могут быть обнаружены контролем. В эксплуатации же, особенно если машина попадает в неумелые руки, гарантии правильной сборки нет. Всякая неопределенность при сборке требует дополнительного труда и времени со стороны сборщиков и контролеров и снижает производительность сборочных операций. Качество сборки в этом случае во многом зависит от квалификации персонала. 223 Пример неправильной конструкции представлен на рис. 10.7, а. Зубчатое колесо затягивается на валу с обеих сторон кольцевыми гайками 1. В конструкции отсутствует база, определяющая осевое положение зубчатого колеса и вала. При монтаже и переборках узла приходится регулировать положение зубчатого колеса. При этом узел может быть собран неправильно. Рис. 10.7. Фиксация деталей при сборке В конструкции б сделана не совсем удачная попытка зафиксиро- вать положение зубчатого колеса. Фиксирующий подшипник 2 за- тягивается на выступ вала; зубчатое колесо затягивается с упором на внутреннее кольцо подшипника. Если сначала затягивают фик- сирующий подшипник, а затем зубчатое колесо, то положение ко- леса является вполне определенным, но не исключено, что сначала затянуто колесо через подшипник 3, а затем подшипник 2. При этом зубчатое колесо может быть сдвинуто с номинального положения. В правильной конструкции в создана жесткая база – буртик п, на которой затягиваются независимо один от другого подшипник и зуб- 224 чатое колесо. Положение колеса и вала вполне зафиксировано и может колебаться только в пределах допусков на механическую обработку. На виде г консольное зубчатое колесо установлено на подшип- никах, затягиваемых в корпусе с обеих сторон кольцевыми гайками. База отсутствует; положение колеса в узле может меняться в преде- лах хода гаек. В правильной конструкции д положение зубчатых колес зафик- сировано базой (привертная шайба 4). 10.6. Исключение возможности неправильной сборки В ряде случаев мелкие на вид и трудно обнаруживаемые ошибки установки деталей могут привести к нарушению работы узла и даже к авариям. В таких случаях нельзя прибегать к полумерам, напри- мер к указанию правильного положения деталей при сборке с по- мощью меток, рисок, клейм и т. д. Единственное правильное реше- ние состоит в том, чтобы с помощью конструктивных мер обеспе- чить сборку деталей только в необходимом положении. Принцип безразличной сборки исключает возможность ошибок и повышает производительность сборочных операций, освобождая сборщика от затраты времени на выбор правильного положения де- тали. Суть принципа – в придании детали такой формы, чтобы ее положение при сборке становилось безразличным. Метод оправды- вает себя, даже если в конструкцию детали приходится вводить до- полнительные, неиспользуемые, элементы. 10.7. Подвод монтажного инструмента Необходимо обеспечивать удобный подвод монтажного инстру- мента к крепежным деталям. Пример неудовлетворительной кон- струкции приведен на рис. 10.8, а (узел установки шкива клиноре- менной передачи с уплотняющим сальником). Подвести ключ к бол- там грундбуксы можно, только сняв предварительно шкив с вала. В конструкции б ошибка исправлена – шкив удален на расстояние s, достаточное для заведения накидного ключа на головки болтов. В конструкции в в диске шкива проделаны отверстия п, допус- кающие подтяжку болтов грундбуксы торцовым ключом. 225 В конструкции в в диске шкива проделаны отверстия п, допус- кающие подтяжку болтов грундбуксы торцовым ключом. Рис. 10.8. Подход монтажного инструмента На видах г–ж показано крепление цилиндра двигателя воздуш- ного охлаждения. Конструкция г неправильна: зазор h1 между ниж- ним ребром и концами крепежных шпилек, остающийся после надевания цилиндра на шпильки, меньше высоты h крепежных гаек. Собрать узел можно только одним, крайне непроизводительным спо- собом: приподнять цилиндр на шпильках (вид д), наживить, а затем завернуть последовательно все гайки. Для производительной сборки следует предусмотреть между ниж- ним ребром и концом шпильки зазор h2, превышающий высоту гайки h (вид е), или проделать в нижних ребрах выборки m под гайки (вид ж). Как правило, рекомендуется обеспечивать возможность заверты- вания гаек и болтов торцовыми ключами, которые удобнее в работе, повышают производительность сборки, меньше сминают грани гаек 226 и позволяют увеличить силу затяжки. Завертывание гаек с торца является обязательным при механизированной сборке с применени- ем электрических или пневматических гайковертов. На рис. 10.9 приведены примеры изменения конструкций крепеж- ных узлов с целью перевода на механизированную сборку. Рис. 10.9. Способы завертывания гаек При расположении гаек в тесных местах необходимо назначать минимальные зазоры под ключ в соответствии с размерами гай- ковертов и сменных ключей-головок к ним. Головки болтов должны быть зафиксированы от провертывания при затяжке, например, упором шестигранника в уступ, лысками, усиками и т. д., для того чтобы устранить необходимость придер- живания головки ключом при завертывании гайки. Не менее важно предупредить при затяжке смещение болтов в осевом направлении и исключить возможность выпадения болтов особенно при сборке в вертикальном положении. Для облегчения наживления гаек при механизированном завер- тывании торцы крепежных деталей следует снабжать пологими за- ходными фасками. 10.8. Такелажирование 227 Следует обеспечить возможность такелажирования тяжелых аг- регатов и деталей для внутризаводской транспортировки, а также машины в целом для транспортировки и установки на место. Если допускает конфигурация машины, то стропы и захваты за- водят за лапы, выступы, закраины, отверстия или штанги, вставляе- мые в отверстия. Если в машине таких элементов нет, то обязатель- на установка рымов. Подвешивать машину или крупную деталь в одной точке допу- стимо только в том случае, если центр ее тяжести расположен низ- ко, а линия центра тяжести проходит через точку крепления, т. е. в случае высоких деталей с небольшим сечением. Подвешивание в одной точке деталей значительной ширины мо- жет вызвать перекос и опрокидывание детали. Детали такой формы следует крепить по крайней мере в двух точках. Для низких деталей большой ширины и длины крепление в одной и двух точках недо- пустимо. В общем случае детали следует подвешивать в трех, а луч- ше в четырех точках. Цилиндрические детали типа валов подвешивают за рым-болты, ввертываемые в нарезные отверстия, обычно объединенные с цен- тровыми отверстиями (ГОСТ 14034–74). Чаще всего применяют кольцевые рым-болты. Размеры рымов из ряда нормальных выбирают на основании нагрузок, действующих на рымы. При проектировании нестандартных рымов нужно быть очень осторожным, т. к. неправильная конструкция может быть причиной срыва машины с талей, поломки машины и человеческих жертв. Рымы должны быть рассчитаны с большими запасами прочности. Применения литых рымов надо избегать. Участки соприкосновения рымов со стропами должны быть плавно закруглены. 11. Обеспечение удобства технической эксплуатации При проектировании узлов, агрегатов и машин необходимо обес- печить удобство обслуживания, управления, разборки, сборки и ре- гулирования, доступность агрегатов для осмотра; предупредить воз- можность повреждений и поломок в результате неумелого или небрежного обращения с машиной; облегчить очистку машины. 228 Необходимо придать машине красивый внешний вид. Рассмотрим несколько примеров облегчения сборки и разборки соединений, часто разбираемых в эксплуатации (рис. 11.1). Рис. 11.1. Способы облегчения монтажа Затруднительное надевание мягкого рукава на трубу в конструк- ции а облегчено в конструкции б введением направляющего участ- ка с закругленными входными кромками. В уплотнениях с разрезными пружинными кольцами (вид в) для упрощения сборки корпус должен быть снабжен пологой заходной фаской диаметра D, превышающего диаметр d колец в свободном состоянии (вид г). В труднодоступных соединениях, особенно когда сборка произ- водится «вслепую», детали, вводимые в отверстие (вид д), целесо- образно снабжать конусами-искателями, а в отверстиях предусмат- ривать конусы-ловители (вид е). При конструировании масляных систем нередко забывают о необ- ходимости периодической очистки внутренних полостей и каналов от скоплений грязи и продуктов теплового разложения масла. Мас- ляные каналы предпочтительно закрывать не наглухо, а пробками. Часто демонтируемые и монтируемые в эксплуатации соедине- ния следует делать быстросъемными. Для удобства разборки и сборки целесообразно снабжать отъем- ные крышки корпусных деталей вафельными ребрами, образующи- 229 ми отсеки для раскладки снимаемых при разборке крепежных дета- лей – по каждому размеру и типу – в свой отсек. Рукоятки, маховички, ручные гайки и т. д. должны иметь удоб- ную форму. Для ускорения и упрощения монтажа часто разбираемых соеди- нений целесообразно применять «нетеряющиеся» гайки, фиксиро- ванные в притягиваемой детали, например, с помощью кольцевых стопоров. В соединениях с несколькими гайками осевой зазор т должен несколько превышать длину п резьбы болтов. В противном случае завертывать и отвертывать гайки становится трудно (во избе- жание перекоса и защемления детали приходится последовательно и каждый раз на малую величину завертывать поочередно все гайки). Конструкция ручных гаек, маховичков и т. д. должна обеспечи- вать удобный подход и надежный захват их всей кистью руки. Диа- метр маховичков должен быть не меньше 80–100 мм. Минимальный зазор, необходимый для удобного захвата рукой маховичка, равен 20–25 мм. Для машин, работающих на открытом воздухе, его следу- ет делать не менее 35–40 мм, учитывая работу в рукавицах. Маховички и рукоятки, предназначенные для быстрого вращения (например, рукоятки перестановочных передач металлообрабаты- вающих станков, маховички поворотных червячных передач и т. д.), должны обладать повышенной маховой массой, облегчающей пре- одоление неравномерности крутящего момента привода. Приводные рукоятки необходимо снабжать противовесами или выполнять их в виде маховичков с массивными ободьями. Детали ручного манипулирования во избежание повреждения рук, для улучшения внешнего вида и предупреждения коррозии следует полировать. Часто отвертываемые в эксплуатации гайки и болты целесообраз- но выполнять с увеличенной высотой шестигранника Н = (1,0–1,4)d вместо обычных значений H = (0,7–0,8)d и придавать им повышеен- ную твердость (HRC 35-45) во избежание смятия граней. Во всех случаях, когда допускает конструкция, целесообразно предусматривать завертывание торцовыми ключами. Как правило, следует стремиться к всемерной унификации разме- ров шестигранников для уменьшения номенклатуры ключей. Однако при стопорении болтов контргайками рекомендуется применять раз- личные инструменты для болта и для контргайки. При одинаковых 230 шестигранниках приходится держать в комплекте дублирующие ключи. Гайки и болты с левой резьбой должны быть помечены во избежание попыток неправильного отвертывания, которое может вызвать повреждение деталей. Детали, входящие в основной комплект, должны быть конструк- тивно привязаны к машине. Незакрепленные детали могут быть уте- ряны при транспортировке и перестановке машины. 11.1. Защита от повреждений Следует принимать меры против повреждения хрупких элемен- тов деталей, а также точных поверхностей в результате неосторож- ного обращения. Для защиты торцов шлицев от забоин при случайных ударах, па- дении детали и т. д. целесообразно снимать фаски диаметром, пре- вышающим наружный диаметр шлицев, или утапливать шлицы по отношению к торцу детали. Контрольные штифты (вид е) во избежание повреждений целе- сообразно утапливать в фиксируемой детали (вид ж). Следует учитывать возможность выхода из строя наиболее напряженных деталей и принимать меры по предупреждению по- ломок и предотвращению вызываемых ими серьезных аварий. 11.2. Блокирующие устройства Машины и агрегаты должны быть надежно защищены от поло- мок, происходящих в результате неосторожного или неумелого об- ращения с ними обслуживающего персонала. Возможность непра- вильного обращения должна быть полностью исключена конструк- тивными мерами. В машины-орудия следует вводить автоматические блокирующие устройства, выключающие машину или ее механизмы при переходе за опасные значения ходов и перемещений. В переключающих и пе- реставных механизмах должны быть предусмотрены средства, пре- дупреждающие возможность одновременного включения. Часто задачу можно решить введением механических связей между переставляемыми элементами с централизованным приво- дом единой рукояткой (однорукояточное управление). 231 В конструкциях кнопок ручного управления должна быть преду- преждена возможность случайных включений. Выступающие кноп- ки недопустимы; во избежание случайного нажатия кнопку следует утапливать. 11.3. Внешний вид и отделка машин Машина и ее корпусные детали должны иметь плавные очерта- ния. Это – важное условие облегчения ухода за машиной. Нежелательны высокие ребра, входящие углы, впадины, в кото- рых скапливается влага, грязь и пыль и которые затрудняют обтир- ку и мойку машины. Рекомендуется избегать крышек с углублениями; их лучше вы- полнять плоскими или слегка выпуклыми. Кроме технической, следует учитывать и эстетическую сторону. Внешний вид изделия выигрывает при гладких, плавных очертани- ях, при выпуклых сводчатых формах, которые условно называют «зализанными» или обтекаемыми. Эстетика машины – это прежде всего техническая целесообраз- ность. Красивы машины с рациональной компоновкой и с целесо- образной силовой схемой, обусловливающими собранность и ком- пактность форм. Некрасивы машины с разбросанными узлами, с открытыми рабочими органами, с проемами и пустотами между, структурными элементами. Стремясь к максимальной компактности и плавности наружных очертаний, не следует превращать машины в гладкие коробки. Це- лесообразно выдерживать определенный архитектурный рисунок, согласованный с конфигурацией машины и подчеркивающий общий ее горизонтальный или вертикальный строй. Этот рисунок можно создать рельефным выделением главных структурных элементов, введением карнизов, ребер, стыковых рантов и т. д. Поверхности, панели и щитки большой протяженности целесооб- разно оживлять рельефом простого и строгого рисунка, согласован- ного с формой машины, например в виде параллельных ребер, направленных горизонтально или вертикально в зависимости от об- щего строя машины. Кроме того, рельефы увеличивают жесткость щитков. Особое внимание следует обращать на расположение, внешний вид и отделку органов управления и контроля. Они должны быть 232 установлены поблизости от поста оператора – в месте, удобном для манипулирования и обзора, по возможности на одной панели. Ме- таллические детали целесообразно полировать, хромировать или покрывать цветными эмалями. Следует избегать блестящих метал- лических покрытий (декоративное хромирование), утомляющих, а при ярком освещении слепящих глаза. Целесообразно применять матовое (молочное) хромирование. Фирменные ярлыки, таблицы с указанием параметров, табличные схемы и т. д. должны быть выполнены на массивных пластинках четкими крупными знаками, изготовленными фототипией или гра- вированием (но не выбивкой на тонких жестяных листах), располо- жены на удобном для чтения месте и при необходимости (в случае установки в нишах или в ящиках) снабжены подсветкой. Красивая, чистая отделка машины настраивает обслуживающий персонал на бережное отношение к ней. Не следует излишне украшать изделие. Машины, работающие в закрытых помещениях, целесообразно окрашивать красками светлых тонов (голубой, светло-зеленый, свет- ло-серый), которые обладают повышенным коэффициентом отраже- ния и увеличивают освещенность помещения. В производствах, где на первом месте стоят требования санитарии (пищевое, медицин- ское), следует применять покрытия молочно-белого цвета или цвета слоновой кости. Машины, эксплуатируемые на открытом воздухе, подверженные действию пыли, копоти, сажи, выхлопных газов, атмосферных осад- ков и т. д., предпочтительно окрашивать в темные цвета. Покрытие должно быть долговечным, абразивостойким, хорошо противостоять атмосферным воздействиям, обладать высокой адге- зией к металлическим поверхностям и надежно защищать металл от коррозии. Взамен масляных лакокрасочных покрытий разработаны новые, более стойкие синтетические покрытия (нитроцеллюлозные эмали, эскапоновые лаки, алкидные, фенольные и эпоксидные по- крытия и др.). Наиболее высокими качествами обладают силиконовые (крем- нийорганические) покрытия, отличающиеся водо-, пыле- и грязеот- талкивающими свойствами, свето- и термостойкостью. При конструировании машины следует уделять внимание ее ре- монтопригодности. Агрегаты, узлы и детали, подверженные значи- 233 тельному износу, следует делать легкосъемными. Желательно предусматривать возможность замены определенных агрегатов и узлов в полевых условиях, по возможности без использования спе- циализированного инструмента. Машины должны быть сконструированы так, чтобы все обычные операции по настройке, обслуживанию и т. п. можно было выпол- нять с пола. Там, где это невозможно, машины должны иметь встро- енные площадки, лестницы, ступени и другие средства, обеспечи- вающие безопасный доступ к рабочим местам, но при этом следует учитывать, что такие площадки или лестницы не должны давать доступ к опасным зонам машины. Участки для прохода следует изготовлять из материалов, кото- рые остаются в рабочих условиях по возможности нескользкими, если это допускается по условиям работы. В зависимости от высоты над полом должны быть предусмотрены ограждающие поручни и защитные бортики и/или скобы. Соединения, разборка или регулировка которых машинистом в полевых условиях недопустима, следует выполнять под специальный инструмент, доступный только на базе ремонтных организаций. Осо- бо ответственные соединения следует пломбировать. По возможности на стадии конструирования должна быть преду- смотрена система диагностики для поиска неисправностей. Подоб- ные системы не только повышают коэффициент технического ис- пользования и ремонтопригодность машин, но и уменьшают под- верженность обслуживающего персонала опасности. Широкое распространение в последнее время получили индикато- ры предельного износа, выполняемые в виде углубления на поверх- ности изнашивающихся частей. Так как дно углубления не участвует в процессе трения, наличие видимого перепада высоты свидетель- ствует об удовлетворительном состоянии изнашивающегося элемен- та. 12. Соединение деталей сваркой В машиностроении сварку наиболее широко применяют для из- готовления конструкций из листового проката (резервуары, емкости, 234 бункера, отсеки, обшивки, облицовки и т. д.), из труб и профильно- го проката (рамные конструкции, фермы, колонны, стойки и т. д.). В последнее время сварными выполняют корпусные и базовые дета- ли, в том числе наиболее массивные и напряженные в силовом от- ношении (например, станины прессов и молотов). Для упрощения изготовления часто выгоднее расчленять сложные штамповки и от- ливки на отдельные, более простые части и соединять их сваркой (сварно-штампованные и сварно-литые конструкции). В единичном и мелкосерийном производстве сварные конструк- ции применяют взамен цельноштампованных, когда изготовление штампов не оправдано масштабами производства, а также для уде- шевления производства деталей сложной формы. Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали (< 0,25 % С), низ- колегированные стали с низким содержанием С и никелевые стали. Сварка высокоуглеродистых, средне- и высоколегированных сталей представляет известные трудности. Сварка цветных металлов (медные и алюминиевые сплавы) за- труднительна из-за высокой теплопроводности, легкой окисляемо- сти (образование тугоплавких оксидных пленок) и требует приме- нения флюсов. В сварном шве и околошовной зоне возникают внутренние напряжения, обусловленные усадкой материала при остывании и вызывающие коробление изделия. Для предотвращения химических изменений в материале шва сварку производят под расплавленными флюсами или в атмосфере нейтральных и восстановительных газов. Сварка вызывает поводку изделий, тем более сильную, чем боль- ше зона термического влияния сварки (газовая сварка) и чем больше протяженность и сечение швов. Поводку предотвращают сваркой изделий в жестких приспособлениях особыми приемами наложения шва (прерывистые, многослойные, многопроходные швы, ступенча- тая, обратноступенчатая сварка). Снимает поводку стабилизирующая термообработка после сварки (низкий отжиг при 600–650 °С). Механические качества сварных соединений зависят от техноло- гии и режима сварки и при ручной сварке во многом определяются квалификацией сварщика. При недостаточно тщательном проведении сварки и при неправильном выборе режима сварки возникают дефек- ты, нарушающие сплошность шва и снижающие его прочность. 235 Ответственные сварные соединения контролируют с помощью методов магнито-, рентгено- и гаммаграфирования. Наиболее чув- ствителен и точен ультразвуковой контроль. Большие партии сварных изделий подвергают выборочному кон- тролю путем вырезки образцов, проведения технологических проб (на растяжение, изгиб, сплющивание), исследования микрострукту- ры и химического состава материала шва. 12.1. Виды сварных соединений Основные виды сварных соединений дуговой и газовой сваркой следующие:  стыковые С;  угловые У;  нахлесточные Н;  тавровые Т. Валиковые угловые швы треугольного профиля делают прямыми (рис. 3.3, а), выпуклыми (вид б) и вогнутыми (вид в). Чаще всего применяют прямой (нормальный) шов. Выпуклые швы (условно на- зываемые швами с усилением) склонны к образованию подрезов (не- провары на участках т соединения шва со стенками деталей) и обла- дают пониженным сопротивлением усталости. Наиболее прочны во- гнутые швы, но выполнение их труднее и менее производительно. Основной размерной характеристикой угловых швов является рас- четный катет K. Катет швов нахлесточных соединений при сварке тонких листов (менее 4 мм) делают равным толщине s листов (рис. 3/4, а). Для ма- териалов большей толщины (4–16 мм) катет шва определяют из со- отношения 0,4 2 ì ì .K s  (12.1) При сварке материалов различной толщины катет шва делают равным толщине s более тонкого материала, однако не более, чем указано в соотношении (12.1). При сварке материалов различной толщины шов рекомендуется делать вогнутым. 236 В угловых соединениях с одинаковой толщиной стенок и прова- ром по наружной стороне угла размер катета задан толщиной кро- мок. В угловых и тавровых соединениях с внутренним проваром, где размеры шва могут быть произвольными, катет шва делают равным толщине s свариваемых материалов (но не более приведенных в со- отношении (12.1) значений). При тавровом соединении материалов различной толщины катет шва делают равным толщине s более тонкого материала. Швы ре- комендуется делать вогнутыми. Среди видов соединений листов наиболее простые и прочные – стыковые. Недостаток нахлесточных соединений состоит в том, что под действием растягивающих или сжимающих сил они подвергаются воздействию изгибающего момента, приблизительно равного про- изведению действующей силы и суммы полутолщин свариваемых листов, и деформируются. Производительность сварки из-за нали- чия двух швов ниже, и масса нахлесточных соединений больше, чем стыковых. Нахлесточные соединения с двусторонними накладками разгру- жены от изгиба, но тяжелы и малотехнологичны. Кромки свариваемых тонких листов (в среднем < 3 мм) стыко- вых и угловых соединений разделывают. Кромки листов толщиной в среднем < 3–8 мм при ручной дуго- вой сварке и < 3–20 мм при автоматической делают прямыми (пер- пендикулярными к плоскости листа). Для проварки на полное сече- ние свариваемые детали собирают с зазором т = 1–2 мм, заполняе- мым при сварке жидким металлом. При большей толщине необходима разделка кромок, заключаю- щаяся чаще всего в снятии фасок; цель – создать сварочную ванну и обеспечить проплавление на полное сечение деталей. Круговые фаски получают точением, прямые – фрезерованием или строганием. При толщине кромок более 15–20 мм фаски снимают автоматической газовой резкой. Сварные швы, имеющие в плане фигурную форму, разделывают с помощью копирного фрезерования. 12.2. Правила конструирования 237 В табл. 12.1 приведены правила конструирования сварных со- единений и показаны примеры изменений конструкций, улучшаю- щих изготовление сварных узлов. Таблица 12.1 Конструкция Неудачная Улучшенная Обеспечить удобный подход электродов к сварному шву Приварка перегородок Сварные швы вынесены из тесного про- странства между перегородками Приварка дистанционных трубок к листам Сварные швы вынесены на поверхность листов Приварка рубашки к цилиндру Сварной шов отнесен от фланца цилиндра Приварка фланца к патрубку Фланец отнесен от смежной стенки Сварной шов выне- сен на торец фланца Узел сварки обечайки 1 с диафрагмой 2 238 После проварки одного шва роликовая сварка другого затруднительна Один из швов выполнен дуговой сваркой Продолжение табл. 12.1 Применять наиболее простые и производительные способы сварки Соединение воротка 3 со стержнем 4 Кольцевые швы заменены электро- заклепкой Соединение труб Дуговая сварка кольцевым швом заменена контактной Присоединение фланца к трубе Дуговая сварка заменена контактной Сварка бака Дуговая сварка заменена роликовой Избегать совмещения швов. Сводить к минимуму количество наплавляемого металла 239 Приварка ребер Ребра расположены в шахматном порядке Продолжение табл. 12.1 Приварка наклонных перегородок Перегородки раздвинуты Избегать сварки массивных деталей с тонкими. Придавать свариваемым кромкам примерно одинаковые сечения Предельные соотношения для стыковых соединений S/s < 3 При S/s > 3 вводятся клиновые участки длиной l > 5(S-s); l ’> 3(S-s) Приварка фланца к тонкостенной трубе Фланец выполнен с тонкостенным кольцевым переходником Приварка пальца к листу 1) Пальцу придан тонкостенный фланец. 240 2) На участке сварки в пальце проделана выборка Продолжение табл. 12.1 Приварка дисков к ободу зубчатого колеса Обод выполнен с тонкостенными коль- цами-переходниками Предусматривать взаимную фиксацию соединяемых деталей с целью устранения сварочных приспособлений Приварка головки к стержню Головка центрирована на стержне Приварка фланца к трубе Фланец центрирован и зафиксирован в осевом направлении на трубе Приварка бобышки к листу Бобышка зафиксирована в осевом направлении буртиком Шовная приварка перегородки к обечайке Перегородка зафиксирована в осевом 241 направлении зигом Продолжение табл. 12.1 Избегать трудоемкой разделки кромок. Сварочные ванны образовывать путем смешения свариваемых деталей Сварка кромок Угловое соединение Соединение профилей с листами Приварка косынки Сварка труб на муфте 242 Продолжение табл. 12.1 Подвергать разделке детали, наиболее просто поддающиеся механической обработке Приварка заглушки Разделана труба Разделана заглушка Устранять подгонку заготовок по контуру соединения. Упрощать форму заготовок Приварка ребра к корытному профилю На участке галтельного перехода ребро срезано Косынка Фигурный вырез косынки заменен прямым срезом Унифицировать заготовки Сварной шкив 243 Шкив выполнен из двух одинаковых деталей Продолжение табл. 12.1 Сварной бак Половины бака сделаны одинаковыми При сварке тонкостенных материалов шире применять гнутые и штампованные элементы, увеличивающие жесткость конструкции Приварка полки Составная полка заменена гнутой Угловое соединение труб Плоские косынки заменены гнутой Усиление корытного профиля 244 Приварные ребра 5 заменены коробкой 6 Продолжение табл. 12.1 Соединение фланца с трубой Усиливающие ребра 7 заменены выдавками 8 на трубе Соединение листов Дистанционные втулки 9 заменены пуклевками Предупреждать пережог и оплавление тонких кромок в зоне сварного шва Приварка ребра Острые кромки g, f удалены 245 Приварка втулки к рычагу Пережог тонкой кромки к предотвращен увеличением ее сечения Продолжение табл. 12.1 Приварка фланца к обечайке Оплавление кромки отверстия т предот- вращено удалением отверстия oт сварного шва. Другое решение – сверление отвер- стия после сварки Отдалять обработанные поверхности от сварочной ванны. Точные поверхности обрабатывать после сварки Приварка резьбового штуцера Резьба удалена от сварного шва на рас- стояние l, достаточное для предотвра- щения оплавления резьбы Приварка пальца 1. Сварной шов удален от обработанной поверхности. 2. На пальце дан припуск, снимаемый после сварки 246 Продолжение табл. 12.1 Приварка втулки 1. Во избежание поводки отверстия свар- ной шов отнесен от тела втулки. 2. Отверстие обрабатывается начисто после сварки При сварке деталей различного сечения предусматривать тепловые буфера, предупреждающие возникновение термических напряжений Приварка рубашки к цилиндру Рубашке придана податливость с помощью гофра При сварке замкнутых полостей предупреждать коробление стенок в результате образовании вакуума при остывании Приварка кольцевого профиля жесткости 10 к обечайке 11 В профиле предусмотрено вентиляцион- ное отверстие n 247 Сварной поплавок В поплавке предусмотрено отверстие q, завариваемое после остывания поплавка Окончание табл. 12.1 He соединять сваркой детали, закаленные и подвергнутые химико- термической обработке Присоединение закаленного наконечника к трубчатому штоку 1. Присоединение электрозаклепками. 2. Сварка заменена запрессовкой. 3. Головка стеллитирована 12.3. Повышение прочности сварных соединений Прочность сварных соединений повышают конструктивными (ра- циональное расположение швов относительно действующих сил, це- лесообразная форма швов) и технологическими (защита шва от вред- ных воздействий при сварке, термическая обработка, упрочняющая обработка холодной пластической деформацией) приемами. Кон- структивные приемы повышения прочности приведены на рис. 12.1. На видах 1–3 показано последовательное усиление узла приварки фланца, нагруженного крутящим моментом, путем увеличения диа- 248 метра кольцевого шва. Сопротивление сдвигу (пропорциональное квад- рату диаметра соединения) в конструкции 2 при одинаковом сечении шва в 7 раз, а в конструкции 3 в 18 раз больше, чем в конструкции 1. При правильной конструкции шва дополнительные крепления на резьбе (вид 4), посадках с натягом (вид 5) и другие способы фикса- ции излишни. Целесообразно разгружать сварные швы, перенося восприятие нагрузок на участки целого материала и оставляя за сварными шва- ми только функцию соединения деталей. Некоторые примеры раз- грузки сварных швов показаны на видах 6, 7 (стержень, нагружен- ный осевой силой) и на видах 8, 9 (упорный фланец). В узле крепления крышки к обечайке цилиндрического резерву- ара, нагруженного внутренним давлением (вид 10), сварные швы крышки и обечайки подвергаются изгибу и сдвигу силами давления. В улучшенной конструкции 11 сварной шов обечайки разгружен заведением обечайки во фланец, а шов днища – зажатием днища между фланцами обечайки и днища. 249 Рис. 12.1. Упрочнение сварных конструкций Силовые швы следует нагружать предпочтительно на сдвиг и рас- тяжение, устраняя изгиб. 250 Конструкция 12 приварного стержня нагруженного поперечной силой Р, нецелесообразна. Сила Р, повертывая стержень вокруг точки О, вызывает высокие напряжения растяжения в области, противоположной этой точке. Кроме того, шов подвергается сдвигу. Несколько лучше конструкция 13, где стержень центрирован в гнезде детали, благодаря чему шов разгружен от сдвига. Однако опасное сечение стержня ослаблено сварным швом. В конструкции 14 изгиб и срез силой Р воспринимают целые, не ослабленные сваркой сечения стержня. Шов практически разгружен от действия силы и служит только для фиксации стержня в детали. Шов приварной стенки (вид 15), изгибаемой силой Р, целесооб- разно разгрузить введением ребра (вид 16). Изгиб стыкового шва (вид 17) можно устранить введением накладки (вид 18), швы которой работают преимущественно на рас- тяжение. Стыковой шов в этой конструкции работает на сжатие. Стыковое соединение уголков (вид 19) недостаточно прочное. Целесообразнее сваривать уголки по плоскости полок (вид 20) с уси- лением (для тяжелых условий работы) косынками (вид 21). Косынки целесообразно приваривать не встык (вид 22), а внахле- стку (вид 25). Приварные ребра рекомендуется располагать так, чтобы они ра- ботали не на растяжение (вид 24), а на сжатие (вид 25), что практи- чески полностью разгружает сварные швы. На видах 26–29 показано последовательное усиление листового соединения, нагруженного растягивающей силой Р и изгибающим моментом Мизг. Приварные листы, накладки, косынки и т. д. большой протяжен- ности и малой толщины целесообразно, помимо обварки по конту- ру, соединять с основной деталью точечной сваркой (вид 30) во из- бежание отставания листов при деформациях системы. Косые швы соединения внахлестку (вид 31), подвергающиеся рас- тяжению, испытывают дополнительные нагрузки от сдвига вдоль линии шва. В уравновешенном соединении с двусторонним скосом (вид 32) швы разгружены от сдвига. На видах 33–36 показаны конструкции узла сварки швеллеров. В соединении со швеллером, расположенным полками вверх (вид 33), 251 верхние участки т вертикальных сварных швов подвергаются вы- соким напряжениям растяжения от действия силы Р. В конструкции со швеллером, расположенным полками вниз (вид 34), силу воспринимает горизонтальный шов п большой протя- женности; слабые конечные участки вертикальных швов испыты- вают сжатие. В конструкции с присоединением швеллера в шип (вид 35) свар- ные швы разгружены от изгиба силой Р; изгибающий момент вос- принимают фланговые швы и поперечный шов t, испытывающий сдвиг. На виде 36 изображено соединение, усиленное косынкой. Следует избегать внецентренного приложения сил, вызывающе- го изгиб шва. Отбортованные швы в узлах, подвергающихся растяжению (вид 37), испытывают изгиб. Целесообразнее конструкции со сты- ковым швом (вид 38). В узле приварки днища к цилиндрическому резервуару с отбортовкой (вид 39) сварной шов под действием внут- реннего давления подвергается изгибу. Стыковой шов (вид 40) ис- пытывает преимущественно растяжение. Следует избегать расположения сварных швов в зоне высоких напряжений. В сварных балках, подвергающихся изгибу, целесообразно распола- гать швы не у полок (вид 41), а у нейтральной линии сечения (вид 42), где нормальные напряжения имеют наименьшую величину. В соединениях, подверженных действию циклических и динами- ческих нагрузок, следует избегать расположения сварных швов на участках концентрации напряжений, например в переходах от одно- го сечения к другому (вид 43). Шов в этих условиях подвергается повышенным напряжениям. Кроме того, повышается концентрация напряжений вследствие неоднородности структуры шва. Улучшенная конструкция приведена на виде 44. Если вывести шов за пределы участка концентрации напряжений невозможно, то рекомендуется применять вогнутые швы (вид 45) с глубоким проплавлением, достигаемым сваркой короткой дугой. Профиль шва должен быть по возможности симметричен относи- тельно действия нагрузок. В тавровых соединениях, подвергающихся растяжению (вид 46), целесообразно применять двусторонние швы (вид 47). Соединения внахлестку (вид 48) следует по возможности заменять стыковыми (вид 49). В стыковых соединениях целесообраз- 252 но применять двустороннюю разделку кромок (вид 51), т. к. в соеди- нениях с несимметричным швом (вид 50) происходит искривление силового потока, сопровождающееся концентрацией напряжений. 12.4. Сварные рамы На рис. 12.2, 1–18 показаны способы сварки рам из уголков. Наиболее употребительны соединения с расположением уголков вертикальными полками наружу, обеспечивающие гладкую наруж- ную форму рамы (виды 1–6).Чаще всего применяют стыковое соеди- нение со скосом кромок под углом 45° (вид 1). Значительно сложнее соединения с вязкой угла по вырезам в полках уголков (виды 2–4). На виде 5 показан способ вязки кромок со скруглением наружного угла соединения. Прочное соединение получается также при сгибе уголков по целой стенке с разрезкой полок и соединением их под углом 45° (вид б). Расположение уголков вертикальными полками внутрь (виды 7–12) ухудшает внешний вид рамы, но облегчает крепление диагональных связей. Чаще всего применяют стыковое соединение со скосом полок под углом 45° (вид 7), обычно в сочетании с усиливающими косын- ками (вид 8). На видах 9, 10 показаны стыковые соединения прямыми кромка- ми. Соединение вида 10 можно усилить косынкой (вид 11); в соеди- нении вида 9 применить косынку нельзя. На виде 12 показано соединение, выполненное вязкой кромок. Способы вязки рам со смешанным расположением уголков (один уголок полкой внутрь, другой уголок полкой наружу) показаны на видах 13–18. Диагональные связи в рамах с расположением уголков верти- кальными полками внутрь приваривают к стенкам уголков встык со скосом кромок под углом 90° (вид 19). Соединение можно усилить косынкой (вид 20). Аналогично крепят трубчатые связи (вид 21). При расположении уголков вертикальными полками наружу диа- гональные связи крепят с помощью косынок (вид 22). Стыковое со- единение с фигурной вырезкой кромок (вид 23) нетехнологично и менее прочно, чем соединение косынками. 253 Рис. 12.2. Сварка рам из профилей 254 Взамен диагональных связей нередко применяют угловые раско- сы (вид 24). Подобно диагональным связям их легче приваривать при расположении уголков рамы вертикальными полками внутрь. Перекрестное соединение диагональных связей в центре рамы (ви- ды 25–30) представляет известные затруднения, особенно если связи выполнены из несимметричных профилей (например, из уголков). Соединение целых уголков, сваренных по полкам (вид 25), про- сто и достаточно прочно, но отличается тем недостатком, что диаго- нальные уголки должны быть вдвое меньше по высоте полки, чем основные уголки рамы. В конструкции 26 уголок f целый, уголок h разрезной. Уголки обращены полками в противоположные стороны и приварены к ко- сынке, расположенной между полками. Высота уголков в этой кон- струкции может быть равной высоте основных уголков рамы минус толщина косынки. В конструкции 27 целый уголок т и разрезной п обращены пол- ками в одну сторону и приварены один к другому и к косынке. Диа- гональные уголки могут быть одинаковыми с основными уголками рамы; косынка выступает за плоскость рамы. В конструкции 28 ребро уголка t вырезано под полку уголка v. Соединение по прочности уступает предыдущим двум соединени- ям. Высота уголков может быть равной высоте основных уголков рамы минус толщина полки. В конструкции 29 гнутые уголки сварены один с другим полками. Здесь диагональные уголки могут быть одинаковыми с основными уголками рамы. Соединение можно усилить косынкой (вид 30). На видах 31–33 показаны способы вязки рам из швеллеров с полками, обращенными внутрь, на видах 34–36 – наружу, на видах 37–39 – со смешанным расположением, на видах 40–42 – с полками, перпендикулярными к плоскости рамы. Способы перекрестного соединения диагональных связей из швел- леров, расположенных «стоя», представлены на видах 43–45, «ле- жа» – на видах 46–48. 12.5. Сварные узлы ферм В узлах соединения уголков рекомендуется избегать сварки угол- ков впритык (рис. 12.3, 1). Нахлесточное соединение (вид 2) с об- 255 варкой контура уголка прочнее и жестче. Целесообразно перекре- щивать полки уголков, перпендикулярные к плоскости соединения. Конструкции 4, 6 значительно жестче соединений 3, 5. Рис. 12.3. Сварные узлы ферм 256 Во избежание появления в стержнях лишних изгибающих и кру- тящих моментов целесообразно соединять элементы фермы так, что- бы линии центров изгиба сечений пересекались в одной точке (кон- струкции 7, 9 – неправильные; 8, 10 – правильные). Желательно совмещать линии центров изгиба также в попереч- ной плоскости. Соединение полками, обращенными в одну сторону (виды 11, 12), целесообразнее соединения полками, обращенными в разные стороны (виды 13, 14). В последнем случае в результате смещения линий центров изги- ба в узле под нагрузкой возникает скручивающий момент. Соединение полками в одну сторону компактнее. В конструкци- ях 11, 12 ширина узла (в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа) примерно вдвое меньше, чем в конструкциях 13, 14. Однако в конструкциях 13, 14 узлы фермы в целом получаются простран- ственно более жесткими; наложение швов проще, вследствие чего эти конструкции широко применяют на практике. Жесткость соединения повышают косынками. Соединение с накладными косынками (вид 16) значительно прочнее и жестче, чем соединение с косынками встык (вид 15). На видах 11, 18 изображены примеры многолучевых соединений с накладными косынками. Сравнительные преимущества и недостат- ки соединений с полками, обращенными в одну сторону (вид 17) и в разные стороны (вид 18), такие же, как и для бескосыночных со- единений (виды 11–14). На видах 19–22 представлены примеры соединения уголков в пространственных узлах. В трубчатых фермах наиболее простое и надежное соединение – стыковое (виды 23, 24). Недостаток его – ограниченность числа труб, которые могут быть соединены в одном узле. Создание про- странственных узлов возможно лишь при условии, что диаметр цен- тральной трубы значительно превышает диаметр присоединяемых труб (вид 25). Расплющивание присоединяемых труб (виды 26, 27) позволяет увеличить число соединяемых в узле труб (вид 28) и повышает жесткость соединения (только в плоскости расплющивания). При соединении труб различного диаметра трубу меньшего диа- метра для увеличения жесткости узла развальцовывают на конус (виды 29, 30). 257 Применяют также сварку в муфтах из цельных (виды 31–33) или сварных (вид 34) труб. Чаше всего соединения труб усиливают косынками. Косынки приваривают встык (виды 35, 36); встык и впрорезь по одной из труб (виды 37, 38); впрорезь но всем соединяемым трубам (виды 39, 40). Присоединение косынками впрорезь с разделкой концов труб в горячем состоянии «на ложку» (виды 41, 42) позволяет соединять в одном узле несколько труб и применяется в многолучевых узлах. Недостатки соединения – малая жесткость в плоскости расположе- ния косынок и трудоемкость операции разделки труб. Для увеличения жесткости применяют двойные косынки (виды 43, 44). Расстояние между косынками (в направлении, перпендикулярном к их плоскости) целесообразно выбирать так, чтобы кромки смежных косынок можно было проварить одним швом т (вилы 45, 46). Наиболее прочны и жестки U-образные косынки (виды 47, 48). В тяжелонагруженных узлах применяют соединение на штампо- ванных накладках, охватывающих присоединяемые трубы (виды 49, 50). Жесткость соединения можно повысить, придавая накладкам косынки, свариваемые точечной сваркой (виды 51, 52). В многолучевых соединениях применяют приварку труб к звез- дообразным штамповкам с гнездами (вид 53) или цапфами (вид 54) под трубы. Многолучевые узлы соединяют также на сварных ко- робках: призматических (виды 55, 56), цилиндрических (вид 57) или сферических (вид 58). Последним способом можно соединять трубы практически под любым пространственным углом. На видах 59–62 представлены примеры шарнирного соединения сварных труб в ферменных узлах. 13. Конструирование разъемных соединений 13.1. Виды крепежных соединений В машиностроении применяют три основных вида резьбовых кре- пежных соединений: болтами с гайками; ввертными болтами (вин- тами); шпильками. Соединение болтами применимо только при возможности выпол- нения сквозных отверстий в стягиваемых деталях. Монтаж болто- вых соединений не особенно удобен: требуется страховка болта от 258 проворачивания при затяжке гайки. Желательна фиксация болта в осевом направлении при затяжке. При монтаже приходится мани- пулировать двумя деталями – болтом и гайкой. Соединение винтами применяют при глухом нарезном отверс- тии, когда невозможно применить болт с гайкой, или при сквозном нарезном отверстии, когда возможна установка болта только с од- ной стороны соединения. Винты по конструкции аналогичны бол- там с навертной гайкой. Деталь с нарезным отверстием должна быть выполнена из материа- ла, который хорошо держит резьбу (например, стали, ковкого и высо- копрочного чугуна, титанового сплава, бронзы). В деталях из мягких сплавов (алюминиевых, магниевых, цинковых и т. д.) требуется введе- ние промежуточных нарезных втулок из более твердого металла. Нежелательно выполнение нарезных отверстий в деталях из серого чугуна для часто разбираемых соединений (резьба в сером чугуне склонна к выкрашиванию и быстро изнашивается), а также в деталях из коррозионно-стойких сталей (нарезание резьбы сопряжено с боль- шими трудностями из-за вязкости сплава). При износе резьбы деталь с нарезным отверстием выходит из строя, исправить ее можно только установкой нарезных втулок (если это допускает конструкция детали). Соединение имеет определенное ограничение по высоте стягива- емых деталей: осуществить правильную затяжку длинных болтов затруднительно из-за неустранимого скручивания стержня болта при затяжке. При сборке и разборке манипулируют одной деталью – вин- том, что представляет определенное преимущество перед болтовым соединением, где приходится манипулировать болтом и гайкой. Соединение шпильками в основном применяют для деталей из мягких (алюминиевых и магниевых сплавов) или хрупких (серого чугуна) материалов, а также при глухих или сквозных нарезных от- верстиях в случаях, когда невозможна установка винтов. Ввертный конец шпильки устанавливают в нарезном гнезде наглухо и притом по большей части с натягом. В этих условиях резьбовое соединение детали даже из мягких металлов получается достаточно надежным. При срыве или повреждении резьбы деталь с нарезными отвер- стиями выходит из строя; исправить ее можно только установкой нарезных втулок. При обрыве шпильки удаление ввертного ее кон- ца из гнезда затруднительно. 259 Сборка и разборка соединения имеет особенности: детали можно соединять и разъединять только в направлении, перпендикулярном к плоскости стыка, приподнимая снимаемую деталь на полную вы- соту шпилек. Этим соединение существенно отличается от болтово- го соединения и соединения ввертными болтами, где возможен, при удаленных болтах, сдвиг деталей параллельно плоскости стыка. При сборке и разборке манипулируют одной деталью – гайкой. Соединение шпильками вызывает определенные неудобства при сборке: выступающие концы шпилек затрудняют доступ к соседним деталям. Особенно ощущается этот недостаток в многошпилечных соединениях с «частоколом» длинных шпилек. Сравнивая различные типы крепежных соединений с точки зре- ния компоновки, можно отметить как положительную особенность, что винты и шпильки допускают гораздо большую свободу в выбо- ре форм деталей, чем болты. Соединение болтами требует наличия фланцев, которые лимити- руют размеры и определяют форму внешних контуров деталей. 13.2. Болты Основные типы болтов представлены на рис. 13.1. Рис. 13.1. Основные типы болтов На рис. 13.1, I показан «жесткий» болт с диаметром стержня, рав- ным наружному диаметру резьбы. Эта форма сохранилась только для малонагруженных или коротких болтов. В ответственных слу- 260 чаях применяют «упругие» болты (рис. 13.1, II) с диаметром стерж- ня d0, уменьшенным по крайней мере до размера внутреннего диа- метра резьбы, а то еще более – до 0,8 и даже до 0,7 номинального диаметра резьбы. Тонкие болты менее чувствительны к перекосам, возникающим вследствие неперпендикулярности опорных поверхностей головки и гайки, а также непараллельности резьбового пояса относительно оси болта. Утоньшние стержня позволяет выполнять плавные пере- ходы между стержнем болта и нарезным поясом, а также между стержнем болта и головкой с одновременным увеличением сопро- тивления усталости болта. Это обусловливает повышенную сопро- тивляемость упругих болтов циклическим нагрузкам. На участках, примыкающих к нарезному участку и головке, бол- ты снабжают центрирующими поясками (рис. 13.1, III–IV). Часто пояски не делают (рис. 13.1, V), отчего повышается упругость болта и способность его самоустанавливаться в отверстиях деталей. Головки болтов обычно выполняют в виде шестигранника. При- меняют и другие формы головки: с лысками под ключ, с внутренним шестигранником, с треугольными шлицами. Головки с внутренним шестигранником чаще всего применяют в случае «утопленной» уста- новки, когда габариты не позволяют использовать наружный ключ. При затяжке гайки болт должен быть надежно зафиксирован от проворачивания. При сборке в положении, когда головка болта находится внизу, необходимо, кроме того, придерживать болт от выпадения. Держать болт за головку ключом неудобно, а в некото- рых случаях невозможно из-за ограниченных габаритов. Способы фиксации болта от проворота показаны на рис. 13.2. Способ фиксации коническим подголовником (рис. 13.2, I–III), ос- нованный на повышенном трении на конических опорных поверх- ностях, рекомендовать нельзя, т. к. фиксация получается нежесткой. Способы жесткой фиксации показаны на рис. 13.2, IV–X. Шести- гранные головки обычно фиксируют упором одной из граней в вы- ступ в теле детали (рис. 13.2, IVа). На цилиндрических деталях (ти- па фланцев) фиксация осуществляется упором в кольцевую заточку (рис. 13.2, IVб). На болтах с цилиндрической головкой для этой це- ли снимают лыски (рис. 13.2, V). Некоторые головки (рис. 13.2, VI, VII) выполняют с фиксирующей гранью, вынесенной за пределы ци- линдра головки. 261 На рис. 13.2, VIII–X показаны способы фиксации усиком, выпол- ненным как одно целое с головкой болта; усик вводят в углубление в теле детали. Способы фиксации болтов, приведенные на рис. 13.2, VI–X, значи- тельно дороже простых способов фиксации за грань или лыску, по- этому их применяют только в специальных случаях. Способы фиксации болтов усиками под головками (рис. 13.2, XI) или квадратными подголовниками (рис. 13.2, XII) в настоящее вре- мя не применяют из-за нетехнологичности (обработка гнезд под под- головники затруднительна). Рис. 13.2. Способы фиксации болта от проворота при затяжке Следует предостеречь от ошибок, нередко допускаемых в кон- струкции фиксирующих элементов. При любом способе фиксации нельзя допускать внецентренного приложения нагрузки к головке и ее ослабления. Примеры ошибочных конструкций показаны на рис. 13.3. В конструкциях I–III неизбежна внецентренная нагрузка из-за асим-метричной формы опорной поверхности головки. Конструк- ция IV резко ослабляет головку болта и, кроме того, вызывает вне- 262 центренную нагрузку из-за нарушения сплошности опорной по- верхности. Рис. 13.3. Ошибочные конструкции элементов, фиксирующих болт от проворота Помимо фиксации от проворота, болты необходимо поддерживать в осевом направлении при затяжке. Осевая фиксация болта обяза- тельна при механизированных способах сборки с затяжкой гаек гай- ковертами. Лучше всего предусматривать жесткую фиксацию болта в осевом направлении. При затяжке длинных болтов следует предупреждать скручива- ние болта моментом затяжки. Для этой цели на торце болта предус- матривают устройства под ключ или жестко фиксируют конец бол- та от проворота подкладной шайбой, заходящей в пазы на конце болта и в корпусе. Сила затяжки имеет большое значение для работоспособности бол- тового соединения. Необходимую силу затяжки определяют расчетом или экспериментально. В ответственных соединениях затяжку контро- лируют динамометрическим ключом или измерением упругой дефор- мации болта (способ более точный). В последнем случае в конструк- ции болта должны быть предусмотрены средства, облегчающие изме- рение: на торце болта и на головке делают сферические выступы, позволяющие измерять деформацию болта микрометром «в обхват», или предусматривают гнезда для закладки шариков при измерении. На рис. 13.4 показаны некоторые типы нестандартных болтов. В машинах и узлах, где по требованиям к габаритам или к внеш- нему виду нежелательно применение выступающих головок, часто устанавливают болты с цилиндрической головкой с внутренним шес- 263 тигранником или мелкими треугольными шлицами; головку утап- ливают в гнезде притягиваемой детали. Рис. 13.4. Нестандартные болты: I – с шестигранной головкой и увеличенной опорной поверхностью; II – с шестигран- ной полусферической головкой; III – с цилиндрической головкой и пазом под отвертку; IV – с цилиндрической головкой и двумя лысками; V – с цилиндрической головкой и двумя лысками на неполную высоту головки; VI и VII – с шестигранной головкой и коническим подголовником; VIII и IX – с потайной конической головкой; X и XI – со сферической опорной поверхностью головки; XII – с шестигранной головкой и раз- гружающей выточкой; XIII – с шестигранной головкой, разгружающей выточкой и с центрирующим пояском; XIV – с шестигранной головкой и шлицованным подголов- ником; XV – с полусферической головкой со шлицами «под ключ»; XVI и XVII – со шлицованной головкой; XVIII – с полусферической головкой и пазом под отвертку Для облегчения завертывания болтов с цилиндрической головкой на начальных стадиях, когда болт идет «из-под руки», наружную поверхность головки часто снабжают накаткой. 13.3. Ввертные болты 264 По конструкции ввертные болты весьма близки к болтам с навертными гайками, хотя функционально как крепежные элементы они коренным образом отличаются от последних. Большинство типов болтов, изображенных на рис. 13.4, можно использовать в качестве винтов. При установке ввертных болтов желательно обеспечить свободу самоустанавливаемости головки относительно опорной поверхности. Это требование больше относится к ввертным болтам, чем к крепеж- ным деталям других видов: у болтов с гайкой больше возможности самоустановки, т. к. болт сопрягается со стягиваемыми деталями толь- ко кольцевыми опорными поверхностями головки и гайки; у длин- ных шпилек задача облегчается податливостью стержня шпильки. 13.4. Шпильки На рис. 13.5 приведены основные конструкции шпилек. Кон- струкции жесткой шпильки (рис. 13.5, I) со стержнем диаметром, равным диаметру резьбы, применяются только для коротких шпилек. К недостаткам такой шпильки можно отнести: жесткость, невыгод- ность по массе, затруднительность применения высокопроизводи- тельных способов накатывания, фрезерования и шлифования резьбы (для точных резьб) и т. д. Часто применяют облегченные шпильки (рис. 13.5, II, III) с уменьшенным диаметром стержня, равным внут- реннему диаметру резьбы или меньшим его (в среднем диаметр стерж- ня делают равным 0,6–0,8 наружного диаметра резьбы). Их преиму- щества заключаются в равнопрочности шпильки в нарезной и глад- кой частях, податливости, меньшей массе, возможности применения высокопроизводительных способов изготовления резьбы и т. д. 265 Рис. 13.5. Конструктивные формы шпилек Посадочный размер шпильки в корпус зависит от материала корпуса. При ввертывании в корпуса из хрупких (серого чугуна) или мягких (алюминиевого, магниевого, цинкового сплавов и т. д.) материалов применяют крупные резьбы (минимальный шаг резьбы 1,25–1,5 мм). Для навертного конца шпильки (под гайку) могут быть применены (для шпилек большого диаметра) мелкие резьбы. Во избежание ошибок при ввертывании шпилек в тех случаях, когда резьбы (и формы) ввертного и навертного концов шпилек оди- наковы, ввертной конец метят, например закруглением его торца, углублениями и т. д. Лучше всего предупредить возможность оши- бок конструктивно: применением на ввертном и навертном концах резьб различного шага или диаметра. Способ ввертывания шпилек существенно влияет на прочность соединения. Применяют три способа ввертывания шпилек в корпуса:  с упором бурта шпильки в торец корпуса;  с упором конца шпильки в днище или в последние витки нарезного отверстия корпуса;  с торможением шпильки в отверстии применением посадок с натягом или самостопорящейся резьбы. При ввертывании по первому способу в теле шпильки возникают растягивающие напряжения (максимальные у первых витков и умень- шающиеся по направлению к последним виткам). В материале кор- пуса создаются сжимающие напряжения с примерно таким же зако- ном изменения вдоль оси соединения. При предварительной затяжке 266 такого соединения в шпильке возникают дополнительные напряже- ния растяжения, а в корпусе – дополнительные напряжения сжатия (от действия притягиваемой детали). При нагружении соединения растягивающей силой в шпильке увеличиваются еще больше напря- жения растяжения. Напряжения сжатия в корпусе уменьшаются в результате уменьшения силы прижатия детали и появления растя- гивающих напряжений. При ввертывании шпильки по второму способу в теле шпильки возникают сжимающие напряжения (максимальные у конца шпиль- ки и убывающие по направлению к первым виткам). В материале корпуса создаются растягивающие напряжения с примерно таким же законом изменения вдоль оси соединения. При предварительной затяжке такого соединения у первых витков шпильки создаются растягивающие напряжения; сжимающие напряжения у конца шпиль- ки несколько уменьшаются. В материале корпуса под действием притягиваемой детали возникают напряжения сжатия, а напряжения растяжения у днища отверстия ослабевают. При нагружении соединения рабочей растягивающей силой напря- жения растяжения у первых витков шпильки увеличиваются. Напря- жения сжатия, возникшие в материале корпуса при предварительной затяжке, уменьшаются в результате отхода притягиваемой детали. Зато напряжения растяжения у днища отверстия увеличиваются. Следовательно, при первом способе ввертывания рабочие напря- жения в шпильке больше, а рабочие напряжения в корпусе меньше, чем при втором способе. Таким образом, первый способ более под- ходит для корпусов из низкопрочных материалов (алюминиевых и магниевых сплавов), второй способ – для корпусов из высокопроч- ных материалов (стали). Поскольку шпильки применяют в основном в корпусах из легких сплавов, первый способ более распространен, чем второй. При третьем способе ввертывания ни в теле шпильки, ни в мате- риале корпуса не возникает существенных дополнительных напря- жений. Напряжения сжатия в теле шпильки и растяжения в материа- ле корпуса, обязанные натягу в резьбе, при применяемых величинах натяга незначительны. Благодаря отсутствию дополнительных напряжений этот способ наиболее выгоден по прочности. Шпильки обычно завертывают «солдатиками», надеваемыми на навертный конец шпильки. При этом возникает опасность скручи- 267 вания длинных шпилек. Кроме того, «солдатики» вытягивают резь- бу и поэтому неприемлемы для точных резьб. В дополнение ко всему этот способ непроизводителен: навертывание и отвертывание «сол- датика» занимает много времени. Лучше способ завертывания за лыс- ки или шестигранник, расположенные непосредственно у ввертного конца шпильки. Однако в таком случае приходится предусматри- вать в притягиваемой детали гнездо под завертный элемент, что усложняет ее механическую обработку. Наиболее приспособлен для механизированной сборки способ за- вертывания шпильки за гладкий поясок, примыкающий к навертно- му или (лучше) к ввертному концу. Завертывание производится клю- чами (или шпильковертами) с эксцентриковыми зажимами или с самозатягивающимися роликами (по типу роликовых колес сво- бодного хода). В этом случае на шпильках необходимо предусмотреть цилин- дрические участки, длина которых должна быть согласована с раз- мерами головки шпильковерта. При ввертывании шпилек (особенно по посадке с натягом) в глу- хие нарезные гнезда следует учитывать, что в замкнутом простран- стве гнезда воздух сжимается. Это явление может оказаться опас- ным, если учесть, что удельный объем воздуха резко возрастает от нагрева при сжатии. Известны случаи, когда бобышки гнезд разры- вались под давлением сжатого в гнезде воздуха. В целях устранения этого явления в бобышках выполняют отверстия для выхода воздуха. Иногда воздух выходит через канавки или отверстия в теле шпиль- ки (при коротких шпильках). Применение последних двух способов нежелательно, т. к. они ослабляют шпильки. Иногда увеличивают объем остающегося после завертывания шпильки глухого простран- ства изменением глубины нарезного отверстия или с помощью вы- борок в торце шпильки. Соединения на шпильках, как и всякие резьбовые соединения, подвергают при сборке предварительной затяжке, влияющей на ра- ботоспособность и герметичность узла. Силу предварительной за- тяжки определяют расчетом или экспериментально. Она зависит от материала стягиваемых деталей, соотношения податливости шпиль- ки и стягиваемых деталей, условий работы стыка, требуемой степени его герметичности и, наконец, от рабочей температуры соединения. 268 В ответственных соединениях силу предварительной затяжки стро- го контролируют. Затяжку производят динамометрическими клюю- чами. Регламентируют также порядок затяжки отдельных шпилек в многошпилечных соединениях; затяжку обычно производят в два приема (предварительно и окончательно) с соблюдением в каждом случае определенного порядка затяжки. При затяжке длинных податливых шпилек возникает опасность скручивания их моментом сил трения в резьбе. При этом в теле шпильки возникают нежелательные, иногда значительные напря- жения, причем динамометрическим ключом будет регистрироваться момент, скручивающий шпильку, а не сила затяжки. При стопорении гаек «на корпус» следует учитывать еще одно явление: у шпильки, скрученной при затяжке, с течением времени в результате вибраций, пульсации нагрузки и т. д. наружный конец проворачивается, ввертываясь в резьбу гайки, вследствие чего пер- воначальная сила затяжки меняется. У длинных податливых шпилек предусматривают средства, пре- дупреждающие скручивание при затяжке: навертный конец шпильки снабжают пазом, четырехгранником, шестигранником и т. д., за ко- торые держат шпильку при затяжке. Сборка соединения при этом усложняется. Способ, при котором навертный конец шпильки посто- янно зафиксирован от проворота шайбой, в свою очередь, зафикси- рованной «на корпус», совершеннее (но конструктивно сложнее). Концы длинных шпилек после центрирования в корпусе часто отклоняются от своего номинального положения (иногда настолько, что не представляется возможным надеть на них притягиваемую де- таль). Сборщики прибегают в таких случаях к правке шпилек по месту – способу, который никак нельзя рекомендовать, потому что при этом в теле шпильки возникают дополнительные напряжения. В поисках рационального решения используют несколько путей: первый – соблюдение строгой перпендикулярности осей нарезных отверстий под шпильки относительно торца корпуса, то же – для от- верстий под шпильки в притягиваемой детали; соблюдение строгой прямолинейности шпилек и параллельности среднего диаметра резь- бы шпилек относительно оси шпилек; второй путь – увеличение по- датливости шпилек и применение посадок с зазором для резьбовых деталей (с последующим их стопорением каким-нибудь способом). 269 13.5. Винты Винты со шлицем под обычную отвертку применяют только в ненагруженных соединениях (в приборах и для крепления мелких деталей, кронштейнов, скобок, хомутов, пластинок, панелей, листо- вых облицовок и т. д.). Главный их недостаток – невозможность си- ловой затяжки и затруднительность стопорения. На рис. 13.6 представлены основные типы винтов под отвертку: с цилиндрической и цилиндросферической головкой (I, II); с полу- сферической (III); с конической, цилиндроконической и сферокони- ческой головками (IV–VI). На рис. 13.6, VII–XII показаны конструк- тивные разновидности таких винтов. Рис. 13.6. Основные типы винтов под отвертку Из всех типов винтов для машиностроителя наиболее привлека- тельны потайные или полупотайные винты с коническими головка- ми, позволяющие осуществить соединения без выступающих частей. К сожалению, они обладают и наибольшим количеством недостатков по сравнению с винтами остальных типов. Главный недостаток со- стоит в затруднительности сочетания двух центрирующих поверхно- стей – резьбы и конической поверхности головки. Этот недостаток особенно сказывается в соединениях с несколькими винтами. Вслед- 270 ствие неизбежных производственных ошибок центры нарезных от- верстий в корпусе, как правило, не совпадают с центрами конических гнезд в притягиваемой детали; только один из винтов соединения правильно устанавливается в коническом гнезде, головки остальных винтов ложатся в гнездах со смещением. Этот недостаток можно ча- стично устранить применением для резьбы посадок с зазором. Другой недостаток заключается в затруднительности стопорения. Если винты с цилиндрическими и полусферическими головками сто- порятся сравнительно просто шайбами гровера (а винты с цилинд- рическими головками также проволочной вязкой, см. рис. 13.6, XI), то задача стопорения винтов с коническими головками до сих пор не нашла удовлетворительного решения. Самые надежные способы стопорения винтов с конической головкой (закерновка или заваль- цовка головки) применимы только в изделиях из пластичных метал- лов, и, кроме того, соединения, выполненные этими способами, – неразборные. Низкая прочность паза под отвертку является третьим недостат- ком винтов с коническими головками (этот недостаток в равной ме- ре присущ винтам с полусферической головкой и в меньшей степе- ни винтам с цилиндрическими головками). Отвертка после нескольких установок разрабатывает паз, и винт становится непригодным к дальнейшему потреблению. Еще один недостаток заключается в затруднительности приме- нения механизированных винтовертов, т. к. форма паза и головки затрудняет центрирование лезвия винтоверта. У винтов с цилиндри- ческими головками центрирование осуществляется сравнительно про- сто – введением дополнительных центрирующих элементов, бази- рующихся по поверхности головки Существенный шаг вперед в конструкции винтов с коническими (а также цилиндрическими и полусферическими) головками пред- ставляет применение крестообразных конических гнезд под отвертку специальной формы. Такие винты можно затягивать с большим уси- лием; форма гнезда исключает возможность срыва отверстия и об- легчает как ручное, так и механизированное завертывание винтов. Существуют и другие конструкции, обеспечивающие те же функ- ции: паз с центрирующим отверстием, крестообразный паз, головки с внутренним или наружным четырехгранником и т. д. 271 Существуют винты с усиленными завертными элементами: с наружными и внутренними шестигранниками; с четырехгранником; со шлицевыми головками. Эти винты, впрочем, скорее относятся к разряду мелких ввертных болтов. Для осевой и радиальной фиксации деталей на валах преимуще- ственно применяют установочные винты. На рис. 13.7 показаны основные типы установочных винтов с раз- личными завертными элементами и фиксирующими концами, кото- рые можно применять в разнообразных сочетаниях. Установочные винты разделяются на два основных класса: нажимные (рис. 13.7, I–V) и врезные (рис. 13.7, VI–X). У первых связь между деталью и валом осуществляется трением, в результате нажима фиксирующего торца винта на вал. Врезные винты обеспечивают позитивную фиксацию: конец винта входит в отверстие, просверленное в вале. Рис. 13.7. Основные типы установочных винтов Торцы нажимных винтов выполняются плоскими, сферическими и с кольцевыми шипами, увеличивающими связь между деталью и валом. Нажимные винты как средство крепления применяют редко. Их главные недостатки: ненадежная фиксация, а также нарушение центрирования детали на валу при затяжке винта. Винты, смещен- ные с поперечной оси симметрии детали, вызывают, кроме того, перекос детали на валу. 272 Конструкции с головками под отвертку не позволяют осуществлять силовую затяжку; стопорение их практически невозможно. Констру- кии с четырехгранными и шестигранными головками допускают силовую затяжку и хорошо стопорятся. Однако с течением времени натяг в соединении ослабевает из-за смятия резьбы и нажимных поверхностей. Не следует использовать нажимные винты для осевой фиксации деталей. Такие винты можно использовать только в тех случаях, когда необходимо зафиксировать деталь на валу в произвольном осевом положении. Нажимные винты, разумеется, не могут переда- вать крутящий момент, поэтому их всегда применяют в сочетании со шпонками или другими средствами передачи момента. Соединения врезными винтами находят более широкое приме- нение для фиксации насадных деталей от продольного сдвига и по- ворота, а также для передачи небольших крутящих моментов. Винты с цилиндрическими фиксирующими концами устанавли- вают в отверстия, по большей части предварительно просверленные в детали. Если при сборке требуется регулировка осевого положе- ния детали, то сверление производят по месту, через нарезное от- верстие насадной детали. Следует помнить, что сверление и тем более развертывание от- верстия, как и все операции, производимые по месту, весьма нетех- нологичны, т. к. осложняют сборку. При обработке отверстий в узле не исключено попадание стружки в собранный агрегат. Нередко приходится разбирать и промывать агрегат для удаления стружки. 13.6. Гайки В зависимости от назначения гайки могут иметь различную вы- соту от 0,3d до 1,25d (d – диаметр резьбы). Низкие гайки применяют в качестве контргаек и для слабонагруженных соединений, высокие гайки – для сильнонагруженных соединений, а также для часто раз- бираемых соединений. Для средних условий работы применяют гай- ки высотой (0,8–1)d. При этих соотношениях приблизительно со- блюдается условие равнопрочности гайки и нарезного стержня. Кольцевые гайки применяют для затяжки насадных деталей, под- шипников качения и подобных деталей на валах большого диаметра. 273 К этому типу гаек относятся гайки, называемые по ГОСТ 11871–80 круглыми шлицевыми. Особенность кольцевых гаек – относительно малая высота при большом диаметре. Вследствие большого диаметра резьбы гайка обычной высоты получается избыточно прочной и очень тяжелой. На рис. 13.8 представлены кольцевые гайки с внутренней резь- бой и с различным расположением завертных пазов. Чаще всего применяют гайки с наружными пазами, число кото- рых колеблется в пределах 4–12. Такие гайки завертывают накид- ными «рожковыми» ключами или ключами с торцовыми или внут- ренними радиальными зубьями. При затяжке кольцевыми гайками насадных деталей нужно, чтобы торец гайки опирался в деталь не менее чем на 3/4 своей высоты. Если высота ступеньки на валу не позволяет осуществить это условие, меж- ду гайкой и деталью устанавливают массивную подкладную шайбу. Важно, чтобы подкладная шайба была центрирована. Самым простым является способ центрирования по наружному диаметру резьбы. Рис. 13.8. Кольцевые гайки с внутренней резьбой 13.7. Штифты 274 Крепежные штифты. Штифты как крепежные детали имеют ограниченное применение. Их используют для слабонагруженных соединений, преимущественно для крепления насадных деталей на валах, а также осей в корпусах. Недостатки этого соединения – ослабление вала отверстием под штифт, низкая прочность соедине- ния на срез, отсутствие затяжки соединения, нетехнологичность (требуется совместная обработка отверстий под штифт в соединяе- мых деталях, усложняются сборка и разборка). Штифты неприменимы для соединения закаленных деталей с твер- достью, превышающей предел обрабатываемости режущим инстру- ментом (более HRC 30). В таких случаях следует оставлять соединяе- мые части деталей без термообработки, придавая повышенную твер- дость (HRC 60–62) только рабочим поверхностям, например, местной цементацией, закалкой с нагревом ТВЧ и другими способами. Недопустима штифтовка соединений на конусах даже при усло- вии совместной обработки отверстий под штифты. При переборках соединения наружный и внутренний конусы смещаются относи- тельно друг друга в результате различных сил затяжки, а также из- за износа и смятия посадочных конических поверхностей. После затяжки может оказаться, что установить штифт невозможно из-за несовпадения отверстий в соединяемых деталях. Предварительная (перед затяжкой) установка штифта может привести к срезу штифта при затяжке. Крепежные штифты делят на два основных типа: цилиндриче- ские и конические. Отверстия под штифты должны быть сквозными, иначе выбить штифт при разборке невозможно. Глухие отверстия допустимы лишь для неразъемных соединений. При необходимости обеспечить раз- борку соединений с глухими отверстиями штифты должны быть снабжены съемными элементами. Даже при посадке с натягом штифты подлежат обязательному стопорению. Штифты, не подвергаемые термообработке, расклепы- вают. Закаленные штифты (применяемые в более ответственных со- единениях) стопорят керновкой или вальцовкой материала детали у концов штифта. Конические штифты применяют в ответственных соединениях. Коническая форма обеспечивает соединение без зазоров; штифты 275 легче стопорятся, так как в данном случае необходимо предохра- нить штифт от выпадения только с одной стороны. Однако, изготовление конических штифтов (и отверстий под них) сложнее, чем цилиндрических. При установке конических штифтов легко можно вызвать значи- тельные напряжения смятия и растяжения в стенках отверстий. По- этому конические штифты устанавливают нормированным ударом или под прессом с контролируемой силой. Устанавливать кониче- ские штифты в детали из мягких материалов (алюминиевых и маг- ниевых сплавов) не рекомендуется. Установочные штифты. Установочные (контрольные) штифты применяют в случаях, когда необходимо точно зафиксировать по- ложение одной детали относительно другой (например, положение крышки разъемного подшипника скольжения относительно его кор- пуса), а также для восприятия поперечных сил, действующих в плос- кости разъема двух деталей (например, для передачи крутящего мо- мента во фланцевом соединении валов). Применяют два типа установочных штифтов: цилиндрические и конические съемные. Цилиндрические штифты устанавливают обычно наглухо (по по- садке с натягом) в одной из соединяемых деталей. Выступающий конец штифта входит в отверстие другой детали по посадке Н7/js6 или Н7/h6. Форма штифта имеет большое значение для правильной работы и долговечности соединения. Наиболее простая форма – цилиндри- ческая с заходными фасками под углом 45° – наименее удовлетво- рительна: кромки фасок (при запрессовке штифта и при надевании отъемной детали) портят стенки отверстий. Несколько лучше пологие фаски под углом 10–20°. Однако и здесь наблюдается, хотя и в меньшей степени, то же явление. Лучше, когда концы штифтов (по крайней мере конец, входящий в съемную деталь) имеют галтели. Во всех случаях обязательны заходные фаски на отверстиях со- единяемых деталей. В посадочном гнезде фаски необходимы для облегчения запрессовки штифта; в изделиях из пластичных метал- лов фаски, кроме того, предупреждают выпучивание материала у кромок гнезда. В отверстиях отъемных деталей фаски нужны для облегчения монтажа. 276 В глухое отверстие штифт обычно устанавливают по посадке с натягом. Чем меньше диаметр штифта и чем мягче материал изде- лия, тем больший натяг дается в соединении. При установке штифтов необходимо соблюдать определенные, установленные практикой правила. Штифт должен быть утоплен в отверстии съемной детали. Выход штифта недопустим, т. к. в этом случае штифт может быть поврежден случайным ударом или рас- шатан в посадочном гнезде. В случае, когда толщина фланца недо- статочна для утопления штифта, на участке выхода штифта в съемной детали предусматривают местные приливы. Штифты всегда следует располагать в непосредственной близо- сти от крепежных элементов: болтов, шпилек и т. д. В деталях, не имеющих других фиксирующих элементов, например центрирую- щих заточек, устанавливают два штифта. Большее число штифтов устанавливать нет смысла, кроме случая, когда соединение подвер- жено повышенным сдвигающим нагрузкам. В соединениях цилин- дрических деталей с центрирующей заточкой для угловой фиксации деталей относительно друг друга вполне достаточно одного устано- вочного штифта. При наличии значительных сдвигающих сил при- меняют и большее число штифтов. Для более точной фиксации штифты должны быть как можно дальше расположены друг от друга и от геометрической оси детали. На рис. 13.9 приведены примеры неправильной и правильной рас- становки штифтов на детали типа крышки (отверстия под штифты показаны зачерненными наполовину кружками). Ошибка в кон- струкции на рис. 13.9, I состоит в том, что штифты далеко отнесены от крепежных болтов. В конструкции на рис. 13.9, II штифты распо- ложены в непосредственной близости от крепежных болтов; здесь ошибка заключается в малом расстоянии между штифтами. Фикса- ция получается ненадежной; сдвигающие силы (например, от рабо- чей нагрузки, приложенной к центральной бобышке крышки) вызы- вают в штифтах соединения большие напряжения. 277 Рис. 13.9. Расположение установочных штифтов на детали В конструкции на рис. 13.9, III ошибки исправлены разноской штифтов. Наиболее правильна конструкция на рис. 13.9, IV, где штифты разнесены на максимально возможное расстояние. Конические установочные штифты обеспечивают более точную фиксацию, чем цилиндрические. Точность фиксации почти не теря- ется с течением времени при износе и после многократных перебо- рок, т. к. плотность посадки штифта каждый раз восстанавливается в результате погружения штифта в гнездо на большую глубину. Другое преимущество этих штифтов заключается в их относительно легкой удаляемости, что позволяет заменять поврежденные штифты и в известной мере облегчает сборку и разборку соединения. Изго- товление соединений на конических штифтах значительно сложнее, чем на цилиндрических. Здесь обязательно совместное сверление, зенкерование и развертывание отверстий в фиксируемых деталях. В разъемных соединениях и при установке штифтов в глухие от- верстия обязательно применение съемных элементов. В отличие от цилиндрических установочных штифтов, допускаю- щих применение уплотняющих прокладок на стыке соединяемых деталей, конические штифты могут правильно работать только в со- единениях «металл по металлу». Конические установочные штифты применяют в узлах и маши- нах, где основным требованием является точность установки. 278 13.8. Опорные поверхности под гайки (головки болтов), места под ключи На рис. 13.10 показаны соотношения размеров опорных поверх- ностей под гайки (головки болтов), устанавливаемые в углублениях (рис. 13.10, I), на бобышках (рис. 13.10, II) и фланцах (рис. 13.10, III), обработанных цекованием, фрезерованием или точением. Полученные из этих соотношений численные значения следует округлять до ближайшего большего целого числа. Для случая углуб- ления (рис. 13.10, I) значение D1 следует округлять но ближайшего диаметра стандартного инструмента. Места под ключи. При проектировании узлов с резьбовыми со- единениями необходимо предусматривать достаточное место для ма- нипулирования ключом. Габариты узла должны обеспечивать раз- мах ключа при завертывании-отвертывании желательно в пределах не менее 90о. На рис. 13.11, 13.12 приведены минимальные расстоя- ния от центра гаек (головок болтов) до ближайших элементов кон- струкции, полученные на основании статистического анализа раз- меров наиболее распространенных типов ключей. 279 Рис. 13.10. Размеры опорных поверхностей нот гайки и головки болтов а б в г Рис. 13.11. Завертывание гайки ключом с размахом: а – 180; б – 90° при наличии ограничивающей стенки; в – при наличии ограничивающей стенки; г – 90° при наличии двух ограничивающих стенок 280 а б в Рис. 13.12. Завертывание гайки: а – торцовым массивным ключом; б – тонкостенным трубчатым ключом; в – утопленной гайки торцовым ключом 281 ЧАСТЬ II. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ АГРЕГАТОВ И СИСТЕМ МАШИН 14. Силовой агрегат 14.1. Общие сведения Силовой агрегат, состоящий из двигателя и обслуживающих его агрегатов, предназначен для получения механической мощности, необходимой для преодоления внешних сил сопротивления движе- нию машины. На самоходных технологических машинах применяют двигатели внутреннего сгорания, положительными чертами которых являются автономность, экономичность и высокая удельная мощность. Эти качества двигателей внутреннего сгорания, несмотря на не вполне удачную скоростную характеристику, ставят их вне конкуренции по сравнению с двигателями других типов. Двигатель внутреннего сго- рания преобразует тепловую энергию сгорающего топлива в меха- ническую энергию вращения коленчатого вала. Далее эта энергия передается через трансмиссию на ведущие колеса и гусеничные движители машины. Так как на строительно-дорожных машинах в силу ряда пре- имуществ получили почти исключительное распространение двига- тели с воспламенением от сжатия (дизели), дальнейший материал относится именно к этому типу двигателей внутреннего сгорания. Обслуживающие двигатель агрегаты входят в системы, обеспечи- вающие питание топливом и воздухом, охлаждение, смазку, подогрев и запуск двигателя. Эксплуатационно-технические характеристики и качество этих систем определяют надежность, экономичность и эффективность работы двигателя при различных режимах и условиях эксплуатации машины. В соответствии с этим обслуживающие дви- гатель системы и агрегаты в любых дорожных и климатических условиях должны обеспечивать:  получение от двигателя максимальной мощности;  экономичность и приемистость двигателя;  поддержание требуемого теплового режима работы; 282  надежную и эффективную смазку;  надежную и эффективную очистку воздуха, поступающего в двигатель;  быстрый подогрев и запуск;  удобство эксплуатации и технического обслуживания. На рис. 14.1 представлен примерный вид общего энергетического баланса современного двигателя гусеничной машины, работающего при полной подаче топлива. Из общего количества тепла Qт, выделя- емого при сгорании топлива, около двух третей отводится охлажда- ющей жидкостью (Qж), маслом (Qм), отработавшими газами (Qг) и рассеивается в окружающее пространство (Qр) корпусом двигателя и другими агрегатами и деталями моторной установки. И только одна треть (Qе) превращается в эффективную механическую работу вра- щения коленчатого вала. При работе двигателя на частичных харак- теристиках относительная величина тепловых, а также механических и барботажных потерь в двигателе значительно возрастает. Рис. 14.1. Общий вид энергетического баланса двигателя: n – текущая частота вращения двигателя в об/мин; nN – частота вращения при максимальной мощности 283 Высокие динамические качества машины (большие ускорения при разгоне, возможность преодоления сложных препятствий, быстрый поворот с любым радиусом) обеспечиваются большой удельной мощностью max óä eNN m  , где Nеmax – максимальная эффективная мощность двигателя, кВт; т – масса машины, т. В современных строительных машинах удельная мощность до- стигает 15 кВт/т, что достаточно для получения приемлемых значе- ний тяговых характеристик машины. В отдельных случаях эта ве- личина бывает значительно выше. Повышение мощности современных двигателей внутреннего сго- рания может быть достигнуто за счет наддува – увеличения весового заряда воздуха и топлива, поступающих в цилиндры двигателя. Над- дув осуществляется нагнетателями с механическим, газотурбинным или комбинированным приводом от двигателя. Благодаря относи- тельной простоте конструкции, автоматичности регулирования ре- жима работы нагнетателя и высокому КПД наиболее широкое при- менение в настоящее время находит газотурбинный наддув, способ- ный обеспечить повышение мощности двигателя на 25–30 % при давлениях наддува 150–200 кПа (1,5–2,0 кГ/смг). Дальнейшее повы- шение давления наддува нецелесообразно в связи со значительным ростом затрат мощности в нагнетателе и температуры воздуха (или смеси), поступающего в двигатель. Исключение составляют сложные системы наддува с комбинированным приводом и охладителями, применяющиеся на стационарных двигателях большой мощности. Экономичная работа двигателя гарантирует производительный расход топлива и обеспечивает самоходной машине необходимый запас хода. Топливная экономичность двигателя оценивается вели- чиной удельного расхода топлива, которая для дизелей составляет 220–300 г/(кВт-ч), для бензиновых двигателей – 280–380 г/(кВт-ч). Под запасом хода понимается наибольшее расстояние в км, которое можно пройти при одноразовой заправке топливом. Для большин- ства транспортных машин, прежде всего колесных, запас хода со- ставляет 400–500 км. 284 Сложность создания надежной и совершенной моторной уста- новки строительной машины обусловлена тем, что двигатель боль- шой мощности (500–1000 кВт и выше) вместе с обслуживающими его вспомогательными системами должен быть размещен в огра- ниченных габаритах корпуса. Наличие топливных и масляных агре- гатов и магистралей, горячих поверхностей выхлопных труб требует обеспечения пожарной безопасности. Ограниченность места вызы- вает необходимость строгого учета габаритов и взаимного распо- ложения отдельных агрегатов, полной герметизации систем, надеж- ной вентиляции моторного отделения. От двигателя, установленного в машине, к ведущему валу транс- миссии подводится свободная мощность Nд, величина которой на 10–20 % ниже эффективной мощности Nе, определяемой во время испытаний двигателя на тормозном стенде. Основными факторами, влияющими на снижение мощности при установке двигателя в ма- шине, являются снижение срднего эффективного давления в цилин- драх двигателя в связи с повышенным сопротивлением на впуске (воздухоочистка) и выпуске (глушение шума выпуска, эжекцион- ные системы) из двигателя, а также затраты механической мощно- сти на обслуживающие агрегаты. Таким образом, можно написать ä ì .óeN N N  , где Nм.у – затраты мощности, связанные с работой обслуживающих двигатель агрегатов моторной установки. Величина Nм.у является одним из основных оценочных пока- зателей качества агрегатов моторной установки в целом. Чем мень- ше Nм.у, тем больше свободная мощность двигателя Nд, тем выше тяговые и экономические показатели гусеничной машины. Основным потребителем мощности, теряемой в моторной уста- новке, является вентилятор системы охлаждения двигателя. При работе двигателя на оборотах пN, соответствующих его макси- мальной мощности Nеmax вентилятор потребляет мощность NвN = = (0,06–0,15)Nеmах. При другой частоте вращения двигателя прибли- женно можно считать 3 â âN N n N N n        , 285 где Nв – мощность, потребляемая вентилятором при оборотах дви- гателя п. Сопротивление в воздухоочистителях приводит к снижению мощ- ности двигателя на режиме Nеmах на величину NвоN = (0,02–0,04)Nеmах. При другой частоте вращения двигателя, работающего на внешней характеристике: 2 âî âî N N n N N n        . Противодавление на выпуске из двигателя, связанное с работой глушителей шума, также приводит к снижению мощности двига- теля. На режиме Nеmах будет NвыпN = (0,02–0,03) Nеmax. При другой частоте вращения двигателя, работающего с полной подачей топлива: 2 âû ï âû ï N N n N N n        . На рис. 14.2 изображена внешняя характеристика двигателя гу- сеничной машины и представлен характер изменения потерь мощ- ности в моторной установке в зависимости от оборотов двигателя. Очевидно, что повышение свободной мощности двигателя, а следо- вательно, и тяговых характеристик машины, может быть достигну- то за счет уменьшения потерь в агрегатах моторной установки: уменьшения сопротивлений в воздухоочистителе и на выпуске, по- вышения КПД вентилятора. Относительным оценочным показателем экономичности мотор- ной установки является КПД ì .ó ä ì .ó e e å N N N N N     , величина которого может изменяться в широких пределах в зави- симости от режима работы двигателя. 286 Рис. 14.2. Внешняя характеристика двигателя и потери мощности в моторной установке Взаимное расположение двигателя и агрегатов вспомогательных систем в моторном отделении гусеничных машин отличается боль- шим разнообразием. Основное влияние на компоновку моторного отделения оказывают расположение двигателя в машине и его связь с трансмиссией, тип системы охлаждения и размещение ее агрега- тов, размещение топливных и масляных баков. Однако все виды компоновочных решений моторных установок подчиняются общим требованиям и оценка их производится по одним и тем же показа- телям. Основными требованиями к компоновке моторной установки являются:  изоляция моторной установки от других отделений машины;  рациональное использование объема машины;  обеспечение эффективной работы двигателя и обслуживаю- щих агрегатов;  удобство доступа к различным агрегатам при обслуживании и выполнении ремонтных работ. 287 Продольное расположение двигателя применяется на многих машинах, т. к. при этом связь с трансмиссией получается наиболее простой. Однако во всех случаях при продольном расположении двигателя получается большая длина моторного отделения, а в трансмиссии обязательно применяется коническая пара. Попереч- ное расположение двигателя в этом отношении имеет преимуще- ство: значительно сокращается длина моторного отделения, но связь двигателя с трансмиссией усложняется. К раме или корпусу машины двигатель крепится жестко или при помощи резиновых подушек. Все агрегаты системы моторной уста- новки располагаются по возможности ближе к двигателю с целью сокращения длины соединительных трубопроводов и наиболее ра- ционального использования объема моторного отделения. При ко- ротких трубопроводах уменьшаются вибрации, вызывающие по- ломки и нарушение плотности в местах соединений, уменьшается их сопротивление и повышается надежность систем, обслуживаю- щих двигатель. Агрегаты моторной установки, требующие периодического об- служивания или используемые во время эксплуатации машины (топливные и масляные фильтры и насосы, воздухоочистители, краны и т. д.), должны располагаться в свободно доступных местах, что при плотной компоновке моторного отделения является задачей весьма трудной. Для размещения топливных баков в машине используются обод- ные объемы, остающиеся после установки двигателя, трансмиссии и других крупных агрегатов. Часть топливных баков для увеличения емкости системы питания может быть установлена снаружи машины. В специальных случаях эти баки должны быть легкосъемными. Воздухоочистители располагают в местах наименьшей запылен- ности воздуха и как можно ближе к двигателю, чтобы уменьшить сопротивление трубопроводов и занимаемый ими объем. Размещение водяных и масляных радиаторов определяется вы- бранной системой охлаждения. Как правило, их располагают у воз- духопритоков крыши корпуса. Воздух, поступая в моторное отде- ление, проходит через радиаторы, омывает агрегаты установки и выбрасывается наружу. Часть воздуха направляется к воздухоочи- стителям и идет на питание двигателя. Циркуляция воздуха обеспе- чивается вентилятором. 288 Техническое обслуживание агрегатов моторной установки осу- ществляется через люки, расположенные в крыше корпуса (над дви- гателем и воздухоочистителями) и в днище (под водяным и масля- ным насосами). 14.2. Системы питания двигателя Питание двигателя обеспечивается топливной и воздушной си- стемами питания. Образование тепловой энергии газов, преобразуе- мой в механическую работу, происходит вследствие воспламенения и сгорания топлива при большом давлении и высокой температуре. Качество топливовоздушной смеси и степень наполнения ею ци- линдров определяют основные характеристики двигателя и машины и в значительной степени влияют на надежность и безотказность работы двигателя. Поэтому топливо и воздух должны подаваться в цилиндры двигателя всегда в строго определенном количестве в зависимости от режима работы и всегда тщательно очищенными от посторонних примесей. Топливная система питания. Топливоподающая (топливная) система двигателя предназначена для размещения, очистки и пода- чи топлива к насосу высокого давления в нужном количестве и с достаточным давлением на всех режимах движения машины при любой температуре окружающего воздуха. В топливную систему в общем случае входят узлы, размещенные в корпусе машины (топливный бак, топливный насос низкого давле- ния, фильтры, топливопроводы низкого давления), и узлы, установ- ленные на двигателе (топливный насос высокого давления, форсун- ки, топливопроводы высокого давления). При компоновке моторной установки решаются задачи, связанные с топливной системой низко- го давления. Для обеспечения нормальной работы топливной системы ко всем узлам предъявляются требования: герметичность, надежность, ма- лый вес и габариты, коррозийная стойкость, малые гидравлические сопротивления. Общий вес (или объем) заправляемого топлива определяется за- данным запасом хода каждой конкретной машины. Применяются топливные баки различных емкостей и конфигурации, они разде- ляются на внутренние, устанавливаемые в корпусе машины, и до- 289 полнительные – наружные. Топливо из наружных баков расходу- ется в первую очередь. Топливная схема питания предусматривает сообщение баков между собой и обеспечивает нормальную работу системы питания при повреждении любого бака. Баки свариваются из листовой стали. Во избежание коррозии внутренние поверхности баков бакелитируются, покрываются цинком или лудятся. Для по- вышения жесткости на стенках баков выштамповываются желоба (зиги), а внутри бака устанавливаются несплошные перегородки. Баки заправляются топливом через заливные горловины, снаб- женные сетчатым фильтром. После заливки топлива горловина за- крывается резьбовой пробкой. В нижней части внутренних баков имеются отстойники. Приемный топливопровод присоединяется к баку выше отстойника. Слив топлива из бака производится через отверстие с пробкой и клапаном при помощи специального ключа- трубки со шлангом. Воздушное пространство баков соединяется с атмосферой через дренажное устройство, которое должно исключать возможность попадания огня в полость бака и вытекание топлива из бака при резких толчках машины, а также обеспечивать очистку воздуха, по- ступающего в бак. Замер количества топлива в баке обычно производится изме- рительным стержнем, который опускается в бак через заливную горловину или специальное отверстие, а также при помощи элек- трических указателей уровня топлива. Перед запуском двигателя заполнение системы топливом и по- дача топлива к насосу высокого давления осуществляются при по- мощи ручного насоса. Наиболее широкое применение нашли руч- ные топливоподкачивающие насосы мембранного типа. Содержащиеся в топливе механические примеси (абразивная пыль) вызывают повышенный износ, а иногда и заедание прецизионных пар топливного насоса высокого давления и форсунок (плунжер – гильза; распылитель – игла распылителя). Повышенный износ пре- цизионных пар приводит к неравномерной подаче топлива в цилин- дры и снижению мощности двигателя. Попавшая в топливо вода способствует электрохимической коррозии деталей топливной ап- паратуры, а в зимнее время может привести к образованию ледяных пробок в топливопроводах и прекращению подачи топлива. 290 Для очистки топлива от механических примесей и воды в топ- ливной системе устанавливаются последовательно два фильтра. Фильтр первичной (грубой) очистки устанавливается перед топ- ливоподкачивающим насосом и задерживает сравнительно крупные механические частицы размерами более 20–50 мкм, составляющие 80–90 % всех примесей в топливе. Фильтр вторичной (тонкой) очистки, устанавливаемый перед топливным насосом высокого дав- ления, очищает топливо от мельчайших механических примесей размерами до 2–6 мкм. По мере загрязнения фильтров грубой очистки увеличивается их сопротивление, вследствие чего подача топлива к топливоподка- чивающему насосу затрудняется. В фильтрах тонкой очистки топлива в качестве фильтрующих элементов применяются пакеты из фетровых дисков, каркасы с по- глощающей механические примеси набивкой (например, минераль- ной ватой), каркасы с нитчатой или тканевой обмоткой и т. д. По мере загрязнения фильтрующих элементов увеличивается тонкость фильтрации топлива, но при этом увеличивается сопро- тивление фильтра. Перепад давления в чистом фильтре тонкой очистки составляет 10–15 кПа (0,1–0,15 кГ/см2), при его загрязне- нии сопротивление может достигать 50–70 кПа. Так как давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, как правило, не пре- вышает 60–70 кПа (0,6–0,7 кГ/см2), при сильном загрязнении филь- трующего элемента подача топлива в двигатель может практически прекратиться. В связи с этим фильтры должны периодически про- мываться, а фильтрующие детали заменяться новыми. В топливной системе питания применяются металлические топ- ливопроводы и специальные резиновые шланги в гибкой оплетке. Соединение топливопроводов между собой и с агрегатами топлив- ной системы производится при помощи специальных резьбовых соединений. Система питания воздухом. Долговечность работы двигателя в значительной мере зависит от количества пыли, попадающей в дви- гатель с воздухом. Проникая в цилиндр двигателя, частицы пыли вызывают интенсивный абразивный износ цилиндров, поршневых колец, шеек и подшипников коленчатого вала. Износ приводит к падению мощности, увеличению расхода топлива и смазки, сниже- нию срока службы двигателя. 291 Для очистки воздуха от пыли и подвода его к цилиндрам дви- гателя служит воздушная система питания. В систему входят воз- духоочистители, впускные коллекторы, устройства для отсоса пыли из пылесборников воздухоочистителей. Воздухоочистители должны свободно пропускать в цилиндр воздух и задерживать находящуюся в нем пыль. Под запыленностью воздуха  понимается количество пыли, в г, содержащееся в 1 м3 воздуха. Степень очистки воздуха оценивается количеством пыли, задержанной воздухоочистителем, отнесенным к количеству пыли, поступившей в воздухоочиститель с атмосфер- ным воздухом. Степень запыленности воздуха зависит от многих факторов (до- рожных условий, конструкции ходовой части, скорости движения машины) и резко меняется по высоте. Так, при движении гусенич- ной машины по пыльной дороге на высоте 0,25 м запыленность за кормой машины достигает 8 г/м3, а на высоте 2 м – 0,5 г/м3. Воздух для питания двигателя обычно поступает на высоте немногим более 1 м, где запыленность редко превышает 4 г/м3. Если запыленность воздуха не превышает 0,001 г/м3, то пыль практически не влияет на износ двигателя. Наиболее трудной задачей при разработке воздухоочистителя является обеспечение очистки воздуха от мельчайших частиц пыли, осаждение которых вызывает значительные трудности. Экспери- ментально установлено, что практически безвредными для работы двигателя являются пылинки размером 0,001 мм. Такие пылинки не могут осесть на землю даже при отсутствии ветра, а частицы разме- ром 0,002–0,003 мм не могут осесть при незначительном ветре, их осаждение в естественных условиях происходит только под дей- ствием тумана, дождя или снега. В воздухоочистителях осаждение таких частиц неизбежно приводит к усложнению метода очистки воздуха и самой конструкции воздухоочистителя. Конструкция со- временного воздухоочистителя должна удовлетворять следующим основным требованиям:  обеспечивать высокую (почти 100%-ю) степень очистки воз- духа от находящейся в нем пыли;  иметь минимальное и стабильное во все время работы двига- теля сопротивление проходу воздуха; 292  длительно работать без промывки;  обеспечивать малую трудоемкость работ по обслуживанию; обладать малым весом и габаритами. Степень очистки воздуха воздухоочистителем характеризуется коэффициентом пропуска пыли 1 R  . Для обеспечения требуемой долговечности работы двигателя необходимо, чтобы  = 0,1–0,2 %, не более. Вторым существенным показателем качества воздухоочистителя является его сопротивле- ние прохождению воздуха, характеризуемое перепадом давления р. Сопротивление воздухоочистителя обусловливает потерю до 5 % мощности двигателя. Часть мощности затрачивается на преодоле- ние сопротивления воздухоочистителя, часть теряется в связи с ухуд- шением наполнения цилиндров двигателя воздухом, что в конечном счете приводит к неполному сгоранию топлива. По мере загрязне- ния воздухоочистителя его сопротивление возрастает. Соответствен- но возрастают и непроизводительные потери мощности. Максималь- но допустимая величина сопротивления воздухоочистителя на номи- нальных режимах работы двигателя составляет р = 10–12 кПа. Для газотурбинных двигателей в силу особенностей их конструкции со- противление воздухоочистителя не должно превышать 3–4 кПа. При этом допускается пропуск пыли до 3–4 %. На рис. 14.3 показан характер изменения степени очистки возду- ха и сопротивления воздухоочистителя от режима его работы (рас- ход воздуха) и степени загрязнения (время работы). По способу отделения пыли от воздуха воздухоочистители могут быть подразделены на инерционные, фильтрующие и комбинирован- ные, имеющие две или более ступеней очистки. В зависимости от того, смачиваются ли элементы воздухоочистителя маслом или жид- костью, их называют сухими или мокрыми (масляными). На современных гусеничных и колесных машинах чаще всего применяются комбинированные воздухоочистители с двумя сту- пенями очистки. В первой ступени из воздуха удаляются наиболее крупные и тяжелые частицы пыли, во второй – мелкие пылинки. 293 Рис. 14.3. Зависимость степени очистки воздуха R и сопротивления воздухоочистителя Δр от расхода воздуха Qв (сплошные линии) и времени работы t (штриховые линии) Наибольшее распространение для первичной грубой очистки воз- духа получили методы пылеосаждения, инерционный и центробеж- ный. Для окончательной тонкой очистки применяются контактный метод и фильтрация. При инерционной очистке используется сила инерции движу- щихся пылинок: при резком изменении направления движения воз- духа пылевые частицы продолжают двигаться по первоначальному направлению и, вылетая из воздушного потока, задерживаются в пылесборниках. Весьма эффективным является способ очистки воздуха, при ко- тором наряду с инерционными используются также центробежные силы. Для этого проходящий в корпусе инерционного воздухоочи- стителя поток воздуха закручивается при помощи спиральных направляющих, тангенциального (по касательной к цилиндрической стенке) входа или других способов. При этом частицы пыли отбра- сываются центробежными силами к стенке корпуса и скатываются по ней в пылесборник. Такие центробежно-инерционные воздухо- очистители называются циклонами. 294 Существенным преимуществом сухого инерционного способа очистки воздуха является то, что сухая пыль может быть легко вы- брошена из пылесборника в атмосферу путем отсоса. Это особенно важно при большой запыленности воздуха, когда необходимо не- прерывное удаление пыли в процессе всей работы двигателя. Отсос пыли осуществляется при помощи вентиляторов системы охлажде- ния или эжекционного устройства, действующего от выпускных газов двигателя. Современные циклонные воздухоочистители обеспечивают сте- пень очистки воздуха не более R = 0,98 при сопротивлении до 5 кПа. Это может быть достаточно для некоторых типов газотурбинных двигателей, в которых наличие пыли в воздухе вызывает в основ- ном повышенный износ проточной части компрессора. Для порш- невых двигателей требуется, чтобы воздухоочиститель обеспечивал степень очистки воздуха до R = 99,8–99,9 %, поэтому инерционные воздухоочистители в этом случае используются лишь как первая ступень очистки. В качестве второй ступени применяются масляные или сухие фильтрующие элементы. На строительных машинах для тонкой очистки воздуха чаще применяются кассеты с проволочной или другого типа набивкой. Преимуществом мокрого способа очистки воздуха является ис- пользование сил сцепления между частицами пыли и маслом. Эти силы проявляются, когда частицы пыли, петляя по хаотично распо- ложенным каналам в набивке кассеты или в слоях проволочной сет- ки, касаются смоченной маслом проволоки и задерживаются на ней. 14.3. Системы охлаждения двигателя Естественное рассеивание тепла поверхностями двигателя и от- вод тепла в масло не обеспечивают поддержания в нужных преде- лах температуры деталей двигателя и агрегатов моторной установ- ки. В связи с этим возникает необходимость в системе охлаждения – совокупности устройств, обеспечивающих принудительный отвод тепла от нагревающихся деталей двигателя. При перегреве двигате- ля может происходить снижение коэффициента наполнения, ка- лильное зажигание, пригорание масла и повышение потерь на тре- ние. Переохлаждение двигателя может привести к снижению эко- номичности, повышению жесткости работы, смолообразованию. 295 В двигателях внутреннего сгорания гусеничных и колесных ма- шин применяется как жидкостное, так и воздушное охлаждение. При жидкостном (водяном) охлаждении тепловое состояние дви- гателя оценивается температурой охлаждающей жидкости на выхо- де из двигателя. Допустимая температура охлаждающей жидкости в закрытых системах может достигать 120° С, в открытых системах – 90–95 °С. При воздушном охлаждении тепловое состояние двигателя оце- нивается по температуре головки наиболее нагреваемого цилиндра или на выходе охлаждающего воздуха. Допустимая температура цилиндра 220 °С, а температура воздуха 90–120 °С. Допустимое время непрерывного действия предельных значений температуры при работе двигателя составляет 5–15 мин. Проектируемая система охлаждения должна обеспечивать:  температурные характеристики двигателя на всех скоростных и нагрузочных режимах в пределах, заданных техническим условиями;  минимальный расход мощности на охлаждение;  малый вес и габариты;  эксплуатационную надежность, определяемую сроком служ- бы, простотой и удобством регулирования и обслуживания, а также стабильностью основных технических показателей системы в про- цессе работы;  технико-экономическую целесообразность, определяемую слож- ностью конструкции, технологией изготовления и монтажа, расхо- дом конструкционных и эксплуатационных материалов. Техническими условиями предусматриваются допустимые пре- делы перегрева и переохлаждения двигателя при вполне опреде- ленных так называемых критических параметрах окружающего воз- духа. Предельные значения температуры окружающего воздуха для системы охлаждения гусеничных и колесных машин можно считать +45 °С и –45 °С. Большинство двигателей отечественных гусеничных и колесных строительных машин имеют жидкостное охлаждение, которое по сравнению с воздушным имеет следующие преимущества:  более легкий пуск двигателя в условиях низкой температуры окружающего воздуха;  более равномерное охлаждение двигателя; 296  возможность применения блочных конструкций цилиндров;  упрощение компоновки и возможность изоляции воздушного тракта;  меньший шум при работе двигателя. К недостаткам жидкостной системы охлаждения относятся:  большая чувствительность к изменению температуры окружа- ющего воздуха,  потребность в охлаждающей жидкости,  опасность ее подтекания и замерзания,  повышенный коррозийный износ цилиндров вследствие более низкой температуры их стенок. Жидкостная вентиляторная система. Жидкостная система охлаждения обеспечивает теплоотдачу от нагретых деталей двига- теля в охлаждающую жидкость, перенос тепла от двигателя к ради- атору и рассеивание тепла радиатором. В соответствии с этим си- стема охлаждения состоит из двух частей: теплопереносной и теп- лорассеивающей. Агрегаты и узлы теплорассеивающей части называются радиаторной установкой и включают радиатор, венти- лятор, воздухопритоки и воздухоотводы, а также органы регулиро- вания интенсивности охлаждения. В моторных установках гусеничных машин чаще применяются жидкостные вентиляторные системы охлаждения с принудительной циркуляцией жидкости. Эти системы являются закрытыми, или за- мкнутыми, т. е. жидкостный тракт не имеет постоянного сообщения с атмосферой, что способствует уменьшению расхода жидкости. Циркуляция воды между двигателем и радиатором обеспечивается центробежным насосом. В расширительном бачке имеется запас жидкости для компенсации ее убыли в контуре двигатель–ра-диатор из-за испарения и возможных утечек. Парообразование ослабляет эффективность работы системы охлаждения, поэтому пар из ру- башки двигателя и радиатора отводится в паровоздушное простран- ство расширительного бачка. Превышение сверх нормы давления в системе может привести к нарушению ее герметичности и разрушению, понижение – к недо- пустимому парообразованию. Поддержание давления в необходи- мых пределах осуществляется при помощи двойного паровоздуш- ного клапана, который устанавливается в наиболее высокой точке 297 водяной системы. Часто он монтируется в пробке заливной горло- вины расширительного бачка или верхнего бачка радиатора. Паровой клапан этого устройства открывается, когда давление в системе превышает атмосферное на 20–60 кПа и выше. Воздушный клапан открывается, когда в системе (при охлаждении двигателя) образуется разрежение 1–4 кПа. Перепады давления, при которых открываются клапаны, обеспечиваются подбором параметров и натяга клапанных пружин. Наличие избыточного давления в жид- костном тракте системы охлаждения двигателя приводит к повы- шению температуры кипения жидкости и способствует увеличению эффективности охлаждения, уменьшению потерь жидкости, снижа- ет возможность появления в потоке жидкости пузырьков воздуха и пара. На рис. 14.4 представлен график зависимости температуры кипения воды и водоэтиленгликолевых смесей различной концен- трации (антифризы) от избыточного давления в жидкостном тракте системы охлаждения. Рис. 14.4. Зависимость температуры кипения t охлаждающих жидкостей от избыточного давления Δр в системе охлаждения Регулирование расхода жидкости. Интенсивность охлаждения жидкости, а следовательно, и двигателя регулируется изменением расхода жидкости или воздуха, проходящих через радиатор, регу- лирование расхода жидкости осуществляется при помощи термо- статов с двойным клапаном, обеспечивающим циркуляцию жидко- сти через радиатор (по большому кругу) при ее температуре на вы- 298 ходе из двигателя не ниже 65–70 °С. При более низкой температуре жидкость направляется из водяной рубашки головки цилиндрового блока к насосу и обратно в водяную рубашку двигателя. Запуск и прогрев холодного двигателя с термостатом в системе охлаждения при минусовой температуре наружного воздуха сопро- вождается интенсивным охлаждением радиатора, циркуляция жид- кости через который в начале прогрева весьма ограничена. В связи с этим, если в качестве охлаждающей жидкости используется вода, возможно ее замерзание в трубках радиатора, и тогда радиатор вы- ходит из строя. В этом случае необходимо прекратить продувку ра- диатора воздухом, приостановив на время прогрева двигателя дей- ствие вентилятора или перекрыв воздушный тракт. Для регулирования расхода воздуха в системе охлаждения ис- пользуются жалюзи. При вентиляторной системе охлаждения на расход воздуха можно также воздействовать изменением числа обо- ротов или углов атаки лопастей вентилятора. Расчет радиаторной установки. Расчет включает:  определение количества тепла, отводимого жидкостью;  расчет радиатора;  оценку сопротивления воздушного тракта;  подбор вентилятора по требуемому расходу воздуха и сопро- тивлению воздушного тракта. Расчетным режимом радиаторной установки является режим, соот- ветствующий работе двигателя на максимальной мощности. При уста- новившемся тепловом состоянии двигателя количество тепла Q, отво- димого от нагретых деталей охлаждающей жидкостью, принимают равным количеству тепла, рассеиваемого радиатором, т. к. отвод тепла соединительными трубопроводами не превышает 2–3 % от Q. Для определения количества тепла, уносимого охлаждающей жидкостью, имеется несколько сравнительно простых формул, учи- тывающих некоторые конструктивные параметры и режимные фак- торы, например 33,6 10 e e èq N g HQ      , где Nе – эффективная мощность, кВт; gе – удельный расход топлива, г/(кВт-ч); 299 Ни – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг; q – относительная теплопередача в окружающую среду (для ди- зелей q = 0,16 = 0,25, для бензиновых двигателей q = 0,20–0,30). Для практических целей с допустимой точностью можно считать eQ a N  , где а – опытный коэффициент, равный для дизелей 0,45–0,90, для бензиновых двигателей 0,8–1,4. При определении расчетного количества тепла, подлежащего рас- сеиванию радиатором, вводят коэффициент запаса  = 1,10–1,15, тогда ðQ Q  . Теплорассеивающая способность радиатора зависит от большого числа факторов: размеров, типа, конструкции и качества изготовле- ния охлаждающей решетки, скоростей жидкости и воздуха, органи- зации воздушного потока, продувающего радиатор, и т. д. При пло- хом контакте между трубками и пластинами оребрения теплопере- дача ухудшается на 20–30 %. Сильная запыленность радиатора также снижает теплопередачу на 10 %. На рис. 14.5, а изображены экспериментальные кривые, харак- теризующие зависимость отводимого тепла Q и воздушного сопро- тивления Δр радиатора от глубины l охлаждающей решетки. При l > 150 мм тепловая эффективность радиатора начинает заметно по- нижаться, тогда как аэродинамическое сопротивление его продол- жает расти по примерно линейному закону. Рис. 14.5. Характеристики радиатора 300 Рис. 14.5, б свидетельствует о том, что увеличение скорости жид- кости vж в решетке радиатора целесообразно до определенного предела (в выполненных конструкциях 0,4–0,8 м/с), после которого повышение теплоотдачи незначительно. Из рис. 14.5, в видно, что изменение скорости воздуха перед фронтом радиатора vв оказывает значительное влияние на эффек- тивность теплоотдачи Q и энергетические потери Δр, обусловлен- ные аэродинамическим сопротивлением радиатора. Оптимальные значения скорости воздуха, продувающего радиатор (перед фрон- том радиатора), находятся в пределах 10–20 м/с. Приведенные на рис. 14.5, б и в зависимости даны для трубчато- пластинчатого радиатора при глубине охлаждающей решетки 95 мм и разности средних температур жидкости и воздуха 60 °С. Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта системы охлаждения оценивается суммой перепадов статического давления на всех участках тракта. Аэродинамическое сопротивление радиа- тора может быть выражено в виде потери напора Нр или перепада давления Δрр (Па): 2 â â ð ð 2 v p     , где  р – коэффициент аэродинамического сопротивления радиато- ра, определяемый опытным путем; vв – скорость воздуха перед фронтом радиатора, м/с; ρв – массовая плотность воздуха, кг/м3. В зависимости от конструкции охлаждающей решетки скорости и плотности воздуха он изменяется в широких пределах – от 3 до 8–10. Большие значения  , имеют место при меньшей скорости воз- духа. Аэродинамическое сопротивление Δрр радиаторов транспорт- ных машин примерно пропорционально глубине решетки и дости- гает значения 800–1200 Па. Сопротивление горячего радиатора на 3–8 % больше, чем холодного. Аэродинамическое сопротивление всего воздушного тракта мо- жет быть выражено суммарной потерей напора   2 2 â â â â ð òð 2 2 v v H          , 301 где тр – коэффициент аэродинамического сопротивления воздуш- ного тракта. Имея в виду, что ââ ôð V v F  (здесь Vв – расход воздуха, м3/с; Fфр – фронтальная площадь радиатора, м2), получим 2 â â 2 ôð2 V H F      , т. е.  âH f V  . Эта функция называется аэродинамической харак- теристикой воздушного тракта. Вентилятор подбирается по заданным оборотам пвент и требуе- мым значениям напора Н и расхода воздуха Vв (рис. 14.6), опреде- ляемым точкой пересечения А характеристики вентилятора (кривая 1) и аэродинамической характеристики воздушного тракта (кривая 2). Рис. 14.6. К определению расхода воздуха вентиляторной системой охлаждения Мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, Вт â âåí ò âåí ò H V N   , где вент – КПД вентилятора. 302 Коэффициент полезного действия центробежных вентиляторов лежит в пределах 0,3–0,6; осевых – 0,3–0,7 и зависит от совершен- ства аэродинамической формы лопастей. Следует иметь в виду, что окружная скорость по наружному диаметру вентилятора Dнар í àð âåí ò î êð 60 Â n v   ограничивается величиной 100–110 м/с по акустическим сообра- жениям. Расход жидкости Vж (м3/с), циркулирующей в системе охлажде- ния, зависит от количества тепла Q (кВт), отводимого от двигателя: æ æ æ æ æ Q V t ñ    , где tж – перепад температуры жидкости в радиаторе; ж – плотность жидкости, кг/м3; сж – удельная теплоемкость жидкости, кДж/кг-К, равная для во- ды 4,19; для этиленгликоля 2,9. Требуемая площадь проходного сечения радиатора со стороны жидкости Fж зависит от расхода Vж и скорости vж жидкости: æ æ æ V F v  . При этом задаются оптимальные значения vж и tж. Число ходов радиатора со стороны жидкости определяется конструктивно-ком- поновочными соображениями и зависит от требуемой площади охлаждающей поверхности радиатора со стороны воздуха. Расчетная производительность водяного насоса определяется с учетом возможных утечек жидкости из напорной полости во всасы- вающую: æ æ.ð V V   , где  = 0,8–0,9 – коэффициент подачи. 303 Потери напора в водяном тракте системы охлаждения Нж состоят из потерь на трение òðH и местных потерь ì ïH . Водяной на- сос при заданной производительности должен создавать напор æ æ òð ì ïH H H H       . Местные потери напора могут быть определены по формуле 2 æ æ ì ï ì ï 2 v H     , где ì ï – коэффициент местного сопротивления. Для прямоуголь- ного колена и резкого расширения ì ï = 1; для внезапного суже- ния ì ï = 0,5; для плавного расширения ì ï = 0; для закругления ì ï = 0,24–0,35. Потери напора на трение зависят от длины l трубопровода и его эквивалентного диаметра dэ: 2 æ æ òð òð ý 2 vl H d      , где òð æ 0,00947 0,0144 v    – коэффициент трения. Для круглой тру- бы диаметром d эквивалентный диаметр dэ = d; для плоской трубы òð ý òð 4F d S  , где Fтр и Sтр – соответственно площадь и периметр попе- речного сечения трубы. При последовательном включении участков жидкостного тракта расходы жидкости на разных участках равны, а потери напора сум- мируются. На параллельных участках равны потери напора, а сум- мируются расходы жидкости. Мощность (кВт), потребляемая водяным насосом, может быть определена по формуле æ.ð æ âí í .ã1000 V H N   , 304 где Vж.р – расчетная производительность водяного насоса, м3/с; Hж – требуемый напор, Па; н.г = 0,6–0,7 – гидравлический кпд насоса. Для автотракторных двигателей обычно Nвн = (0,005–0,01)Nе; где Nе – эффективная мощ- ность двигателя. Высокотемпературное охлаждение. Высокотемпературное охлаждение двигателя является одним из весьма действенных путей повышения эффективности жидкостной системы охлаждения. При высокотемпературном охлаждении температура воды на выходе из рубашки двигателя может достигать 120 °С и более, а избыточное дав- ление в водяной системе – более 100 кПа. Эти обстоятельства должны учитываться при конструировании элементов водяного тракта. Долж- ны быть обеспечены повышенная прочность и надежность трубопро- водов, водяных резервуаров, пайки, соединений и уплотнений. Повышение температуры охлаждающей жидкости приводит к некоторому увеличению как индикаторного, так и механического КПД двигателя. При этом износ двигателя, как правило, не увели- чивается. Допустимое значение верхнего предела температуры за- висит от типа двигателя, степени его форсирования и других факто- ров. Существенной причиной ограничения верхнего предела темпе- ратуры является возможность недопустимого разжижения масла, следствием чего может быть повышенный износ и снижение КПД двигателя. При высокотемпературном охлаждении увеличивается доля тепла, отводимого отработавшими газами и рассеиваемого де- талями моторной установки, в связи с чем доля тепла, отводимого жидкостью, уменьшается на 5–15 %. Количество тепла, передавае- мого радиатором системы охлаждения от жидкости к воздуху, про- порционально температурному напору. Если при прочих равных условиях (той же конструкции системы охлаждения, неизменных расходе воздуха и температурах) повысить среднюю температуру жидкости (например, с 95 до 115 оС), то среднелогарифмический температурный напор увеличится почти в 1,5 раза. Однако полная реализация такого повышения эффективности радиаторной уста- новки невозможна без соответствующего увеличения расхода воз- духа, а для чего необходимо более чем трехкратное увеличение мощности вентилятора. При этом изменятся коэффициент теплопе- редачи и КПД вентилятора, а также потребуются существенные конструктивные переделки всей системы охлаждения. 305 По опытным данным при неизменном количестве рассеиваемого тепла переход на высокотемпературное охлаждение двигателя поз- воляет в 1,5–2 раза уменьшить габариты радиаторной установки и заметно снизить потери мощности на привод вентилятора и водя- ного насоса. Воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении тепло от цилиндров двигателя передается непосредственно воздуху. Впервые созданные двигатели внутреннего сгорания имели воз- душное охлаждение. Дальнейшее развитие двигателестроения при- вело к использованию водяного охлаждения, т. к. воздушное было недостаточно эффективным. Исключение составляли авиационные и малолитражные двигатели. В настоящее время прогресс, достиг- нутый в технике воздушного охлаждения, вновь ставит вопрос о его более широком распространении. В двигателях с жидкостным охлаждением на систему охлажде- ния приходится до 20 % всех неисправностей (течи в радиаторах и местах соединений, образование накипи, трещины в водяной ру- башке двигателя, выход из строя уплотнений и т. д.) Воздушная система охлаждения требует значительно меньше ухода, менее подвержена температурным воздействиям, конструк- тивно проще, находится в постоянной готовности к действию. Дви- гатели с воздушной системой охлаждения имеют меньший вес и габариты, экономичнее, значительно быстрее прогреваются. Для их охлаждения требуется на 30 % меньший расход воздуха. Соответ- ственно уменьшаются и затраты мощности. Существенный недо- статок ДВС с воздушным охлаждением – повышенная шумность. Основной задачей проектирования воздушной системы охлаж- дения является обеспечение необходимой теплоотдачи от двигателя к воздуху при возможно меньшем расходе воздуха и минимальном аэродинамическом сопротивлении. 14.4. Система смазки Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся поверх- ностям деталей двигателя, хранение, очистку и охлаждение масла. В двигателях внутреннего сгорания преобладает трение скольже- ния, которое при наличии смазки принято разделять на жидкостное, граничное, полужидкостное и полусухое. 306 При жидкостном трении трущиеся поверхности полностью раз- делены слоем масла и сила трения обусловлена его вязкостью. При граничном трении поверхности разделены тончайшим граничным слоем смазки и сила трения определяется молекулярным взаи- модействием между трущимися поверхностями и граничным слоем масла. При полужидкостном и полусухом трении масляный слой раз- рушается и на различных участках трущихся поверхностей одновре- менно может иметь место жидкостное, граничное и сухое трение. Подводимое к трущимся поверхностям масло уменьшает силы трения и износ, охлаждает поверхности трения, удаляет с них про- дукты износа, уменьшает коррозию деталей. Потери на трение и износ минимальные при жидкостном трении. Поэтому необходимо так организовывать подвод масла к трущимся деталям, чтобы мак- симально способствовать образованию жидкостного трения. Все моторные масла применяются со специальными присадками, обеспечивающими повышение их антикоррозийных, моющих и ан- тиизносных свойств. В современных двигателях внутреннего сгорания наиболее на- груженные трущиеся детали смазываются под давлением, например подшипники коленчатого и распределительного валов, иногда порш- невые пальцы, толкатели клапанов. Другие детали смазываются раз- брызгиванием. В форсированных двигателях масло иногда исполь- зуется для охлаждения днища поршня. У двигателей с мокрым картером циркуляция масла в системе обеспечивается шестеренным насосом. Через маслоприемник с сет- чатым фильтром масло поступает в главную масляную магистраль, откуда по каналам в перегородках картера, коленчатом вале и ша- тунах подводится к коренным и шатунным подшипникам, подшип- никам распределительного вала и поршневым пальцам. Остальные детали смазываются разбрызгиванием. Давление, количество и тем- пература масла контролируется при помощи манометра, маслоиз- мерительного стержня и термометра. В гусеничных машинах чаще применяются двигатели с сухим картером, из которого масло откачивается в масляный бак. При си- стеме смазки с сухим картером имеется возможность уменьшить высоту двигателя, снизить расход масла, обеспечить больший срок его службы. 307 Количество тепла, отводимого от двигателя циркулирующим мас- лом, зависит от теплового режима работы подшипников и тепловой нагрузки двигателя. У современных транспортных двигателей тепло- отдача в масло составляет 1,5–2 % от тепла, вводимого в цилиндры двигателя с топливом. В двигателях, где масло используется для охлаждения поршней, теплоотдача в масло значительно больше. Количество масла (циркуляционный расход), которое должно про- качиваться через двигатель, определяется по формуле ì ö ì ì Q V c t    , где Qм – теплоотдача в масло; м – плотность масла; см – теплоемкость масла; t – нагрев масла в двигателе. Средние значения этих величин обычно составляют: м = 850 кг/м3; см = 2 кДж/(кг-К); t = 10–15 К. В связи с выгоранием и утечками расход масла в современных двигателях составляет 1–3 % от расхода топлива. В связи с этим для обеспечения достаточного запаса хода машины в систему смазки должно быть заправлено определенное количество масла. Для обеспечения требуемого давления масла при работе двига- теля на любом режиме производительность масляного насоса должна быть значительно выше циркуляционного расхода  í ö2,0...3,5V V . Повышенная производительность насоса обеспечивает нормаль- ное давление масла в системе в случае увеличения зазоров по мере износа двигателя, а также при повышении расхода масла из-за уменьшения его вязкости при высокой температуре. Избыток масла перепускается редукционным клапаном из полости нагнетания в полость всасывания. В системах смазки с сухим картером произ- водительность откачивающей секции должна быть в 1,5–2,5 раза больше производительности нагнетающей секции. Масляные насосы. В качестве масляных насосов применяются, как правило, шестеренные насосы с шестернями внешнего зацеп- 308 ления. Они просты в изготовлении, надежны в работе, имеют малые габариты и вес. В системах смазки с сухим картером масляный насос располагают обычно снаружи двигателя, что упрощает под- вод масла к насосу и отвод его в бак. Применение в насосах шестерен с косыми зубьями обеспечивает более равномерную подачу масла и плавную работу насоса. При этом необходимо, чтобы при любом угловом положении шестерен имелась контактная линия, перекрывающая всю длину зуба. Сечение входного патрубка насоса должно обеспечивать скорость протекания масла в пределах 0,3–0,6 м/с, выходного – 0,8–1,5 м/с. Расчетные скорости масла в маслопроводах принимаются равными 1–2,5 м/с. Размеры шестерен насоса определяют исходя из его произво- дительности (л/с): 7 í î í0,17 10V Dhbn     , где D – диаметр начальной окружности шестерни, мм; h – высота зуба, мм; b – длина зуба, мм; п – частота вращения шестерни, об/мин; он – объемный КПД насоса. Меньшие габариты насоса заданной производительности полу- чаются при рациональном сочетании малого диаметра шестерен с большим модулем зубьев. Окружная скорость на внешнем диаметре шестерен не должна превышать 8–10 м/с во избежание резкого паде- ния он из-за влияния центробежных сил. Коэффициент подачи он может изменяться в широких пределах (0,4–0,9) в зависимости от тем- пературы и вязкости масла, оборотов, давления, величины радиальных и торцовых зазоров. Для расчета можно принимать он = 0,7–0,8. Мощность, необходимая для привода масляного насоса, зависит от расхода масла и перепада давления между полостями нагнетания и всасывания: í í î í ì í V p N      , где мн = 0,85–0,9 – механический КПД насоса. 309 Очистка масла. Надежная очистка масла от механических при- месей в современных машинах осуществляется при помощи филь- тров грубой и тонкой очистки. Фильтры грубой очистки могут иметь сетчатые, пластинчато- щелевые, ленточно-щелевые и проволочно-щелевые фильтрующие элементы. Сетчатые фильтрующие элементы изготавливаются из про- волоки с числом клеток от 25 до 300 на 1 см2 и задерживают частицы размером до 0,1 мм. Ленточно- и пластинчато-щелевые фильтрующие элементы могут задерживать частицы размером 0,04–0,09 мм. Фильтры тонкой очистки масла задерживают частицы до 1 мкм, обладают сравнительно большим сопротивлением и включаются параллельно. Через них проходит до 10 % масла, нагнетаемого насосом. Фильтрующие элементы бывают картонные, бумажные, фетровые, с поглощающей массой. Для того чтобы к подшипникам двигателя подавалось наиболее чистое масло, целесообразно после тонкой очистки подавать масло к полости всасывания нагнетающей секции насоса. Фильтрующие элементы фильтров тонкой очистки масла после их загрязнения, как правило, к дальнейшему употреб- лению непригодны и заменяются новыми. В настоящее время все более широкое применение для очистки масла находят реактивные масляные центрифуги, в которых механи- ческие частицы, загрязняющие масло, отделяются центробежными силами. Центрифуги обладают существенными преимуществами:  высокая степень очистки масла, фильтрующие свойства и про- пускная способность почти не зависят от загрязнения ротора;  отсутствует необходимость замены элементов при периодиче- ском обслуживании. Ротор должен промываться через 200–300 ч работы двигателя. Центрифуга в зависимости от ее конструкции и параметров может быть использована как для грубой, так и для тонкой очистки масла, может быть включена в систему смазки последовательно или па- раллельно. Хорошая очистка масла достигается при частоте вращения ро- тора центрифуги 5000–7000 об/мин и расходе до 0,17 л/с. При этом давление масла на входе в центрифугу составляет 0,4–0,6 МПа. Охлаждение масла. Для охлаждения масла, выходящего из дви- гателя, используются масляные радиаторы. В настоящее время при- 310 меняются два типа радиаторов: водомасляные, в которых осуществ- ляется теплообмен между маслом и жидкостью системы охлажде- ния, и воздушно-масляные с обдувом атмосферным воздухом. В системах смазки с сухим картером радиаторы обычно вклю- чают в откачивающую магистраль и располагают на пути воздуш- ного потока системы охлаждения двигателя. На случай засорения радиатора или повышения вязкости масла (в период пуска холод- ного двигателя) устанавливаются перепускные клапаны. Преимущество водомасляных радиаторов заключается в том, что в период пуска холодного двигателя масло быстрее прогревается. Кроме того, водомасляные радиаторы обеспечивают более стабиль- ную температуру масла, не зависящую от нагрузки двигателя и тем- пературы окружающей среды. Недостатками этих радиаторов явля- ются относительно больший вес, меньшая надежность в работе, невозможность охлаждения масла до температуры ниже, чем тем- пература жидкости. Воздушно-масляные радиаторы проще и надежнее в эксплуата- ции, имеют меньший вес и способны охлаждать масло до темпера- туры ниже, чем температура жидкости системы охлаждения. Их кон- струкция аналогична конструкции радиаторов системы охлаждения. На транспортных машинах нашли преимущественное распростране- ние трубчато-пластинчатые воздушно-масляные радиаторы. 14.5. Системы подогрева и пуска двигателя Во время пуска двигателя зимой из-за низкой температуры воз- духа нарушается процесс образования горючей смеси, снижаются давление и температура в конце такта сжатия и, таким образом, со- здаются весьма неблагоприятные условия для воспламенения топ- лива в цилиндрах. Кроме того, понижение температуры приводит к увеличению момента сопротивления прокручиванию вала двигателя из-за повышения вязкости масла и к снижению эффективности дей- ствия пусковых устройств. Все это затрудняет, а иногда делает не- возможным запуск двигателя в зимних условиях без предваритель- ного подогрева. Износ холодного двигателя за время одного пуска-прогрева, по данным ряда исследователей, равен износу, получающемуся за 2–4 ч его работы с эксплуатационной нагрузкой при номинальной тем- 311 пературе. Предварительный подогрев двигателя, особенно если по- догрев от внешнего источника тепла продолжается во время про- грева на холостом ходу (тепловое сопровождение), существенно снижает износ деталей кривошипно-шатунного механизма. Система подогрева. Система подогрева предназначена для про- грева двигателя перед пуском и поддержания его в готовности к пуску в зимних условиях. Подогреватели делятся на электрические, жидкостные и воздушные. Они должны обеспечивать быстрый и надежный подогрев двигателя и других агрегатов машины при низ- кой температуре окружающего воздуха, быть безопасными в по- жарном отношении, компактными, простыми по устройству. Электрические подогреватели вследствие значительного потребле- ния электрической энергии имеют весьма ограниченное применение. Воздушные подогреватели могут быть использованы для подо- грева двигателей как с воздушным, так и жидкостным охлаждени- ем. К числу их достоинств относится возможность непосредствен- ного подогрева подшипников коленчатого вала и других элементов двигателя, а также агрегатов трансмиссии, приводов управления, аккумуляторных батарей и т. д. Однако интенсивный подогрев жидкостного тракта не обеспечивается, и общая эффективность по- догрева двигателя с жидкостным охлаждением оказывается недо- статочной. Наиболее широкое распространение получили жидкостные фор- сунчатые подогреватели с принудительной циркуляцией жидкости в контуре, соединенном с контуром системы охлаждения двигателя. Такая система подогрева может обеспечить достаточный разогрев двигателя перед запуском за 25–30 мин при температуре наружного воздуха –30 °С. Недостатком жидкостной системы подогрева является то, что она не обеспечивает быстрого разогрева подшипников коленчатого вала двигателя и ряда других агрегатов моторно-трансмиссионного отделения. Этот недостаток может быть сглажен при использовании комбинированной воздушно-жидкостной системы подогрева, где часть тепла отработавших в котле подогревателя газов используется для подогрева других агрегатов, не имеющих жидкостной связи с подогревателем. Система пуска. Система пуска предназначена для проворачивания коленчатого вала двигателя на таких оборотах, при которых функцио- 312 нируют приборы питания двигателя топливом и воздухом, системы смазки и зажигания (у бензиновых двигателей), а в цилиндрах созда- ются условия, необходимые для воспламенения и сгорания топлива. Виды пусковых устройств. Одним из основных средств запуска двигателей транспортных машин является электростартер, пред- ставляющий собой сериесный электродвигатель с питанием от ак- кумуляторных батарей машины. Мощность электростартера и пере- даточное число передачи выбираются такими, чтобы обеспечива- лись необходимые значения оборотов и момента на коленчатом валу двигателя. В современных машинах мощность электростартера составляет 5–10 % от мощности двигателя. Передача осуществляет- ся с помощью зубчатой пары с передаточным числом iп = 8–10 и КПД п = 0,85–0,9. К достоинствам электростартера относятся малые габариты, дистанционное управление, возможность попол- нения энергии батарей во время работы двигателя. Недостатками являются необходимость применения тяжелых и сравнительно ма- лонадежных стартерных аккумуляторных батарей, рассчитанных на большую силу разрядного тока. В настоящее время уделяется много внимания созданию новых типов аккумуляторов электрической энергии, имеющих большой срок службы, высокую механическую прочность, обладающих большой энергоемкостью, способных эф- фективно работать в широком диапазоне температур. В качестве резервного, а часто и основного средства запуска транспортных двигателей применяется пуск сжатым воздухом. Из баллонов сжатый воздух поступает в воздухораспределитель. План- шайба воздухораспределителя вращается синхронно с коленчатым валом двигателя и во время ходов расширения направляет воздух в цилиндры через пусковые клапаны. Пусковой клапан открывается под действием сжатого воздуха, преодолевающего усилие пружины. Воздух заполняет цилиндр и давит на поршень, проворачивая колен- чатый вал двигателя. Баллоны могут быть сменными или подкачи- ваться во время работы двигателя двухступенчатым компрессором. Максимальное давление воздуха в баллонах 15–20 МПа, минимально необходимое для пуска двигателя – 4–6 МПа. Основными преимуще- ствами этого способа пуска является его надежность и нечувстви- тельность к изменению температуры окружающего воздуха. В свое время довольно широко применялся пуск двигателей гусе- ничных машин при помощи инерционного стартера, действие которо- 313 го основано на использовании кинетической энергии вращающейся массы. Электродвигатель небольшой мощности (1–2 кВт) раскручива- ет маховик до 10–15 тыс. об/мин. Раскрутить маховик можно также вручную при помощи рукоятки. По достижении необходимых оборо- тов маховик при помощи механизма включения подключается к валу двигателя через фрикционную муфту и храповик. В настоящее время инерционные стартеры почти не применяются в связи с относительной сложностью конструкции и недостаточной надежностью в работе. Пуск двигателя при помощи вспомогательного двигателя малой мощности нашел широкое применение на тракторах. Вспомогатель- ный (пусковой) двигатель, как правило, карбюраторный (двухтакт- ный или четырехтактный), запускается вручную. Он соединен с ос- новным двигателем приводным механизмом, состоящим из фрикци- онной муфты, двухступенчатого редуктора и механизма выключения. Облегчение запуска основного дизеля достигается применением декомпрессора – механизма, при помощи которого в начале процес- са пуска дизеля открываются клапаны (чаще только выпускные) и тем самым устраняется сопротивление сжатия. Пуск при помощи вспомогательного двигателя связан с приме- нением ручного или другого вида запуска самого пускового двига- теля, с применением второго вида топлива, продолжителен по вре- мени (особенно при низкой температуре), т. к. требуется прогрев сначала пускового, а затем основного двигателя. Приводной меха- низм сложен по конструкции. Возможность запуска двигателя вручную может быть предусмот- рена в качестве вспомогательного средства для двигателей сравни- тельно небольшой мощности (до 70–100 кВт). В специальных случаях для пуска двигателя могут применяться пиротехнические средства, пуск дизеля на бензине (с дополнитель- ной камерой сгорания и карбюраторной системой питания) и другие способы. Определение мощности пусковых устройств. Общее сопротив- ление вращению коленчатого вала Мс складывается из следующих частей: сопротивления сил трения Мт в двигателе и соединенных с ним агрегатов (вентиляторе, масляном и топливном насосах, гене- раторе и т. д.); инерционного сопротивления подвижных частей двигателя и соединенных с ним агрегатов Мн, возникающего при разгоне до пусковых оборотов; сопротивления воздуха (или горю- 314 чей смеси) в цилиндрах во время такта сжатия Мсж. Таким образом, суммарный момент, приложенный к валу двигателя во время пуска, должен быть равен Мп = Мс = Мт + Мн + Мсж. Величина момента сопротивления Мс зависит от многих факторов: числа цилиндров, степени сжатия, состояния поверхностей трения сопряженных деталей и т. д., а особенно от вязкости масла. Так, при изменении температуры двигателя от +20 до –40 С момент сопротив- ления может увеличиться в 4–5 раз. Вместе с тем во время пуска ди- зеля температура воздуха в цилиндре в конце такта сжатия должна быть на 200–250 °С выше температуры самовоспламенения топлива. Поэтому при низких температурах наружного воздуха запуск двига- теля без предварительного подогрева иногда вообще невозможен. Температура воздуха в цилиндрах в большой степени зависит от скорости вращения коленчатого вала. При слишком малых оборо- тах непомерно увеличиваются теплоотдача от воздуха к стенкам цилиндров и утечки воздуха через поршневые кольца. Если принять, что момент трения Мт (Н-м) по углу поворота ко- ленчатого вала не меняется, можно считать ò ò 4 3,12 10 hp V iM T  , где рт – условное среднее давление трения, Па; Vh – рабочий объем одного цилиндра, л; i – число цилиндров; Т – тактность. О величине условного среднего давления трения (Па) дают ори- ентировочное представление эмпирические зависимости: при п < 50 об/мин  1 35 1 3ò 1010 0,2 2,32 0,048p      ; при п > 50 об/мин 315 1 7 5 1 3 ò 10 0,2 0,282 100 n p            , где 10 и  – динамическая вязкость масла, Па-с, при температуре 10 °С и текущей температуре соответственно. Максимальное значение момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала от сжатия 2 4 ñæ ñæ ñæ5 10 4 2 h d s M p p V     , где рсж – максимальное значение тангенциального усилия на кри- вошипе, отнесенное к площади поршня; d и s – диаметр и ход поршня, м. Момент сопротивления (Н-м) от сил инерции пропорционален ускорению коленчатого вала: äâ äâ d d jM J t   , где Jдв – момент инерции всех движущихся масс двигателя, при- веденный к коленчатому валу. Если разгон вала от состояния покоя до пусковых оборотов пп производится за время tп с постоянным ускорением, то ï äâ ï30 j n M J t   . Приведенные выражения показывают, что момент сопротивле- ния вращению вала двигателя во время пуска определяется конст- руктивными параметрами двигателя (литражом, числом цилиндров, степенью сжатия, приведенным моментом инерции), его темпера- турным режимом, характеристиками масла и т. д. Вращающий момент пускового устройства (стартера) должен быть не менее 316 ñ ñò ï ï M M i   , где iп и п – передаточное число и КПД передачи от стартера к валу двигателя. Число оборотов вала стартера пст = ппiп. Для карбюраторных двигателей пп = 100–150 об/мин, для дизе- лей с неразделенными камерами сгорания пп = 150–250 об/мин, для дизелей с разделенными камерами сгорания пп = 200–400 об/мин. В соответствии с этим мощность стартеров для двигателей раз- личных типов в зависимости от литража двигателя Vл (л) имеет зна- чение (кВт) Nст = (0,2–1,5)Vл. 15. Конструирование фрикционных узлов трансмиссий 15.1. Общие сведения Различают два типа фрикционных устройств: блокировочные муф- ты и тормоза. Устройство первого типа предназначено для соедине- ния двух вращающихся деталей. Блокировочные муфты в транспорт- ных машинах могут применяться в качестве главных фрикционов, элементов управления коробками передач и механизмами поворота, могут быть использованы и непосредственно в качестве механизма поворота (бортовой фрикцион). Кроме того, блокировочные муфты иногда используются для ограничения передаваемого крутящего момента в приводах некоторых вспомогательных агрегатов (напри- мер, в приводе вентилятора). Главный фрикцион устанавливается в механических трансмиссиях при наличии простых коробок передач. Он предназначен для плавной передачи нагрузки на двигатель при трогании с места, уменьшения ударных нагрузок на детали трансмиссии и двигатель при переклю- чении передач, предохранения силовой передачи от перегрузок при 317 резком изменении режима движения машины, а также для отключе- ния двигателя от ведущих колес при экстренном торможении. В качестве механизмов поворота гусеничных машин иногда при- меняются бортовые фрикционы. Они предназначены для уменьше- ния или полного разрыва потока мощности на отстающую гусеницу во время поворота машины. Фрикционные устройства второго типа (тормоза) применяются для остановки звеньев трансмиссии. Они могут быть использованы в качестве элементов управления планетарными коробками передач и механизмами поворота, а также как остановочные тормоза для торможения движущейся машины и удержания ее на склонах. По условиям работы фрикционы могут быть сухого трения или работающими в масле. При работе фрикционных элементов в масле коэффициент трения, естественно, снижается. Вместе с тем смазка поверхностей трения способствует стабилизации коэффициента тре- ния, снижает износ, улучшает отвод тепла и удаление продуктов износа, а также позволяет увеличить удельное давление на рабочие поверхности фрикциона и тем самым компенсировать снижение коэффициента трения. По конструктивному признаку фрикционные узлы делятся на дис- ковые, колодочные, ленточные. Дисковые фрикционные узлы клас- сифицируются по следующим признакам: а) по числу дисков – одно-, двух- и многодисковые; б) по способу сжатия пакета – пружинные, полуцентробежные, с гидравлическим приводом; в) по конструкции нажимного механизма – постоянно и непосто- янно замкнутые; г) по характеру тормозного эффекта (для тормозов) – простые без серводействия, с серводействием (с самоусилением). Ленточные тормоза классифицируются по типу крепления кон- цов тормозной ленты; простые с одним закрепленным концом (с сер- водействием в одну сторону); простые с двумя подвижными конца- ми (без серводействия); плавающие (с серводействием в обе сторо- ны); двойные; двухленточные. В планетарных коробках передач (КП), а также в некоторых КП с неподвижными осями фрикционные узлы (муфты и тормоза) устанавливаются для блокировки и остановки звеньев с целью по- лучения требуемой передачи. В трансмиссиях с такими КП главный 318 фрикцион, как правило, не нужен, т. к. его функции выполняют фрикционные узлы КП. Несмотря на существенные отличия в конструкции и способах использования фрикционные узлы имеют много общего, поскольку работа любого из них основана на использовании сил трения. Все фрикционные узлы должны удовлетворять ряду общих требований, для изготовления поверхностей трения могут применяться одни и те же материалы, более или менее общими являются и методы расчета фрикционных узлов. В то же время каждый тип фрикционных узлов имеет определенную специфику работы, которая должна учиты- ваться при конструировании и расчете. Например, расчетный мо- мент остановочного тормоза отличается от момента тормоза, пред- назначенного для управления планетарной КП; имеются некоторые различия в расчете блокировочных муфт и тормозов, работающих в масле, и т. д. Опыт эксплуатации фрикционных узлов позволяет сформулиро- вать ряд требований, которым они должны удовлетворять для обес- печения работоспособности и долговечности как самих фрикцион- ных узлов, так и машины в целом: 1. Блокировочные муфты и тормоза должны надежно обеспечи- вать передачу расчетного момента. В противном случае начинается пробуксовка элементов трения, что приводит к их перегреву и вы- ходу из строя. При движении гусеничной машины по пересеченной местности элементы трансмиссии подвержены воздействию дина- мических нагрузок, превышающих расчетные. Для того чтобы в этих случаях фрикцион не пробуксовывал слишком часто, передаваемый им момент должен быть выше расчетного на некоторую величину, называемую коэффициентом запаса фрикциона. Помимо правиль- ного выбора коэффициента запаса для обеспечения надежности пе- редачи фрикционного крутящего момента необходимо: а) примене- ние фрикционных материалов со стабильным коэффициентом тре- ния; б) правильный выбор режима работы фрикционных элементов, который определяется удельным давлением, скоростью скольжения трущихся пар, временем, работой и мощностью буксования; в) предохранение поверхностей трения от замасливания (в узлах сухого трения); г) точная центровка ведущих и ведомых деталей. 2. Фрикционные узлы должны обладать чистотой выключения. Это требование обеспечивается: а) достаточным, обеспечивающим 319 необходимые зазоры между трущимися поверхностями в выклю- ченном состоянии ходом нажимного диска или концов ленты, б) установкой специальных устройств для разводки дисков или для отвода ленты от барабана при выключении фрикциона; в) соблюде- нием допускаемых напряжений смятия в шлицевых соединениях фрикционных дисков с ведущими и ведомыми деталями во избежа- ние появления на шлицах вмятин, препятствующих свободному осевому перемещению дисков. 3. Конструкция фрикционных узлов должна обеспечивать плав- ность их включения, т. е. постепенное увеличение передаваемого момента. Этим достигается плавность трогания с места, разгона и торможения машины, а также плавность входа в поворот. Для вы- полнения этого требования необходимо: а) применение конструкций, исключающих самозахватывание (такое явление может происходить в дисковых и ленточных фрик- ционных устройствах с серводействием); б) правильное конструирование приводов, обеспечивающих точ- ное управление фрикционным узлом; в) применение фрикционов, работающих в масле. 4. Должен быть организован хороший теплоотвод от элементов трения, т. к. их работа сопровождается выделением большого коли- чества тепла. Перегрев трущихся деталей приводит к износу, ко- роблению, усадке и поломкам. Для выполнения этого требования необходимо: а) применение материалов с хорошей теплопроводностью и теп- лоемкостью; б) организация обдува нагреваемых деталей воздухом при работе всухую или циркуляции масла при работе фрикционов в масле; в) исключение при помощи конструктивных мероприятий кон- центрации тепла в отдельных зонах, организация путей для тепло- вых потоков; г) увеличение массы металлических деталей, работающих в паре с фрикционными материалами, имеющими плохую теплопроводность. 5. Силы нормального давления между трущимися поверхностя- ми должны уравновешиваться внутри фрикционного узла и не долж- ны передаваться на подшипники валов. Если это требование полно- стью выполнить нельзя, надо стремиться к тому, чтобы неуравно- вешенная сила была минимальной. 320 6. Ведомые детали главного фрикциона должны обладать ми- нимальным моментом инерции. Выполнение этого требования поз- воляет снизить нагрузки на синхронизаторы и муфты коробки передач. 7. Усилие на рычаге (педали) управления не должно выходить за допустимые пределы. Для этого необходимо: а) установка мини- мально допустимых зазоров между трущимися поверхностями; б) применение сервирующих устройств, а также использование сер- водействия самих фрикционных узлов. 15.2. Фрикционные материалы С точки зрения срока службы фрикционного узла и простоты его эксплуатации важнейшим требованием является высокая износо- стойкость фрикционного материала. Величина допустимого износа определяется межрегулировочным периодом или желательным сро- ком службы узла. Высокая износостойкость фрикционного матери- ала позволяет допустить повышенные удельные давления, а следо- вательно, уменьшить габариты тормоза или муфты. Второе важное требование – высокий коэффициент трения, вели- чина которого не должна существенно зависеть от скорости сколь- жения, температуры, удельного давления и степени изношенности поверхностей трения. Чем выше коэффициент трения, тем меньше габариты фрикционного узла при прочих равных условиях. Если габариты муфты или тормоза не имеют решающего значения, то высокий коэффициент трения позволяет снизить удельные давления и тем самым увеличить срок службы узла. Стабильность величины коэффициента трения позволяет уменьшить запас фрикциона, а сле- довательно, габариты самого узла и всей трансмиссии. Во многих случаях конструкторы предпочитают применять фрикционные ма- териалы, обеспечивающие стабильный коэффициент трения, даже если значения последнего сравнительно невелики. Все применяемые во фрикционных муфтах и тормозах материа- лы можно разбить на три группы: 1) металлические; 2) неметаллические; 3) металлокерамические. Из металлических материалов во фрикционных узлах гусенич- ных машин широко применяются различные стали и чугуны. Ме- 321 таллические материалы могут работать как в одноименной паре трения (сталь по стали), так и с другими металлическими и неме- таллическими материалами (сталь–чугун; сталь–пластмасса; сталь– металлокерамика и т. д.). Пара трения сталь–сталь отличается простотой изготовления, сравнительно высокой износостойкостью и хорошей теплопровод- ностью. Для изготовления фрикционных дисков применяются стали 40, 45, 65Г, ЗОХГСА, У-7, У-8 и др. Иногда для повышения износо- стойкости поверхностей стальные диски подвергаются химико- термической обработке, например сульфоцианированию. При рабо- те всухую пары сталь–сталь имеют коэффициент трения 0,25–0,5. Существенным недостатком пар трения сталь–сталь следует при- знать склонность к схватыванию, а также плохую прирабатывае- мость, в результате чего площадки контакта распределяются по по- верхности трения в виде отдельных зон, в которых наблюдается резкое повышение температуры и температурных напряжений, вы- зывающих коробление и усадку дисков. В связи с этим для обеспе- чения требуемой работоспособности пары сталь–сталь приходится задавать сравнительно низкие значения удельного давления на по- верхностях трения 0,15–0,25 МПа (1,5–2,5 кГ/см2) при трении всу- хую и 0,3–0,5 МПа (3–5 кГ/см2) при трении в масле. Пара трения чугун–сталь находит широкое применение при изго- товлении ленточных и колодочных тормозов гусеничных машин. Та- кая пара также может быть использована в дисковых фрикционных узлах. Чугун может также работать в паре с различными неметалли- ческими материалами. Чугунные фрикционные элементы обладают высокой теплопроводностью, не схватываются с разноименными материалами, хорошо прирабатываются. Это позволяет допустить удельные давления на поверхности трения до 0,3 МПа (3 кГ/смг) при работе всухую и до 1,2 МПа (12 кГ/см2) при работе в масле. Из- носостойкость чугуна зависит от его химического состава и микро- структуры. Исследования показывают, что присутствие в чугуне фосфора и марганца способствует снижению износа. В качестве фрикционных материалов получили широкое распространение чу- гуны следующих марок: СЧ 15 – 32, ФМ, ЧНМХ и др. Коэффициент трения покоя пары чугун–сталь несколько выше, чем пары сталь- сталь, однако во время буксования величина его изменяется в зна- чительных пределах в зависимости от скорости скольжения. 322 Из неметаллических фрикционных материалов наибольшее рас- пространение получили различные материалы на основе асбеста. Асбестовые материалы обладают сравнительно высокой теплостой- костью (до 400–450 °С) и имеют в паре со сталью или чугуном при работе всухую коэффициент трения порядка 0,3–0,5, а при работе в масле 0,06–0,08. Износостойкость таких материалов соизмерима с износостойкостью чугуна. С целью увеличения теплопроводности фрикционных накладок из асбеста последние армируют латунной, медной или алюминиевой проволокой. В качестве связующих ве- ществ при изготовлении асбестовых фрикционных материалов при- меняют различные смолы (пластмассы), а также синтетический ка- учук (асбокаучук). Иногда в состав таких материалов вводят раз- личные наполнители, улучшающие их свойства. Так, окись цинка улучшает износостойкость; железный сурик повышает коэффици- ент трения; графит придает термостойкость; барит стабилизирует коэффициент трения. По способу изготовления различают плетеные (феродо), тканые, формовочные, вальцованные и прессованные накладки. Для пле- теных и тканых накладок требуется длинноволокнистый асбест вы- соких сортов, являющийся дефицитным материалом. Однако изно- состойкость таких накладок в 1,5–2,0 раза выше износостойкости материалов, изготовляемых иными способами из коротковолокни- стого асбеста. Металлокерамические материалы, нашедшие в последнее время широкое применение для фрикционов трансмиссий гусеничных ма- шин, не вызывают задиров на поверхности сопряженного диска, не схватываются с ним, обладают хорошей теплопроводностью и высокими фрикционными свойствами. Основными компонентами металлокерамики являются медь, железо, олово, свинец, цинк и графит. В зависимости от того, какой из элементов преобладает в композиции, различают металлокерамики на медной и железной основе. Изготовляются металлокерамические изделия прессова- нием порошков названных материалов при давлении 100–600 МПа (1000–6000 кГ/см2) с последующим спеканием при температуре 700–800 °С. Во время спекания металлокерамическая накладка прочно соединяется со стальной основой. Хорошая прирабатываемость металлокерамики способствует то- му, что в процессе трения поверхности дисков касаются друг друга 323 почти по всей номинальной площади, в результате чего тепловые потоки равномерно распределяются по поверхностям и в дисках не возникает значительных температурных напряжений. Это обстоя- тельство положительно сказывается на работоспособности фрикци- онного узла и позволяет допустить высокие значения удельного давления на поверхности трения: до 0,6 МПа (6 кГ/см2) при трении всухую и до 4 МПа (40 кГ/см2) при трении в масле. Таким образом, металлокерамика позволяет создать наиболее компактные фрикци- онные узлы, что часто является решающим фактором при выборе фрикционного материала. В табл. 15.1 представлены ориентировочные значения максималь- ного μmax и минимального μmin коэффициента трения, а также пре- дельные допускаемые удельные давления q для различных фрик- ционных материалов. Таблица 15.1 Материал пары трения Сухое трение Трение в масле μmax μmin q, МПа μmax μmin q, МПа Сталь–сталь 0,5 0,28 0,20– 0,25 0,07 0,03 До 1,0 Сталь–чугун 0,5 0,2–0,3 0,25– 0,30 0,07 0,03 До 1,2 Сталь–феродо 0,4 0,2 До 0,20 – – – Сталь–асбокаучук 0,5 0,3 До 0,40 0,15 0,07 До 2,5 Сталь–металлокерамика МК-2 на железной основе 0,45 0,3 До 0,60 – – – Сталь–металлокерамика МК-5 на медной основе – – – 0,12 0,05 До 4,0 Сульфоцианированная сталь–сульфоцианиро- ванная сталь – – – 0,11 0,05 До 2,0 15.3. Расчет основных типов фрикционных узлов Расчетный момент. Исходным условием для расчета блокиро- вочных муфт и опорных тормозов коробок передач является величи- на номинального момента Мн, который должен передавать фрикцион. Расчетный момент определяется на основании анализа кинематиче- ской схемы трансмиссии при условии, что двигатель развивает мак- 324 симальный момент. Для надежной работы фрикцион должен быть рассчитан на момент, превышающий расчетный: Мф = βMн, (15.1) где β – коэффициент запаса фрикциона; ориентировочно при трении всухую β = 1,4–2,7, при трении в масле β = 1,3–1,7. Меньшие значения рекомендуется принимать для легких машин, большие – для тяжелых. Более точно коэффициент запаса может быть задан следующим образом. В начале буксования, когда отно- сительная скорость поверхностей трения максимальна, коэффици- ент трения, а следовательно, и коэффициент запаса β минимальны. С уменьшением скорости буксования μ и β возрастают и достигают максимальных значений во включенном фрикционе. Очевидно, что включение фрикциона может произойти лишь в том случае, когда минимальное значение коэффициента запаса больше единицы. При этом во включенном фрикционе запас по мо- менту будет автоматически обеспечен. При расчете фрикционов механизма поворота поступают ана- логичным образом с той лишь разницей, что номинальный момент определяется исходя из наибольшей силы тяги забегающей гусе- ницы по сцеплению с грунтом. Для определения расчетного момента остановочного тормоза рассмотрим два характерных режима его работы: удержание ма- шины на спуске и торможение на горизонтальном участке. В первом случае при максимальном угле подъема αтах тормозная сила должна отвечать условию ò maxsin .P G  Если тормоз установлен между механизмом поворота и бортре- дуктором, как это обычно и делается, то тормозной момент, необ- ходимый для удержания машины: âê max ò áð ã áð sin 2 Gr M i     . 325 где G – вес гусеничной машины, Н; rвк – радиус ведущей звездочки, м; iбр – передаточное число бортредуктора; ηбр – КПД бортредуктора; ηг – КПД гусеничного движителя. Максимальный угол αтах может быть определен из условия сцеп- ления гусениц с грунтом. Для торможения машины на горизонтальном участке при пол- ном использовании сил сцепления гусениц с грунтом тормозной момент должен быть âê ò áð ã áð . 2 Gr M i     Расчет дисковых фрикционов. Рассмотрим расчетную схему фрикционного узла (рис. 15.1). Диски трения сжимаются силой Р, которая создается пружинами во фрикционах с механическим при- водом включения или поршнем бустера во фрикционах с гидропри- водом. Момент с ведущих деталей на ведомые передается за счет сил трения между сжатыми дисками. Удельное давление на диски будем считать равномерно распределенным по всей поверхности трения, т. е.  2 2í â P q R R    , где Rн и Rв – соответственно наружный и внутренний радиусы по- верхности трения. Элементарный момент трения определяется выражением 2 òðd 2M z qr dr   , где z – число пар трения; μ – коэффициент трения; r – текущий радиус. Интегрируя это выражение, получаем 326  2 2ô í â 2 3 M z q R R    . Часто для определения момента фрикциона пользуются упро- щенной формулой 2 ô ñð2M z qbR   , (15.2) где b – ширина рабочей поверхности дисков; Rср – средний радиус поверхностей трения, определяемый как полусумма наружного и внутреннего радиусов. Приравнивая правые части выражений (15.2) и (15.1), получаем: 2 ñð í 2 z qbR M     . Рис. 15.1. Расчетная схема фрикционного узла Расчет ленточных тормозов. Рассмотрим равновесие элементар- ного участка тормозной ленты (рис. 15.2). На концах участка дей- ствуют силы натяжения S и S + dS. Приращение натяжения обеспе- чивается силой трения d d d ,S T N  где dN – нормальная сила давления ленты на тормозной барабан; 327  – коэффициент трения. Проектируя все действующие силы на направление dN и прене- брегая бесконечно малыми величинами высших порядков, имеем d dN S   , или d d S S     . Интегрируя полученное уравнение в пределах 0 õ  , и 0 õS S S  , где х, и Sх – текущие значения угла и натяжения, получаем 0 ln õ õ S S    , откуда 0 õ õS S e  . (15.3) Рис. 15.2. Схема ленточного тормоза Рис. 15.3. К расчету ленточного тормоза Определим создаваемый тормозом момент при условии, что один конец тормозной ленты жестко закреплен, а ко второму при- ложена сила S0 (рис. 15.3). Силу, действующую на закрепленном конце ленты, находим по формуле (15.3): 328 1 0S S e  . Из условия равновесия ленты, на которую действует тормозной момент Мт и натяжение концов S0 и S1, имеем    ò 1 0 0 1M S S R S R e    . (15.4) При вращении барабана в сторону, противоположную указанной на рисунке: 0 1 S S e  ,  ò 0 1 0 1e M S S R S R e             . (15.5) Сравнивая правые части формул (15.4) и (15.5), находим, что во втором случае тормозной момент в е раз меньше, чем в первом. Та- ким образом, ленточный тормоз с одним закрепленным концом ленты может эффективно работать при вращении барабана лишь в одном направлении. В этом случае реализуется эффект самозатягивания. При затяжке ленточного тормоза равнодействующая сил S0 и S1 действует на барабан, вызывая изгибные напряжения в валу и нагружая его опоры. Геометрическое сложение сил S0 и S1 дает  2 2ð 0 1 0 12 cos 2P S S S S    . Из этой формулы следует, что радиальная нагрузка Рр мини- мальна при 2   . Поэтому при конструировании тормоза нужно стремиться к тому, чтобы угол охвата барабана лентой был макси- мальным. Для того чтобы тормозная лента не терлась о барабан в выключенном положении, между лентой и барабаном должен быть зазор  = 2–2,5 мм. Для обеспечения зазора устанавливаются пру- жины, оттягивающие в нескольких местах ленту. При затяжке тор- 329 моза этот зазор выбирается. Таким образом, перемещение свобод- ного конца ленты h   . Так, при α = 5 рад и δ = 2,5 мм h = 12,5 мм. С учетом износа ход свободного конца ленты должен составлять 15–18 мм. При проектировании ленточного тормоза радиус тормозного ба- рабана и угол охвата определяются обычно конструктивными сооб- ражениями. Ширина ленты В находится из условия обеспечения требуемого удельного давления qmах. Для его определения поделим обе части выражения d dN S   на длину элементарного участка ленты dl и ширину ленты В: d d d d N S B l B L     . Учитывая, что d dl R  , получим μα0 õ SS q e BR BR   . Отсюда видно, что удельное давление возрастает от одного конца ленты к другому против направления вращения барабана (рис. 15.3). Максимальное значение его μα0 1 max S S q e BR BR   . Таким образом, требуемая ширина ленты 1 max S B R q   . Как было отмечено, тормоз с одним закрепленным концом мо- жет эффективно работать лишь при одном направлении вращения тормозного барабана. Этот недостаток устраняется применением плавающего закрепления концов ленты. В зависимости от направ- 330 ления вращения тормозного барабана пальцы, имеющиеся на обоих концах ленты, упираются в кронштейн, и соответствующий конец тормозной ленты становится неподвижным. Таким образом, эффект самозатягивания реализуется в таком тормозе при любом направле- нии вращения барабана. Помимо упомянутых двух схем закрепления концов тормозной ленты применяются и другие, например с обоими подвижными кон- цами. Во всех этих случаях расчет ленточного тормозного механиз- ма может производиться по изложенной методике. 16. Конструирование коробок передач с неподвижными осями 16.1. Общие сведения Применяемые на транспортных машинах двигатели внутреннего сгорания имеют коэффициент приспособляемости 1,15–1,35 для порш- невых и 2,0–2,3 для газотурбинных двигателей. В то же время коэф- фициент сопротивления движению гусеничной машины может изме- няться в 10–12 раз. Диапазон изменения оборотов двигателя также во много раз меньше требуемого диапазона изменения скоростей дви- жения машины. Все это приводит к тому, что за двигателем необхо- димо устанавливать дополнительный агрегат, который приводил бы в соответствие имеющиеся диапазоны работы двигателей с требуемы- ми. Таким агрегатом является коробка передач. Ее назначение: 1) изменять тяговые усилия и скорости движения машины в тре- буемом диапазоне за счет введения различных передаточных чисел; 2) обеспечивать движение задним ходом; 3) отключать на длительное время работающий двигатель от си- ловой передачи за счет «нейтрального положения». Первое назначение вытекает из вышеизложенного, два осталь- ных обусловлены свойством поршневого двигателя. Газотурбинные двигатели в принципе могут быть и реверсивными (за счет регули- руемого соплового аппарата), и работать при неподвижном вале тяговой турбины. В этом случае задний ход и нейтральное положе- ние в КП могут не потребоваться. Основные требования. К коробкам передач предъявляются сле- дующие требования:  обеспечение требуемого диапазона передач; 331  рациональная разбивка передаточных чисел по передачам;  высокий КПД;  быстрота и легкость переключения передач;  надежность работы в течение срока службы;  простота изготовления, обслуживания и ремонта;  малые габариты и вес. Под диапазоном передач d понимается отношение максимально- го передаточного отношения (на первой передаче) к минимальному (на высшей передаче). Требуемый диапазон, т. е. диапазон изменения сопротивления движению, в случае механической трансмиссии перекрывается за счет диапазона передач и коэффициента приспособляемости дви- гателя, тогда при поршневом двигателе 10–12 = (1,15–1,35)d. Отсюда легко определить, что диапазон передач должен лежать в пределах d = 7,5–10,5. В выполненных конструкциях быстроходных гусенич- ных машин d ≈ 7–11. В существующих случаях малый диапазон передач, создаваемый коробкой, увеличивается до требуемых вели- чин за счет использования механизмов поворота. Обычно при ис- пользовании двигателей с высокой удельной мощностью диапазон передач снижается. Разбивка передаточных чисел по передачам имеет два аспекта – число передач и разбивку передаточных чисел. В настоящее время наиболее часто используются коробки с пятью-восемью передача- ми, хотя известны образцы, в которых число передач доходит до 10. Большое число передач приводит к лучшему использованию мощ- ности двигателя и поэтому применяется в машинах с низкой удель- ной мощностью. Но большое число передач, особенно более вось- ми, приводит к усложнению КП и ее механизмов управления, а также ухудшает условия вождения. Поэтому оптимальное число передач для поршневого двигателя составляет пять–восемь, для газотурбинного – три–четыре. Верхний предел необходимо исполь- зовать на машинах с малой удельной мощностью и большим диапа- зоном передач. Разбивка передаточных чисел производится на основании тяго- вого расчета. Наиболее полно мощность двигателя используется при разбивке по геометрической прогрессии. Но в этом случае мо- жет оказаться, что число передач будет чрезмерно большим. На 332 практике первую передачу «отрывают» и используют ее только для движения в наиболее тяжелых условиях. В этом случае отношение передаточных чисел на первой и второй передачах примерно равно двум. Остальные передачи разбивают примерно по геометрической прогрессии с некоторым сближением высших передач. Высокий КПД обеспечивается рациональным выбором кинема- тической схемы коробки, в которой отсутствует циркуляция мощ- ности, минимальным числом пар шестерен, находящихся в рабочем зацеплении (на переднем ходу две-три), высококачественным изго- товлением и правильной организацией системы смазки. Быстрота и легкость переключения передач достигается правиль- ным выбором механизма переключения и приводом управления. В простых ступенчатых КП в качестве механизмов переключения большое распространение получили синхронизаторы. По сравне- нию с обычными муфтами они убыстряют и облегчают переключе- ние, особенно при использовании гидравлического сервопривода. Параметры переключения можно повысить по сравнению с син- хронизаторами путем осуществления переключения с помощью фрикционных элементов. Такое переключение применяется в пла- нетарных передачах, но в настоящее время оно распространяется и на простые ступенчатые коробки. В этом случае переключение производится индивидуальными фрикционами. Наиболее совершенным является автоматическое переключение. Надежность работы в течение срока службы достигается:  правильным выбором запасов прочности, учитывающих пере- дачу мощности двигателя, циркуляции и рекуперации;  предохранением коробки от крутильных колебаний (постанов- кой демпферов, гибких валиков и др.) и ударных нагрузок при пе- реключении передач (установкой синхронизаторов, индивидуаль- ных фрикционов, а также устройств в гидроприводе, обеспечиваю- щих плавность включения);  предохранением от самовыключения передач и одновременно- го включения двух передач (применением фиксаторов, замков, спе- циальных блокировочных клапанов);  использованием дифференцированного рабочего давления в гидроприводе;  правильной организацией системы смазки и качественными уплотнениями; 333  обеспечением достаточной жесткости валов, опор и картера;  соответствующим подбором конструкционных материалов и соблюдением технологии изготовления и сборки. Простота изготовления, обслуживания и ремонта обеспечивается:  конструктивными и технологическими мероприятиями (упро- щением конфигурации деталей, улучшением их технологичности, унификацией деталей и узлов, уменьшением их числа, рациональ- ным изготовлением и сборкой);  применением центральной смазки;  использованием устройств для автоматического регулирова- ния зазоров и ходов;  легким доступом к местам обслуживания и т. д. Малые габариты и вес обеспечиваются выбором оптимальных схем, конструктивными мероприятиями (нахождением равнопроч- ных сечений деталей, применением различных модулей для шесте- рен и т. д.), подбором оптимальных конструкционных материалов, технологическими мероприятиями. Классификация механических коробок передач. Механиче- ские коробки передач по характеру изменения передаточного числа делятся на бесступенчатые и ступенчатые. Бесступенчатые КП поз- воляют изменять передаточное число в соответствующем диапазоне непрерывно; к ним относятся фрикционные и импульсные переда- чи. Ступенчатые коробки изменяют передаточное число дискретно, по передачам. В зависимости от подвижности осей КП делятся на простые и планетарные. В простых КП оси всех шестерен неподвижны. В пла- нетарных оси некоторых шестерен (сателлитов) вращаются вокруг осей центральных шестерен, т. е. эти шестерни участвуют не только в относительном, но и в переносном вращении. По количеству валов КП подразделяются на двух-, трех-, четы- рехвальные и с разрезными валами; по расположению валов – с по- перечным или продольным их расположением. 16.2. Конструктивные особенности коробок передач После выбора кинематической схемы производится расчет и вы- бор конструктивных параметров коробки передач: межцентрового расстояния, показателей шестерен, валов, опор и механизмов пере- 334 ключения. Все эти параметры определяются по соответствующим формулам или на основании опытных данных. Межцентровые расстояния должны определяться исходя из кон- тактной прочности зубьев; в существующих конструкциях КП средние величины межцентровых расстояний лежат в пределах 100–200 мм. Шестерни. В коробках передач применяются цилиндрические и конические шестерни. Первые изготавливаются с прямыми или косыми зубьями, вторые – с прямыми или спиральными. Косые и спиральные зубья по сравнению с прямыми обладают большей ра- ботоспособностью, плавностью и меньшим шумом, поэтому их ра- ционально применять при передаче больших мощностей. Однако шестерни с косыми и спиральными зубьями сложны в производстве и создают добавочные усилия, для компенсации которых необхо- димо принимать специальные меры. Шестерни с малым числом зубьев часто нарезаются непосред- ственно на валу. При большом числе зубьев, когда диаметр впадин значительно отличается от диаметра вала, шестерни изготавливают отдельно. В целях сохранения лучшей работоспособности, а также при- емлемых габаритов коробки передаточное число одной пары шесте- рен не должно быть более трех. Модуль шестерен определяется исходя из напряжений на изгиб. В большинстве существующих КП применяются шестерни с по- стоянным модулем. Так как он рассчитывается по наиболее нагру- женным шестерням (на первой передаче), то его величина довольно большая и в зависимости от передаваемого момента и конструктив- ных особенностей лежит в пределах 6,5–9 мм. В некоторых короб- ках применяются разномодульные шестерни. Тогда в зависимости от передач модуль изменяется от 3,0 до 6,75 мм (эти цифры приве- дены для коробки, в которой установлены шестерни с косыми зубьями и постоянным зацеплением). Разномодульные шестерни позволяют сделать КП более компактной и легкой. Зубья бывают нормальными и укороченными. Шестерни с уко- роченными зубьями являются более компактными и обладают боль- шей прочностью, минимальное число зубьев у них меньше. Напри- мер, для шестерни с углом зацепления 20°, нарезанной рейкой, ми- нимальное число укороченных зубьев равно 14, а нормальных – 17. 335 Но укороченный зуб имеет и существенный недостаток – меньшую продолжительность зацепления, что приводит к большему износу. В связи с этим укороченный зуб применяется в том случае, когда определяющим фактором является прочность зуба, а не его износ. Зубья, как правило, бывают корригированными. Валы. Двухвальные КП обычно имеют валы, расположенные в одной плоскости, у трехвальных один вал смещается и лежит в дру- гой плоскости. Этим уменьшается длина коробки. Для крепления шестерен и муфт валы имеют шлицы, и только в единичных случаях вместо шлицев применяются шпонки. В боль- шинстве коробок валы выполняются постоянного диаметра с на- резанными почти по всей длине шлицами, но в некоторых случаях вал делается ступенчатым, примерно равнопрочным. В последнем случае вес и габариты коробки снижаются. В выполненных кон- струкциях валы устанавливаются или на двух, или на трех опорах. Все валы и расположенные на них детали должны быть надежно зафиксированы в радиальном и осевом направлениях. Так как валы передают большие крутящие моменты и в то же время должны иметь достаточную прочность и жесткость при ма- лых габаритах и весе, то они изготавливаются из высококачествен- ных легированных сталей. Опоры. В качестве опор в коробках передач применяются под- шипники качения всех типов. Тип подшипника выбирается в зави- симости от действующих сил, числа оборотов, а также других об- стоятельств (характера нагрузки, жесткости валов, подвода смазки и т. д.). В большинстве случаев на опоры валов воздействуют ком- бинированные нагрузки – радиальные и осевые, поэтому часто устанавливают не один, а несколько, притом разнотипных подшип- ников, воспринимающих соответствующую нагрузку. Особенно сложными и ответственными узлами являются опоры конических шес-терен, которые кроме восприятия больших осевых и радиаль- ных нагрузок еще должны обеспечивать регулирование зазора в зубчатом зацеплении. В многоопорных конструкциях (от двух и выше) лишь одна из опор является жесткой в осевом направлении, остальные выпол- няются плавающими. В качестве плавающих опор выбираются ме- 336 нее нагруженные, что способствует лучшему осевому перемеще- нию. В трехопорных валах жесткой обычно является средняя опора. Механизмы переключения. В простых КП переключение про- изводится каретками, муфтами, синхронизаторами и индивидуаль- ными фрикционами. Чтобы переключение было легким и надеж- ным, в механизмах переключения предусматриваются специальные устройства (различные замки, фиксаторы и стопоры), позволяющие легко передвигать муфты, производить безударное включение, надежно удерживать передачу во включенном, выключенном и нейтральном положениях. Каретки. Переключение передачи с помощью кареток приме- няется очень редко из-за больших ударных нагрузок и повышенных усилий со стороны водителя. Иногда с помощью кареток включа- ются передачи заднего хода и вспомогательные агрегаты (лебедки, валы отбора мощности и т. д.). Так как последние включаются в ос- новном при стоянке машины, такое включение допустимо. Муфты. Муфты применяются в коробках, в которых шестерни находятся в постоянном зацеплении. Муфты бывают зубчатыми или кулачковыми. В существующих коробках используются первые. По сравнению с предыдущим случаем переключение с помощью муфт является более легким, быстрым и сопровождается меньшими удар- ными нагрузками. Объясняется это малым диаметром, а следова- тельно, и весом муфт, а также специальным профилированием бо- ковых кромок зубьев. Так как полностью избавиться от ударных нагрузок нельзя, муфты должны изготавливаться из сталей, хорошо переносящих удары. Индивидуальные фрикционы. При включении передачи в этом случае соединение вала с соответствующей шестерней происходит за счет фрикциона, включаемого на каждой передаче вместо муфты. Такое переключение является наиболее совершенным, так как по- зволяет сократить до минимума разрыв в передаче мощности на ведущие колеса. Кроме того, за счет гидропривода имеется возмож- ность полностью снять ударные нагрузки и обеспечить водителю легкое и удобное управление коробкой передач. Применение инди- видуальных фрикционов делает излишним установку главного фрик- циона. Однако индивидуальные фрикционы увеличивают габариты и вес КП, делают ее более сложной и дорогой. 337 Картер. Картер воспринимает нагрузки от опор, является осто- вом для монтажа всех деталей и одновременно обеспечивает короб- ке условия закрытой передачи. Картер делают из чугунных или алюминиевых сплавов. В КП большое распространение получили картеры из алюминиевых сплавов. Они более легкие, проще в изго- товлении, имеют лучшую теплопроводность, но чугунные более жесткие, имеют меньшие линейные расширения при нагреве. Чтобы обеспечить достаточную жесткость и распределить нагрузку по всей поверхности, картер делают с внутренними пере- го-родками и ребрами, стягивают шпильками и иногда поперечны- ми струнами. Для лучшего охлаждения картеры с мокрым поддо- ном оребряются, обдуваются потоком воздуха, внутренние полости делаются сообщающимися. Сухие картеры охлаждаются с помо- щью радиатора. Последние начинают применяться для КП, имею- щих ограниченные объемы и передающих большие мощности. Разъем картера чаще всего делается по оси валов. Крепится картер или только к корпусу машины, или к двигателю и корпусу. Конструкции КП в целом. Рассмотрим некоторые конструкции коробок передач, содержащие характерные для гусеничных машин элементы. На рис. 16.1 показана двухвальная коробка передач с попереч- ным расположением валов. Число передач вперед – пять, назад – одна, диапазон передач 6,67. Шестерни находятся в постоянном зацеплении, они прямозубые и имеют одинаковый модуль, равный 9 мм. Переключение передач осуществляется: на заднем ходу и пер- вой передаче – с помощью зубчатых муфт; на второй – простого синхронизатора, на третьей, четвертой, пятой – инерционного син- хронизатора. Ведущий вал 1 – двухопорный, промежуточный 2 и ведомый 3 – трехопорные, при этом средние опоры являются жест- кими, крайние – плавающими. Масло для смазки заливается в кар- тер, который сделан из алюминиевого сплава и имеет разъем по оси валов в горизонтальной плоскости. На рис. 16.2 представлена трехвальная коробка передач с про- дольным расположением валов. Число передач вперед – семь, назад – одна, диапазон передач 13,4. Шестерни находятся в постоянном за- цеплении и имеют косые зубья, шестерни разномодульные, и в за- висимости от передач модуль изменяется от 3,0 до 6,75 мм. У кони- ческой шестерни модуль равен 8 мм. Переключение осуществляется 338 таким образом: задняя и первая передача с помощью шестерен- кареток, вторая – муфты, с третьей по седьмую – синхронизаторов. Ведущий 1 и промежуточный 2 валы располагаются на двух опорах; правые опоры – жесткие, левые – плавающие. Ведомый вал 3 – тре- хопорный, от осевых смещений он фиксируется левой и средней опорами. У конической шестерни радиальную нагрузку восприни- мает в основном роликовый цилиндрический подшипник, а осевую – шариковый радиально-упорный. В коробке применяются роликовые цилиндрические подшипники без наружной обоймы. Две шестерни на ведомом валу устанавливаются на шпонках. Масло заливается в чугунный картер, имеющий две плоскости разъема. Рис. 16.1. Конструкция двухвальной коробки передач 3 3 6 Рис. 16.2. Конструкция трехвальной коробки передач 3 3 7 Рис. 16.3. Конструкция коробки передач с индивидуальными фрикционами 3 3 8 339 На рис. 16.3 приведена коробка передач колесного трактора общего назначения. Она обеспечивает высокое качество переключения и име- ет много конструктивных элементов, характерных для КП многоцеле- вых гусеничных машин. У коробки четыре вала, расположенных про- дольно. На ведущем валу 1 установлены шестерни, обеспечивающие включение четырех передач с помощью индивидуальных фрикционов. Последние приводятся в действие с помощью гидравлического управ- ления. На промежуточном валу 2 крепятся только шестерни. На грузо- вом 3 и раздаточном 4 валах размещены зубчатые муфты, посредством которых включаются четыре режима на переднем и два на заднем хо- ду, а всего коробка передач позволяет включать 16 передач при дви- жении вперед и восемь при движении назад. Диапазон передач 10,9. Высокое качество переключения обеспечивается за счет индивидуаль- ных фрикционов при включении передач в пределах одного режима, а также тем, что при переключении режимов используется тормоз- синхронизатор. Все шестерни прямозубые и находятся в постоянном зацеплении. Они имеют разные модули – 6 и 8 мм. Валы, кроме разда- точного, трехопорные. Раздаточный вал состоит из двух частей, каж- дая из которых опирается на две опоры. Все валы в осевом направле- нии фиксируются шариковыми подшипниками. Смазка осуществляет- ся под давлением, картер – с сухим поддоном. 16.3. Смазка и уплотнение коробок передач Смазка. В коробках передач смазка служит для уменьшения тре- ния, отвода тепла и удаления частиц износа. Она во многом опреде- ляет работоспособность коробок. Смазка подводится к контактирующим поверхностям, которые находятся в относительном движении между собой, т. е. к зубьям шестерен, подшипникам скольжения и качения и другим различным сочленениям. По месту нахождения масла система смазки бывает двух типов: с мокрым или сухим картером. При мокром картере масло залива- ется непосредственно в картер коробки, при сухом – в отдельную емкость. Во втором случае масло на смазку подается нагнетающим насосом. Стекающее в картер масло забирается откачивающим насосом и направляется в емкость. Последняя может быть располо- жена или внутри, или снаружи картера. 340 Смазка может осуществляться разбрызгиванием, под давлением и быть комбинированной. Смазка разбрызгиванием применяется только с мокрым карте- ром. В этом случае уровень должен иметь определенное значение, и отклоняться от него можно только в ограниченных пределах. Этот способ применяется в основном для простых ступенчатых коробок передач с неплотной компоновкой. При такой смазке требуются по- вышенные объемы картера для хранения масла и отвода тепла. Ка- чество смазки зависит в большой степени от уровня масла, а также от углов дифферента и крена корпуса машины. Трудно организо- вать предварительный подогрев масла. Смазка под давлением применяется в коробках с плотной ком- поновкой, когда к трущимся поверхностям нельзя подвести доста- точного количества масла. Особенно это характерно для планетар- ных передач, где зубчатые зацепления и подшипники расположены в несколько ярусов. По сравнению с предыдущим этот способ поз- воляет: рационально организовать смазку, т. е. подавать масло к трущимся поверхностям в соответствующем количестве; осуществ- лять очистку масла в процессе работы; обеспечивать интенсивное охлаждение масла за счет радиатора. Нагнетающий насос подает масло под давлением 0,15–0,25 МПа (1,5–2,5 кГ/см2). Температура масла в картере в зависимости от кон- струкции коробки не должна превышать 110–135 °С. Смазка под давлением применяется в основном с сухим карте- ром. В этом случае имеется возможность устранить почти все недо- статки, характерные для смазки разбрызгиванием. Но система смазки существенно усложняется, т. к. необходимо устанавливать добавоч- ную емкость (бак), нагнетающий и отсасывающий насосы, масло- проводы, уплотнения. Кроме того, часто приходится применять ра- диатор для отвода избыточного тепла. При комбинированной смазке подвод масла осуществляется и разбрызгиванием, и под давлением. Последнее делается только для наиболее нагруженных трущихся поверхностей и для тех, к кото- рым разбрызгиванием масло подвести не удается. При этом способе картер мокрый. Применяется в основном для простых ступенчатых коробок передач с плотной компоновкой. Основное преимущество комбинированной смазки – отсутствие дополнительной емкости для хранения масла. 341 Уплотнения. Уплотнения обеспечивают нормальную работу сис- темы смазки, а также предотвращают попадание пыли и грязи во внутренние объемы картера. Уплотнения, употребляемые в коробках передач, можно разделить на две группы. К первой относятся уплотнения, обеспечивающие герметизацию полостей с одинаковым давлением. Сюда относятся все уплотнения, устанавливаемые на вращающихся валах, выходящих из картера. Для выравнивания давления внутренняя полость картера сообщается с окружающей атмосферой с помощью специального сапуна. В этой группе используются контактные и бесконтактные уплотнения. Сре- ди контактных наибольшее распространение получили пружинные кольца и самоподвижные манжеты, среди бесконтактных – отбойная резьба, маслосбрасывающие бурты, различные лабиринтные уплот- нения и т. д. На практике для повышения надежности работы вращающиеся валы уплотняют не одним сальником, а используют комбинации различных уплотнений. Ко второй группе относятся уплотнения для герметизации полос- тей, имеющих разное давление. Сюда относятся уплотнения масло- проводов, подводящих масло под давлением от неподвижных дета- лей к вращающимся валам. В отличие от уплотнений первой группы уплотнения маслопро- водов работают в крайне тяжелых условиях, т. к. они подвержены высоким давлениям (до 1,4–1,8 МПа), работают при температурах до 135 °С и их окружные скорости иногда достигают 20–25 м/с. Кроме того, из-за малых габаритов здесь исключается возможность приме- нения комбинированных уплотнений. Все это приводит к тому, что в некоторых случаях работа этих уплотнений определяет работо- способность всей коробки передач. Поэтому к материалам и обра- ботке уплотнительного узла предъявляются очень жесткие требова- ния. Так, кольца изготавливаются из перлитного чугуна с шаровид- ным графитом. Для лучшей приработки кольцо оксидируется или покрывается оловом. Обойма обычно изготавливается из легирован- ных сталей, ее поверхность трения покрывается пористым хромом или цементируется. Поверхности обрабатываются с высоким клас- сом чистоты и малыми допусками. 342 16.4. Синхронизаторы Синхронизаторы получили широкое распространение и в настоя- щее время устанавливаются в большинстве простых ступенчатых ко- робок передач с постоянным зацеплением шестерен. С помощью синхронизаторов производится выравнивание угло- вых скоростей блокируемых деталей (шестерни и вала) перед вклю- чением передачи. Это осуществляется в основном за счет изменения скорости вращения деталей, связанных с ведомыми дисками глав- ного фрикциона. Кинетическая энергия инерционных масс, подвер- гающихся выравниванию, превращается в тепло в буксующих парах фрикционного элемента синхронизатора. Благодаря предварительному выравниванию угловых скоростей переключение передач с помощью синхронизаторов становится плав- ным и сравнительно быстрым. Кроме того, для его освоения требу- ется меньшие навыки, т. к. водитель освобождается от таких слож- ных манипуляций, как «двойной выжим главного фрикциона» и «про- межуточный газ». Синхронизаторы просты в изготовлении, занима- ют малые объемы, хорошо компонуются на валах между шестерня- ми и повышают надежность коробок передач в целом. Классификация синхронизаторов. Синхронизаторы классифи- цируются:  по принципу действия – на простые и инерционные;  по конструктивному исполнению – на конусные и дисковые;  по принципу обслуживания передач – на индивидуальные и центральные. Простые синхронизаторы. Они наименее сложны по конструкции и допускают включение передачи еще до того, как произошла полная синхронизация угловых скоростей. Простые синхронизаторы устанав- ливаются, как правило, на низших передачах – чаще всего на второй. На первой передаче и заднем ходу синхронизаторы не ставятся, т. к. на этих режимах машина работает очень редко, да и включаются они в основном при останове машины. Применение простого синхронизато- ра на низших передачах вызвано еще и тем, что именно на этих пере- дачах реализуются большие передаточные числа. При этом приведен- ные к фрикционным конусам синхронизатора инерционный момент, а также крутящий момент от главного фрикциона в случае его неполно- го выключения достигают относительно больших величин. Эти мо- менты препятствуют выравниванию угловых скоростей включаемых 343 деталей и тем самым значительно удлиняют процесс переключения передач. В этих условиях простой синхронизатор позволяет включить передачу с неполным выравниванием. Переключение становится не- продолжительным, но сопровождается появлением ударных нагрузок. Инерционные синхронизаторы. В отличие от простого инерци- онный синхронизатор имеет специальное блокирующее устройство, не позволяющее включить передачу до полного выравнивания угло- вых скоростей шестерни и вала. Инерционные синхронизаторы уста- навливаются на всех высших передачах. Конусные и дисковые синхронизаторы. Они отличаются друг от друга исполнением фрикционного элемента. Широкое распростране- ние получили конусные синхронизаторы с одной парой трения. Ино- гда используются многоконусные синхронизаторы, в которых синхро- низирующий момент возрастает, однако их конструкция становится более сложной. Дисковые синхронизаторы выполняются, как правило, многодис- ковыми. Увеличение поверхностей трения используется как один из способов повышения эффективности синхронизаторов. Однако, как показывают эксперименты, синхронизирующий момент не возрастает прямо пропорционально числу применяемых дисков. По мере уда- ления дисков от нажимных деталей их момент трения падает. Не- равномерность распределения давления приводит к повышенному нагреву и износу наиболее нагруженных дисков. Эффективность синхронизаторов более рационально повышать не увеличением числа поверхности трения, а оптимальным подбором фрикционных материалов, созданием благоприятных условий работы (особенно хорошей организацией смазки) и применением следящего сервопривода. В последнем случае при малых усилиях со стороны водителя можно получить значительный синхронизирующий момент за счет увеличения давления на поверхностях трения. Индивидуальный и центральный синхронизаторы. Индивиду- альный служит для включения только одной передачи, центральный используется для включения нескольких передач. Первый получил повсеместное распространение на транспортной технике благодаря своей простоте и надежности в работе. Второй более сложен, доро- гой и имеет значительные габариты. Он используется в коробках, где включение передачи сопровождается блокированием нескольких муфт (например, в коробках с разрезными валами), а также в неко- 344 торых простых коробках передач с автоматическим и полуавтома- тическим приводами управления. В отечественных гусеничных машинах большое распространение получили простые и инерционные индивидуальные конусные синхро- низаторы. Один из них показан на рис. 16.4, а. Он применяется для включения второй (палец 4 передвигается влево) и третьей (палец 4 передвигается вправо) передач. При включении второй передачи син- хронизатор работает как простой, при включении третьей – как инер- ционный. Блокирующее устройство у последнего выполнено в виде фигурного выреза (рис. 16.4, б) на корпусе 2 с размещенным в нем пальцем зубчатой муфты 4. Пока не произошло выравнивания угловых скоростей шестерни и вала, сила от момента трения, возникающего в буксующих конусах, прижимает палец к скосу фигурного выреза и не позволяют ему переместиться в крайнее положение. Когда же вырав- нивание закончится, момент трения резко упадет и усилие водителя становится достаточным для того, чтобы отжать корпус и переместить палец в положение, соответствующее включенной передаче. Рис. 16.4. Конструкция конусного индивидуального синхронизатора: 1 – зубчатая муфта; 2 – корпус синхронизатора; 3 – пружинный фиксатор; 4 – палец муфты 345 17. Конструирование бортовых передач 17.1. Общие сведения Бортовые передачи, или, как их часто называют, бортовые ре- дукторы, служат для постоянного увеличения передаточного числа трансмиссии. Предъявляемые требования. Величина крутящего момента быст- роходных двигателей внутреннего сгорания сравнительно мала. В то же время при движении машины к ведущим колесам требуется подво- дить моменты, превышающие моменты двигателя в десятки раз. Осу- ществляется это требование за счет введения в трансмиссию машины соответствующего передаточного числа. Последнее в зависимости от схемы трансмиссии может разноситься по разным агрегатам. Однако, чтобы не перегружать агрегаты чрезмерным крутящим моментом, на- иболее целесообразно производить основное увеличение передаточно- го числа в одном агрегате, помещенном в самом конце силовой цепи. Таким агрегатом и является бортовая передача, устанавливаемая непо- средственно перед ведущим колесом. В этом случае более сложные агрегаты – коробка передач, механизмы поворота – нагружены относи- тельно небольшим крутящим моментом и, следовательно, имеют при- емлемые вес и габариты, и управление ими значительно облегчается. Устанавливаемые на гусеничных машинах бортовые передачи в зависимости от типа машины имеют постоянные передаточные числа в пределах 3,5–15. По сравнению с другими агрегатами трансмиссии бортовые пере- дачи работают в особо трудных условиях, т. к. при постоянной рабо- те в них реализуются большие передаточные числа, вследствие чего крутящие моменты на ведомом валу достигают нескольких десятков тысяч Нм. Объемы, занимаемые бортовыми передачами, обычно ограничены; ведомый вал выходит наружу из корпуса и подвержен воздействию воды, грязи, пыли и т. д. Кроме того, жестко связанная с ведущим колесом бортовая передача воспринимает большие динами- ческие нагрузки, возникающие при движении машины. С учетом сказанного к бортовым передачам предъявляются та- кие требования:  высокие прочность, износостойкость шестерен, валов и под- шипников; 346  надежная смазка трущихся поверхностей;  поддержание нормального температурного режима. Первое из этих требований обеспечивается правильным выбором типа схемы, рациональной конструкцией, использованием высокока- чественных материалов, оптимальной технологией обработки и мон- тажа, соответствующим подбором смазки и уплотнений, исключаю- щих попадание воды, грязи и пыли в картер бортовой передачи. Второе требование обеспечивается рациональной организацией смазки (ко всем трущимся поверхностям), подбором сорта смазоч- ного материала (не должно происходить выдавливания его из зоны контакта зубчатых пар), применением надежных уплотнений, делаю- щих невозможными утечки масла, использованием сапунов, вырав- нивающих давление в картере передачи. Третье требование обеспечивается выбором достаточного объема масляной ванны, организацией интенсивного теплоотвода, который имеет место при хорошем контактировании картера бортовой пере- дачи с корпусом машины, а также при размещении ребер на внеш- ней поверхности картера и обдуве последнего воздухом. Остальные требования совпадают с общими требованиями, харак- терными для агрегатов трансмиссии. Классификация. Классификация бортовых передач производится по следующим признакам. По числу рядов шестерен: однорядные; двухрядные. Однорядные бортовые передачи (рис. 17.1, а, б, в) состоят из одного ряда шесте- рен с неподвижными или подвижными осями, и передаточное число в них преобразуется один раз. Двухрядные состоят соответственно из двух рядов (рис. 17.1, г, д, е), и передаточное число в них преоб- разуется дважды, последовательно в первом и втором рядах. По конструктивному исполнению: простые; планетарные; комби- нированные. Простые бортовые передачи имеют шестерни с непо- движными осями. На рис. 17.1 представлены простые однорядные с внешним (а) и внутренним (б) зацеплениями и двухрядная (г) бор- товые передачи. В планетарных используются один (в) или два (д) ряда шестерен с подвижными осями. В комбинированных (е) пер- вый ряд состоит из шестерен с неподвижными, а второй – с по- движными осями. 347 Рис. 17.1. Кинематические схемы бортовых передач По расположению ведущего и ведомого валов: соосные; несоос- ные. В соосных бортовых передачах оси ведущего и ведомого валов лежат на одной линии, в несоосных оси не совпадают. Первые ха- рактерны для планетарных, вторые – для простых и комбинирован- ных передач. По способу установки ведущего колеса: разгруженные; неразгру- женные. В первых на ведомый вал бортовой передачи усилие от веду- щего колеса не передается, так как последнее с помощью специальных подшипников опирается непосредственно на корпус (рис. 17.1, е). 348 В этом случае ведущее колесо соединяется с ведомым валом с помо- щью зубчатой муфты. Во вторых передачах ведущее колесо жестко крепится на ведомом валу (например, рис. 17.1, а). Следовательно, последний, кроме крутящего момента, дополнительно загружен из- гибающим моментом от ведущего колеса. 17.2. Схемы и конструктивные особенности бортовых передач Основные схемы, по которым выполнены бортовые передачи гу- сеничных машин, представлены на рис. 17.1 (0 – ведущий вал; х – ведомый). На рис. 17.1, а показана однорядная простая бортовая передача с внешним зацеплением. Передаточное число равно отношению чис- ла зубьев, т. е. áð 2 1i z z . В существующих конструкциях áði изме- няется от 3,5 до 6,8. Данная схема получила широкое распростра- нение в силу своей простоты и сравнительно малых габаритов. Кро- ме того, она показала надежную работу, особенно в машинах легкой весовой категории. Несоосное расположение валов улучшает ком- поновочные возможности, т. к. расположение ведущего колеса лег- ко изменить за счет обкатки ведомого вала вокруг ведущей шестер- ни. Как правило, эта схема делается неразгруженной, чтобы из- лишне не усложнять передачу. Схема на рис. 17.1, б отличается от предыдущей внутренним за- цеплением, что позволяет получить большее передаточное число при тех же габаритах, а также обеспечивает более высокую прочность зуба. Однако в этом случае трудно избежать консольного крепления шестерен. Эта схема применяется, когда требуются малые межцен- тровые расстояния, а также одностороннее вращение ведущего и ве- домого валов. Планетарная соосная бортовая передача (рис. 17.1, в) обычно вы- полняется в виде элементарного планетарного ряда с одинарными сателлитами. При показанном закреплении звеньев схема обеспечи- вает максимальное передаточное число. По сравнению с простыми эта передача обладает повышенными работоспособностью и надеж- ностью. Последнее объясняется тем, что трансформация крутящего момента осуществляется через несколько параллельно работающих 349 зацеплений. Схема наиболее компактна и может быть установлена в ведущем колесе. Двухрядная простая бортовая передача (рис. 17.1, г) применяется в случае, когда требуется обеспечить либо значительные межцен- тровые расстояния между ведущим и ведомым валами, либо боль- шие передаточные числа (по сравнению с однорядной). Передаточ- ное число находится по формуле 2 4 áð 1 3 z z i z z  . По сравнению с другими двухрядными передачами эта схема име- ет большие габариты и малую надежность. Последнее связано с тем, что через зацепление второй пары шестерен передается большой крутящий момент. На рис. 17.1, д изображена схема двухрядной планетарной пере- дачи. Она может реализовывать большие передаточные числа. Бор- товая передача такого типа сравнительно компактна и обладает вы- сокой надежностью. Однако она наиболее сложная среди представ- ленных схем. Двухрядная комбинированная бортовая передача (рис. 17.1, е) обладает наиболее оптимальными характеристиками при реализации больших передаточных чисел. Практически эта схема может пере- крывать весь ряд передаточных чисел от величин, трудно реализуе- мых в однорядных передачах (iбр = 7), до величин, необходимых для машин тяжелой весовой категории (iбр = 12–15). Среди двухрядных передач схема обладает наилучшими компактностью и надежностью. По сравнению со схемой на рис. 17.1, д ей присуща упрощенная конструкция и несоосное расположение валов, что иногда важно для осуществления требуемой компоновки. Для машин тяжелой ве- совой категории бортовая передача делается разгруженной, как это показано на схеме. Наибольшее распространение из всех представленных на гусенич- ных машинах получили бортовые передачи, выполненные по схемам на рис. 17.1, а, в, е. На рисунках 17.2–17.4 представлены их кон- структивные особенности. 350 Рис. 17.2. Конструкция однорядной простой бортовой передачи На рис. 17.2 показана конструкция бортовой передачи, выполнен- ной по схеме на рис. 17.1, а. Передаточное число iбр = 5,55. Шестерни прямозубые. Ведущий вал 1 выполнен заодно с шестерней и крепит- ся на двух шариковых подшипниках, причем правый воспринимает не только радиальную, но и осевую нагрузки. Ведомая шестерня 2 изготавливается отдельно и крепится на ведомом валу 3 с помощью шлицев. С другого конца на вал устанавливается ведущее колесо, превращая бортовой редуктор в неразгруженную передачу. Ведомый вал опирается на две опоры. Первая состоит из шарикового подшип- ника и воспринимает как радиальные, так и осевые нагрузки (по- 351 следняя в основном передается от ведущего колеса). Вторая включа- ет два роликовых подшипника и предназначена для восприятия ради- альных нагрузок, действующих от шестерни и ведущего колеса. Кар- тер 5 приваривается к корпусу машины, причем в съемной крышке картера 4 расположены гнезда для всех опор. Масло заливается непо- средственно в картер. Уплотнение – комбинированное и состоит из лабиринта, фетровых колец и самоподжимных сальников. На рис. 17.3 представлена конструкция бортовой передачи, выпол- ненной по схеме на рис. 17.1, б. Передаточное число 5,50. Ведущий 1 и ведомый 2 валы крепятся на двух опорах, причем шариковые под- шипники воспринимают радиальные и осевые нагрузки, а ролико- вые – только радиальные. Картер 3 – литой и с помощью болтов крепится к корпусу машины, одновременно он служит ванной для заливки масла. Ведущее колесо 4 крепится на ведомом валу борто- вой передачи. Рис. 17.3. Конструкция однорядной планетарной бортовой передачи Конструкция бортовой передачи, выполненной по схеме на рис. 17.1, е, показана на рис. 17.3. Передаточное число iбр = 13,02. Все валы опираются на две опоры. В качестве опор первого ряда ис- пользуются сферические роликовые подшипники. Ведомый вал вто- рого ряда – водило 3 – крепится на роликовых подшипниках, уста- новленных в кронштейне картера 2. Шестерни первого ряда соеди- 352 няются с валами при помощи шлицев. Солнечная шестерня второго ряда нарезана непосредственно на валу 5. Эпицикл 1 делается от- дельно, запрессовывается в картер и затем заваривается. Эта борто- вая передача относится к разгруженному типу, т. к. ведущее колесо через шариковые подшипники опирается непосредственно на кронш- тейн картера. С ведомым валом 3 ведущее колесо связывается с по- мощью зубчатой муфты 4. Передача имеет сложное уплотнительное устройство, состоящее из лабиринта, фетровых и самоподжимных сальников. Картер служит одновременно и масляной ванной, он кре- пится к корпусу машины с помощью болтов. Рис. 17.4. Конструкция двухрядной комбинированной бортовой передачи 17.3. Особенности расчета бортовой передачи Бортовая передача рассчитывается как обычная зубчатая передача. Особенность состоит лишь в определении расчетного момента. По- 353 скольку бортовая передача расположена за механизмом поворота, через нее передается не только момент двигателя, но и рекуператив- ный момент, т. е. передача подвергается большой загрузке. Последнее привело к тому, что за расчетный момент принимается максималь- ный момент, возникающий при наибольшей силе тяги по сцеплению на забегающей гусенице при повороте в гору на максимальном крене. Этот момент определяется по формуле âê ð áð 0,65 G r M i   , где Мр – расчетный момент на ведущем валу бортовой передачи, Н; G – вес машины, Н; rвк – радиус ведущего колеса, м. Допустимые напряжения для шестерен и валов бортовых пере- дач рекомендуется принимать равными нижним пределам допусти- мых напряжений для шестерен и валов коробок передач. 18. Конструирование колесных ходовых частей 18.1. Ведущие и направляющие колеса Ходовая часть обеспечивает движение машины и поддержание ее остова. Она состоит из ведущих и направляющих колес, а также элементов, соединяющих колеса с рамой машины. Ведущие и направляющие колеса обеспечивают движение маши- ны и передают ее массу на опорную поверхность. Помимо общих для всех механизмов требований колёса должны создавать минимальное давление на грунт, оказывать небольшое сопротивление движению, обеспечивать высокие сцепные качества с различными поверхно- стями независимо от их состояния, самоочищаться от налипшей поч- вы и снега. Колеса современных строительных и дорожных машин оснаще- ны шинами низкого давления. Шины тракторов и погрузчиков рас- считаны на работу при скоростях до 35 км/ч. Шины имеют большую универсальность, благодаря чему можно применять тракторы и специальные шасси как на сельскохозяй- 354 ственных, так и транспортных работах с большими скоростями движения. Из-за деформации шин площадь их контакта с грунтом увеличивается, что приводит к снижению давления и уменьшению разрушения структуры почвы. Недостатком шин является плохое сцепление с грунтом при по- вышенной влажности. Однако правильным подбором размеров шин, давления и некоторыми другими мероприятиями можно уменьшить этот недостаток. До настоящего времени не существует четких рекомендаций, позволяющих подбирать к конкретной самоходной машине шины оптимальных размеров, поэтому используют опытные данные. Од- ним из основных показателей при выборе шин является грузоподъ- емная сила Q. Это наибольшая нагрузка для данного внутреннего давления в шине, при которой ее радиальная деформация на твер- дом основании обеспечивает достаточно длительный срок службы. Существует много эмпирических формул для определения гру- зоподъемной силы шин. Чаще всего в качестве исходной принима- ют зависимость ñðQ F q  , где F – площадь контакта; qср – среднее давление шины на почву. Давление qср является функцией давления в шине: ñðq p  , где  – коэффициент, учитывающий жесткость шины (для шин низ- кого давления принимают  = 1). Предложенные формулы дают удовлетворительные результаты только для частных случаев, поэтому ими пользуются лишь при пред- варительных расчетах. В результате экспериментов и анализа взаимодействия ходовой части колесного трактора с почвой, проведенных в МАМИ (Мос- ковском автомеханическом институте), получено, что при работе колеса на жесткой опорной поверхности в контакте с ней находятся только грунтозацепы. В этом случае в основном деформируется кар- 355 кас шины (приблизительно 80 %), деформация грунтозацепов (из- гиб и смятие) составляет приблизительно 20 %. При работе на мягком грунте деформируется шина и опорная по- верхность. На рыхлых почвах давление по площади контакта рас- пределяется более равномерно: чем плотнее грунт, тем больше отно- шение опорной площади грунтозацепов к общей площади отпечат- ка. При работе шин на мягкой опорной поверхности их деформация на 20–50 % меньше. Так как грузоподъемную силу устанавливают по максимальной ра- диальной деформации на твердой поверхности, то при работе на мяг- ких грунтах допустимую нагрузку на шину (ее грузоподъемную си- лу) можно увеличить (в зависимости от состава грунта) на 20–50 %, при этом радиальная деформация самой шины не увеличится. Эту особенность работы на мягких грунтах необходимо иметь в виду при проектировании и эксплуатации строительных и дорожных машин на базе тракторов. При выборе шин следует определять нагрузку на колесо с учетом его догрузки (от навесных машин и оборудования, действия силы тяги на крюке и т. п.) для конкретной компоновки машины и усло- вий работы. Кроме того, необходимо учитывать, что шины больших диаметров обеспечивают лучшие тяговые показатели при работе на транспорте, более широкая шина улучшает плавность движения и проходимость. Шины направляющих колес для обеспечения хорошей управляе- мости и устойчивости прямолинейного движения оснащают продоль- но расположенными кольцевыми ребордами. При выборе шин направляющих колес следует иметь в виду, что при работе нагрузка на них уменьшается за счет динамической разгрузки передней оси. Для улучшения управляемости и уменьшения сопротивления пе- рекатыванию внутреннее давление в шинах направляющих колес больше, чем в шинах ведущих колес, и составляет 150–250 кПа. Важным показателем шин направляющих колес, влияющим на управляемость колесной машины, является их боковая жесткость, которая оценивается коэффициентом ky сопротивления боковому уво- ду. Явление бокового увода состоит в том, что при приложении бо- ковой силы к колесу шина деформируется и в результате катится не в плоскости симметрии обода, а под некоторым углом у к нему, который называется углом увода: 356 ó á ó ,P k  где Рб – боковая сила, á ñ ê0,43P G  (с – коэффициент поперечно- го сцепления колеса с почвой; Gк – нагрузка на колесо). Коэффициент возрастает с повышением давления в шине, увели- чением нагрузки на колесо, размеров шины. Для тракторов произ- водства МТЗ ky = 15–25 кН/рад. Боковой увод шин вызывает при повороте машины отклонение действительной траектории движения от теоретической. Чтобы повысить тягово-сцепные качества колесных тракторов, до- гружают ведущие колеса, оснащают их дополнительными грунто- зацепами, устанавливают шины на уширенные ободы или двойные скаты, увеличивают число ведущих колес, снабжают трактора полу- гусеничным ходом. Если нагрузка на ведущее колесо меньше грузоподъемной силы шины, то для повышения тягово-сцепных качеств широко исполь- зуют догрузку ведущих колес следующими методами:  устанавливают дополнительные грузы на диски колес либо на раму машины (грузы выполняют в виде отдельных элементов мас- сой до 20 кг);  заполняют камеры шин водой (этот способ требует больших за- трат времени для заполнения водой и ее удаления);  используют догружатели ведущих колес. Указанные методы применяют также для догрузки направляющих, колес тракторов с неодинаковыми размерами колес, когда при рабо- те с полуприцепами и навесными машинами на направляющие ко- леса приходится менее 20 % общей массы трактора. При работе на слабых почвах устанавливают дополнительные грунтозацепы различ- ных конструкций: в виде дополнительных колес с грунтозацепами, которые привертывают к диску основного колеса; цепей, оснащен- ных зацепами и укрепляемых на шине и т. д. Большое внимание уделяют повышению тяговых качеств колес- ных строительных и дорожных машин путем создания конструкций с четырьмя ведущими колесами. Тяговый КПД существующих тяговых и строительных машин с четырьмя ведущими колесами значительно превосходит КПД колес- ных машин с двумя ведущими колесами. Сила тяги распределяется на четыре колеса, поэтому напряженность сцепления с почвой при 357 прочих равных условиях получается соответственно меньшей. Ме- таллоемкость существующих универсальных тракторов с четырьмя ведущими колесами по сравнению с аналогичным по тяговому уси- лию тракторами с двумя ведущими колесами меньше на 20–25 %. Наряду с колесным шасси специальных конструкций имеется мно- го различных универсальных тракторов, из которых путем замены передней оси можно получить модификацию со всеми ведущими колесами (Т-40А, МТЗ-52, Л1ТЗ-82 и др.). При этом передние коле- са делают меньшего размера, чем задние, и через них может быть реализована соответственно меньшая сила тяги. Более эффективны специальные шасси с колесами одинакового размера, которые получили большое распространение как в СССР (тракторы Т-150К, К-700 и др.), так и за рубежом. Широко используют полуприцепы и прицепы с активными ося- ми и приводом от вала отбора мощности. 18.2. Передние оси колесных машин Передние оси служат для соединения направляющих колес с ра- мой машины. Они должны передавать усилия, возникающие в си- стеме, и обеспечивать правильную установку колес. В зависимости от того, являются передние колеса только направляющими или к ним подводится крутящий момент, их разделяют на передние оси и пе- редние мосты. По способу соединения с рамой передние оси могут быть подрессоренными или неподрессоренными, с расставленными или сближенными колесами, с разрезной или целой осью. Для обеспечения устойчивого прямолинейного движения и легкого поворота машины направляющие колеса надо устанавливать в опреде- ленном положении по отношению к дороге и балке передней оси. При установке шкворня под углом  (обычно  = 2–10°) умень- шается плечо обкатки колеса m > т' (расстояние от точки контакта середины колеса до пересечения оси шкворня с почвой) и, следова- тельно, момент, необходимый для его поворота (рис. 18.1, а). Для применяемых конструкций колесных машин т = 10–30 мм. Кроме того, при повороте колеса вокруг наклонного шкворня передняя часть машины несколько приподнимается и ее вес будут стремиться воз- вратить колеса в исходное положение. 358 Рис. 18.1. Схема установки направляющих колес машин: а – с боковым наклоном шкворня; б – шкворень в плоскости колеса; в – с наклоном шкворня назад; г – установка колес с развалом; д – то же, со сходимостью В некоторых случаях шкворень компонуют в плоскости колеса (рис. 18.1, б), но это ухудшает устойчивость движения машины, т. к. стабилизирующий момент отсутствует. Наклон шкворня вперед или назад в продольной плоскости поз- воляет получить дополнительный стабилизирующий момент от бо- ковых реакций почвы. При увеличении скоростей движения вследствие деформации бал- лонов шин смещается точка приложения равнодействующей реак- ции опорной поверхности, т. е. изменяется плечо l (рис. 18.1, в). При повороте колеса возникает момент от боковых реакций со- противления повороту, стремящийся повернуть колесо в исходное 359 положение. Этот динамический стабилизирующий момент можно определить по формуле ñò cosM l  , где  – коэффициент сопротивления повороту. Угол наклона оси шкворня назад  = 0–4°, а вперед – 0–10°. Наклон шкворня в продольной плоскости вызывает увеличение сопротивления на рулевом колесе при повороте машины. При установке колес с наклоном к поверхности грунта (рис. 18.1, г) (с развалом) расстояние между ободьями колес снизу получается несколько меньше расстояния сверху. Этот способ также уменьшает плечо обкатки (т" < т), а под действием составляющей силы тяже- сти S, направленной по оси цапфы, колесо прижимается к ступице, компенсируя износы. Такое расположение колес вызывает также от- рицательные явления: колеса стремятся катиться по дугам к цент- рам в точке О, левое колесо – влево, правое – вправо, что приводит к скольжению и дополнительному износу шин. В существующих конструкциях угол  = 1,5–5°. Для устранения проскальзывания колеса устанавливают со сходи- мостью, т. е. не параллельно продольной оси трактора, а так, что рас- стояние между их серединами спереди меньше, чем сзади (рис. 18.1, д), при этом L2 – L1 = 1–12 мм (измерение производят в точках пересе- чения обода колеса с горизонтальной плоскостью, проходящей че- рез оси колес). Сходимость достигается регулированием длины поперечной ру- левой тяги. При такой установке колеса стремятся катиться по окружности, центр которой находится в точке пересечения продол- жения оси цапфы поворотного кулака с опорной поверхностью. Си- лы сопротивления движению стремятся повернуть колеса относи- тельно шкворней, что нарушает устойчивость прямолинейного движения. При отсутствии сходимости, колеса могли бы устано- виться под отрицательным углом. Подбор правильного положения колес устраняет эти недостатки. При установке на строительных и дорожных машинах передних мостов с ведущими направляющими колесами для уменьшения углов перекоса валов соединительных муфт поперечный наклон шкворня  и развал колес  часто делают близкими к нулю. Практически это ма- 360 ло сказывается на устойчивости движения машины, т. к. использова- ние шин низкого давления и большого диаметра, обладающих значи- тельной эластичностью, приводит при повороте к появлению стаби- лизирующих моментов из-за боковой деформации шин. У шасси машин с шарнирной рамой (рис. 18.2), состоящей из двух шарнирно соединенных секций, колеса жестко связаны с ней и уста- новлены без развала и сходимости. Рис. 18.2. Схема поворота трактора с шарнирной рамой: а – вид сбоку; б – вид сверху Для повышения тяговых качеств машин подобного типа и обеспе- чения устойчивого прямолинейного движения необходимо, чтобы ос- новным ведущим мостом был передний, задний же мост должен под- ключаться только в тяжелых условиях движения. Автоматизация включения и выключения заднего моста достигается применением об- гонных муфт, установленных в приводе. Когда передний мост являет- ся ведущим (задний в это время выключен), появляется стабилизиру- ющий момент Мв.с (момент ведущей секции), который при повороте секций на угол  стремится вернуть систему в исходное положение: 361 â.ñ 1 sinM R l    , где R – реакция со стороны заднего моста ( 2 êðR fG P  , где f –коэф- фициент сопротивления перекатыванию, G2 – доля веса трактора, приходящаяся на заднюю секцию). Если ведущим мостом будет задний, то толкающее усилие Рз.с со- здаст поворачивающий момент, вызывающий неустойчивое прямо- линейное движение. Для устойчивого прямолинейного движения по- мимо выполнения данных выше рекомендаций, необходимо, чтобы ось соединительного шарнира устанавливалась под углом  в про- дольной плоскости машины. В этом случае во время поворота сек- ций из-за изменения высоты расположения центра машины появля- ется стабилизирующий момент 2 1 2 ñ 1 1 2 22 1 2 1 1 tg sin 1 cos l l l M G l G l ll l                        , где G1 и G2 – вес передней и задней секций. Обычно 1 1:l l и 2 2:l l делают меньше 0,25. Угол γ до 15°. Если центры масс каждой секции вынесены за базу машины, то для получения указанного стабилизирующего момента надо, чтобы угол α был больше 90°. Конструкция балки передней оси и способ ее изготовления оп- ределяются эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к машине. Для тракторов общего назначения, а также пропашных наиболь- шее распространение получили оси с расставленными колесами (рис. 18.3, а). Эти оси обеспечивают наилучшую устойчивость и про- ходимость трактора по междурядьям. Дорожный просвет 400–550 мм легко обеспечивается удлинением стойки шкворня поворотной цап- фы. Однако для обработки высокостебельных сельскохозяйственных культур необходимо увеличить дорожный просвет до 600–760 мм, а для особо высокостебельных– 800–1000 мм и более. 362 Рис. 18.3. Передняя ось с направляющими колесами: а – расставленными; б – сближенными; в – подрессоренными На многих сельскохозяйственных тракторах для увеличения до- рожного просвета, а также для удобства компоновки сельскохозяй- ственных машин применяют оси со сближенными передними коле- сами (рис. 18.3, б) или устанавливают одно направляющее колесо. Такие тракторы имеют малую поперечную устойчивость. У тракто- ров со сближенными направляющими колесами или с одним направ- ляющим колесом вертикальный вал устанавливают в кронштейне, воспринимающем нагрузки от колес. Распространение получили составные телескопические балки передней оси с цанговым креплением выдвижных труб 2 и 3 (см. 363 рис. 18.3, а). Наружная разрезная труба затягивается хомутом 1. В за- висимости от конструкции балки передней оси бывают литыми или штампованными (круглыми, двутавровыми, трубчатыми и др.). Это позволяет регулировать колею трактора, что весьма важно для про- пашных тракторов. Подвеска передней оси выполняет несколько функций: через нее передается вес передней части машины на балку, она обеспечивает передачу толкающих усилий от рамы к передним колесам, воспри- нимает толчки и удары от передних колес, улучшает приспосабли- ваемость колес к неровностям пути. У большинства универсальных тракторов переднюю ось соединяют с остовом в одной точке при помощи шарнира 4 (см. рис. 18.3, а). Для разгрузки последнего от толкающих усилий устанавливают специальные вилки 5. Если передняя ось сделана укороченной (см. рис. 81, б) или имеется только одно переднее колесо, то все усилия воспринимаются подшипниками вертикального вала 6. Повышение скоростей движения тяговых машин привело к воз- растанию динамических нагрузок на оси, поэтому для увеличения срока службы машин стали использовать упругие элементы в си- стеме подвески передних, а иногда и задних осей. На рис. 18.3, в представлена передняя ось, у которой упругие эле- менты в виде цилиндрических пружин 9 вмонтированы в стойках шкворней поворотных кулаков 8 и цапфы 7. В конструкции переднего моста, изображенного на рис. 18.4, а, использованы тарельчатые пружины 7, установленные на шкворнях 8 поворотных кулаков 9. Характерной чертой этой конструкции явля- ется возможность изменения колеи при помощи выдвижных труб 1, которые фиксируются в заданном положении стопорами 2. Шкво- рень 8 и конечная передача 5 вписаны в габариты диска 6 направ- ляющего колеса. Крутящий момент к колесу подводится через два последователь- но установленных карданных шарнира 3 и 4 неравных угловых ско- ростей. На рис. 18.4, б изображен передний мост самоходной машины, у которой для подрессоривания колес установлены цилиндрические пружины 11. В конструкции оригинально решен вопрос подвода крутящего момента к направляющим колесам без соединительных муфт при помощи двух пар конических шестерен – 10 и 12. 364 Рис. 18.4. Передний мост с направляющими колесами, подрессоренными: а – тарельчатыми пружинами; б – цилиндрическими пружинами; в – листовой рессорой 365 Для подрессоривания переднего моста, конструкция которого изо- бражена на рис. 18.4, в, применена поперечная листовая рессора 14, которая шарниром 15 в средней части соединена с рамой машины. Концы рессоры проушинами 13 прикреплены к кронштейнам 18 пе- реднего моста. Для предотвращения скручивания рессоры толкаю- щими усилиями служит вилка 16. Крутящий момент к колесам под- водится через соединительную муфту 17 равных угловых скоростей. При конструировании самоходных строительных и дорожных ма- шин с четырьмя ведущими колесами необходимо иметь в виду, что трансмиссия, ведущие колеса и грунт составляют замкнутый сило- вой контур, вследствие чего может возникнуть циркулирующая мощ- ность из-за разных динамических радиусов ведущих колес. Измене- ние динамических радиусов колес объясняется неодинаковым дав- лением в баллонах шин, перераспределением нагрузки на колеса в процессе работы и другими причинами. Для уменьшения отрицательного влияния циркулирующей мощ- ности и повышения динамических качеств машин устанавливают специальные механизмы, например межосевой дифференциал 1 (рис. 18.15, а), который дает возможность ведущим колесам перед- ней и задней оси вращаться с разными угловыми скоростями, ис- ключая дополнительную загрузку трансмиссии. Вариант использования раздаточной коробки с принудительным отключением переднего моста показан на рис. 18.5, б. Привод осу- ществляется от раздаточной коробки, в которой имеются подвиж- ные шестерни 2, служащие для включения и выключения переднего моста. Дополнительная передача усложняет трансмиссию и снижает ее КПД, а отсутствие автоматического включения переднего моста затрудняет управление машиной в сложных дорожных условиях. Кроме того, при включенном переднем мосте и наличии циркули- рующей мощности не снимается дополнительная нагрузка на дета- ли трансмиссии. Отмеченные недостатки ограничивают применение раздаточной коробки. На схеме, изображенной на рис. 18.5, в, в приводе к переднему мосту установлена муфта свободного хода 3, которая по сравнению с дифференциалом отличается простой конструкцией и меньшей мас- сой. Эта муфта автоматически включает и выключает передний мост. При обычной работе, когда окружные скорости колес равны, перед- ний мост отключен. В тяжелых условиях работы, когда окружная 366 скорость передних колес становится меньше окружной скорости зад- них (задние пробуксовывают), муфта свободного хода заклинивает- ся и автоматически включает привод к передним колесам. Рис. 18.5. Схема привода к переднему ведущему мосту: а – с межосевым дифференциалом; б – с раздаточной коробкой; в – с муфтой свободного хода 367 Преимуществом подобных конструкций является автоматическое включение моста только в тяжелых условиях работы, что повышает экономичность работы машины. Поворотные цапфы, на которых устанавливают направляющие колеса, обеспечивают их поворот и воспринимают нагрузку от веса, приходящуюся на переднюю ось машины и передаваемую через упор- ные подшипники и далее через цапфу на колеса. Силы и моменты, действующие на переднюю ось и направляю- щие колеса, воспринимаются шкворнями и подшипниками, установ- ленными в стойке поворотного кулака. Поворотные кулаки штампуют из стали 40, 40Х и 45Х. Цапфы поворотного кулака рассчитывают на изгиб по опасному сечению у основания. Шкворни поворотных кулаков изготовляют из легированных сталей 18ХГТ, 20Х, 40Х и 20ХН с последующей термической обра- боткой и рассчитывают на изгиб и срез. Втулки шкворней проверя- ют на смятие. В большинстве случаев задние колеса, оснащенные шинами низ- кого давления и большого размера, соединяют с рамой без дополни- тельных упругих элементов. В универсальных тракторах с неодина- ковыми колесами в подвеску передних колес небольшого размера с повышенным внутренним давлением включают различного вида упругие элементы. В практике отечественного и зарубежного машиностроения наибольшее распространение получили металлические рессоры. На экспериментальных и специальных машинах применяют также пневматические, гидравлические и комбинированные упругие эле- менты. 19. Конструирование гусеничных движителей 19.1. Общие сведения Гусеничный движитель, как и другие типы движителей (колесный, гребной и воздушный винты и др.) служит для преобразования по- лучаемого от двигателя усилия в процессе взаимодействия с внеш- ней средой в тяговое усилие, движущее машину. Только реактивный 368 принцип движения не требует специального движителя, функции дви- гателя и движителя объединены в этом случае в одном агрегате. Не- самоходные гусеничные машины (прицепы) имеют не гусеничный движитель, а гусеничный ход – пассивный механизм, не создающий тягового усилия. Основные требования. К гусеничному движителю предъявляют- ся следующие основные требования: 1) обеспечение высокой проходимости по мягким и топким грун- там (болото, снег, песок), преодоление подъемов до 30–35 ° и раз- личного рода естественных и искусственных препятствий (рвы, по- роги, эскарпы и контрэскарпы, неглубокие водоемы и т. д.); 2) высокий КПД; 3) достаточная долговечность; 4) малый вес и габариты при достаточной прочности, долговеч- ности и надежности (в современных гусеничных машинах вес дви- жителя достигает 15–20 % от общего веса машины); 5) простота и технологичность конструкции, удобство обслужи- вания и ремонта в полевых условиях, минимум регулировок и экс- плуатационного обслуживания. Рассмотрим подробнее эти требования. Выполнение первого из них зависит прежде всего от величины среднего удельного давле- ния на грунт ñð 2q G Lb , где G – вес машины, Н; L – длина опорной поверхности движителя, м; b – ширина гусеницы, м. Большинство сельскохозяйственных и транспортных машин име- ют qср ≈ 0,04–0,06 МПа. Для гусеничных машин среднего и тяжело- го классов (30–50 т) qср ≤ 0,08–0,082. При больших значениях qср наступает резкое снижение несущей способности грунта и прохо- димости машины. Гусеничные машины особо высокой проходимо- сти (снегоходы и болотоходы) должны иметь qср ≤ 0,015–0,020 МПа. Для сравнения можно привести некоторые данные по величине сред- них удельных давлений qср: пешеход – 0,05–0,06 МПа; лыжник – 0,01 МПа; аэросани ~0,004–0,006 МПа. Эпюра оптимального рас- пределения усредненных удельных давлений на грунт должна иметь вид прямоугольника (рис. 19.1, а). 369 Рис. 19.1. Удельное давление на грунт Проходимость машины зависит также от распределения истин- ных давлений на грунт по длине гусеницы, от степени его неравно- мерности, особенно при перемещении по болотам с плотным дерно- вым покровом, но слабым основанием. Чем больше диаметр опор- ных катков и больше их число, тем равномернее распределяются давления по длине опорной поверхности гусеницы. На мягком грун- те вследствие его большей деформации под опорными катками часть нагрузки воспринимается гусеницей между катками. Распределение давлений при этом более равномерное (рис. 19.1, б), чем на твердом грунте (рис. 19.1, в). Наилучшим решением в этом плане является схема ходовой ча- сти с шахматным расположением опорных катков большого диа- метра (рис. 19.2, г). Однако это решение имеет существенные недо- статки: значительное возрастание веса ходовой части (в том числе и подвески, т. к. возрастает число рессор) и неудобство обслуживания и ремонта в полевых условиях. Проходимость машины на слабых грунтах зависит также от соот- ношения сил сопротивления движению и сцепления гусениц с грун- том, которое определяется осадкой машины в грунт (глубиной колеи). Последняя, в свою очередь, при равных удельных давлениях зависит от соотношения ширины гусеницы и длины опорной поверхности. При более широких гусеницах уменьшается осадка в грунт (при одинаковых qср) из-за уменьшающегося по сравнению с узкой гусе- ницей вытеснения грунта из нее в стороны, и проходимость по сла- бым грунтам улучшается. Однако значительное уширение гусеницы трудно реализовать, во-первых, из-за ограничения габаритной ширины 370 машин по условиям железнодорожных перевозок (не более 3,25 м); во-вторых, при увеличении ширины трака вес его при условии обес- печения равнопрочности растет примерно пропорционально квадрату отношения ширин. Увеличение веса повышает динамические усилия в гусеницах (особенно для быстроходных машин), снижает КПД, по- вышает динамические нагрузки и износ. Поэтому для работы некото- рых типов гусеничных машин в особо тяжелых условиях рекоменду- ется применение временных уширителей гусениц. Рис. 19.2. Типовые схемы гусеничных движителей Узкая, но более длинная гусеница при равных qср обеспечивает меньшие сопротивления движению в обычных условиях, имеет мень- шую склонность к буксованию. Проходимость по мостам, льду и по болотам с плотным дерновым покровом, но слабым основанием зависит при прочих равных усло- виях от общего веса машины, от периметра опорной поверхности. Коэффициент полезного действия движителя зависит от типа и конструкции шарниров гусеничных цепей, от расположения веду- щих колес, от конструкции зацепления гусеницы с ведущим коле- сом, от веса гусеницы, т. е. от величины динамического ее натяже- ния, определяющего потери на трение в шарнирах. Более высокий КПД и более высокую проходимость имеют гу- сеницы с резинометаллическим шарниром, еще выше – с иголь- чатыми подшипниками в шарнире. Но у первых и тем более у вто- рых вес получается больше и конструкция сложнее. Потери на трение в шарнирах меньше при расположении веду- щего колеса в кормовой части машины (рис. 19.2, а, б) по сравне- нию с носовым его расположением, т. к. при этом количество шар- 371 ниров гусеницы, нагруженных тяговым усилием, и точек их переги- ба уменьшается. Не нагружена в этом случае верхняя передняя ветвь гусеницы, как это имеет место в схемах на рис. 19.2, в, г. Долговечность движителя определяется в основном износостой- костью шарниров гусеничных цепей и зацепления их с ведущим ко- лесом. Гусеницы с открытым металлическим шарниром имеют са- мую низкую износостойкость. Срок службы ее не превышает в боль- шинстве случаев 2000–3000 км. Гусеницы с резинометаллическим шарниром могут обеспечить срок службы до 5000–8000 км, гусеницы с игольчатыми подшипниками – несколько десятков тысяч км. Сравнительная оценка гусеничного и колесного движителя. Гусеничный движитель обладает безусловными преимуществами пе- ред колесным при движении по мягким и топким грунтам: меньше осадка (т. к. меньше удельные давления), меньше вследствие этого сопротивление движению, лучше сцепные качества (из-за более раз- витой опорной поверхности), меньше буксование. Специальные колесные машины высокой проходимости, получив- шие развитие в последние годы (с колесами большого диаметра, с шинами низкого давления, с пневмокатками и т. д.) дают умень- шение осадки и сопротивления движению, но буксование их все равно значительно выше, чем у гусеничных машин. Гусеничный движитель имеет бесспорные преимущества в пре- одолении препятствий, что также повышает его проходимость по сравнению с колесным. Многоосные многоприводные колесные ма- шины в этом отношении также уступают гусеничным. Кроме того, следует учитывать, что привод колес этих машин значительно слож- нее. Только количество межколесных и межосевых дифференциалов у них достигает шести-семи вместо одного у гусеничной машины. Гусеничный движитель обеспечивает значительно лучшую ма- невренность машины (наименьший радиус поворота равен 2B или даже нулю у машин с двухпоточными передачами). Для машин среднего и тяжелого классов из-за ограничения на- грузки на ось колес с пневмошинами приходится применять колеса большого диаметра (до 3 м) и ширины (до 2 м), что резко увеличи- вает габариты и вес движителя и машины в целом. Габариты дви- жителя пятидесятитонной гусеничной машины и пятитонной колес- ной примерно одинаковы. 372 Существенными недостатками гусеничного движителя по срав- нению с колесным являются сравнительно низкий КПД и значитель- но меньшая долговечность. При движении по хорошим дорогам и твердым грунтам колесный движитель имеет преимущество – мень- шее сопротивление движению. Классификация. Гусеничные движители, применяемые в совре- менных машинах, могут быть: 1) с приподнятыми или несущими направляющими колесами; 2) с передним или задним расположением ведущих колес; 3) с поддерживающими катками или без них; 4) с различным типом шарнира гусеницы: с резино-металлически- ми шарнирами, с открытым шарниром, с игольчатыми подшипниками. Компоновка ходовой системы. При компоновке ходовой систе- мы гусеничной машины сначала составляется компоновочная схема (рис. 19.3), выбираются ее основные элементы и параметры, а затем ведется конструктивная проработка и расчет узлов, входящих в эту схему. К гусеничному движителю относятся следующие основные узлы ходовой системы: гусеничные цепи, ведущие колеса, опорные катки, поддерживающие катки (или ролики), направляющие колеса с механизмом натяжения гусениц. Рис. 19.3. Компоновочная схема гусеничного движителя Основные компоновочные схемы, нашедшие применение в быст- роходных гусеничных машинах, приведены на рис. 19.2. Схемы на рис. 19.2, а и б имеют заднее расположение ведущих колес. О преимуществах такого решения говорилось выше. Однако вопрос о расположении ведущих колес решается обычно не при раз- работке ходовой системы, а при общей компоновке машины и зави- сит главным образом от места расположения трансмиссии. В схемах на рис. 19.2, в и г ведущие колеса расположены в носовой части корпуса. В схеме на рис. 19.2, в направляющее колесо опущено на 373 грунт, в этом случае оно должно быть обязательно подрессорено. Очевидно, что эта схема может быть реализована при переднем рас- положении ведущих колес. Преимущество ее заключается в увеличе- нии площади опорной поверхности гусениц при том же весе ходовой части, что дает, как уже известно, снижение удельных давлений, улучшение проходимости машины, но при этом снижается способ- ность машины к преодолению препятствий на заднем ходу. Схема на рис. 19.2, г имеет большое количество опорных катков большого диаметра, расположенных в шахматном порядке. О пре- имуществах и недостатках этой схемы говорилось выше. При наличии опорных катков большого диаметра и отсутствии поддерживающих катков (рис. 19.2, б и г) движитель имеет мень- шую высоту, улучшаются условия работы резиновых шин. Однако при движении с большими скоростями верхняя ветвь гусеницы начинает совершать значительные вертикальные колебания, бьет по опорным каткам, создает в движителе большие динамические нагрузки и увеличивает потери. Для быстроходных машин наиболее приемлемой, как правило, является схема, показанная на рис. 19.2, а (как с задним, так и с передним расположением ведущего колеса). При выборе размеров опорных катков (Dоп), направляющих и ве- дущих колес rнк и rвк следует иметь в виду, что чем больше их диа- метр, тем меньше углы поворота в шарнирах гусеницы, т. е. тем меньше потери энергии в них и выше долговечность гусеницы. Клиренс машины Нк (см. рис. 19.3) для обеспечения хорошей проходимости выбирается в пределах 400–500 мм. Углы между наклонными ветвями гусениц и дорогой, а также высота располо- жения оси направляющего (или переднего ведущего) колеса hнк вы- бираются из условия лучшего обеспечения преодоления препят- ствий в пределах компоновки корпуса. Обычно hнк = 0,75–1 м; углы наклона ветвей гусеницы: передней α ≈ 40–45°, задней β ≈ 20–25°. Длина опорной поверхности L и ширина трака b устанавливаются в соответствии с требованием обеспечения заданной величины qср. 19.2. Гусеничные цепи с шарниром сухого трения Такие гусеницы получили наибольшее распространение (рис. 19.4). Их достоинства: простота конструкции, сравнительно малый вес, вы- 374 сокая надежность. При этом имеют место существенные недостатки: низкая износостойкость и малый срок службы, т. е. низкое значение КПД, особенно на высоких (св. 50 км/ч) скоростях движения. Рис. 19.4. Элементы гусеницы с открытым металлическим шарниром: 1, 2 – траки; 3 – соединительный палец Могут быть применены и полузакрытые шарниры с лабиринтом для ограничения попадания в него абразива. Однако пока значитель- ного эффекта эти мероприятия не дали, в то время как конструкция усложнилась и вес несколько повысился. Для литых траков применяется сталь Г-13Л (с калибровкой про- ушин), для штампованных – 35ХГ2, 27СГТ, ЗЗХГС и т. д., для паль- цев – 38СХ, 40ХСА, 32ХСА, 37ХСА, 27СГ, 60Г. Твердость проу- шин НRС 18-45, пальцев (при глубине цементации 0,8–1,2 мм) – НRС 35-55. 19.3. Гусеничные цепи с резинометаллическим упругим шарниром В кольцевых резинометаллических шарнирах (РМШ), получивших распространение в гусеницах транспортных гусеничных машин, тре- ние скольжения пальца в проушинах трака заменяется внутренним трением в резиновой втулке, возникающим вследствие деформации концентрического сдвига в пальце при относительном повороте тра- ков. Втулки привулканизируются к пальцам и затем запрессовыва- ются в проушины с высокой степенью обжатия (до 30–40 %), исклю- чающей проворачивание их в проушине. Эти втулки подвергаются 375 также значительному радиальному сжатию при запрессовке и одно- стороннему сжатию от усилий, передаваемых гусеницей. Разрушение шарнира происходит в результате усталости резины под действием знакопеременных напряжений. В связи с тем, что в ре- зине при деформации из-за значительного внутреннего трения имеют место заметно выраженные гистерезисные явления (усилие разгрузки меньше усилия нагрузки), одним из факторов, снижающих срок служ- бы РМШ, является их перегрев в процессе интенсивного движения. Поскольку на работоспособность РМШ оказывают значительное влияние величины деформаций и напряжений как от сдвига в рези- новой втулке, так и от сжатия ее, при конструировании гусеницы с РМШ стремятся к уменьшению и тех, и других напряжений. Деформация сдвига в шарнире и величина касательных напря- жений в нем пропорциональны углу γ поворота одного трака отно- сительно другого. Величина эта зависит от диаметров колес и кат- ков, образующих гусеничный обвод, и от шага гусеницы. Чем мень- ше шаг гусеницы, тем меньше угол γ. Однако с уменьшением шага увеличивается число траков в гусенице и число шарниров, что при- водит к неизбежному увеличению веса. Вторым препятствием к уменьшению шага гусеницы является уменьшение прочности трака из-за уменьшения перемычек между проушинами. 19.4 Ведущие колеса Ведущие колеса, преобразующие крутящий момент, передаваемый от двигателя через трансмиссию, в силу тяги на гусеницах, являют- ся одним из важных узлов ходовой части, качество конструкции которого не только определяет работоспособность самих элементов зацепления, но и оказывает непосредственное динамическое воз- действие на работу всех механизмов – от вала двигателя до опор- ных поверхностей гусениц. Сложность обеспечения нормальной работы зацепления гусеницы с ведущим колесом вызывается самим характером работы движителя в широком диапазоне постоянно ме- няющихся по величине и направлению динамических усилий при движении в разнообразных условиях местности (движение вперед, назад, поворот, разгон, торможение, преодоление препятствий, ко- лебания корпуса). 376 Основные требования. К ведущим колесам предъявляются сле- дующие требования. 1. Надежное зацепление с гусеницей как в ведущем, так и в тор- мозном режиме независимо от износа гусеницы. Требование это обес- печивается правильным выбором геометрии зацепления. Оно выпол- няется легче и полнее при гусеницах, шаг которых в процессе экс- плуатации не изменяется или изменяется мало. 2. Высокая износостойкость зубьев ведущих колес. Обеспечива- ется также геометрией зацепления и подбором износостойких мате- риалов для зубчатых венцов и технологическими мероприятиями по повышению их поверхностной твердости. 3. Самоочистка от грязи и снега. Обеспечивается специальными конструктивными мероприятиями (окна в корпусе колеса, специ- альные кронштейны – снегоочистители). Ведущие колеса обычно выполняются разъемными: из ступицы и зубчатых венцов. Венцов обычно ставится два, исключение со- ставляют иногда машины легкой весовой категории. Наличие двух венцов, во-первых, изменяет нагрузку в зацеплении, уменьшая его износ; во-вторых, повышает устойчивость гусеницы в продольном направлении. Съемные зубчатые венцы можно заменять по мере из- носа. Кроме того, можно изготавливать ступицы и венцы из разных материалов, подбирать для венцов специальные износостойкие ста- ли. Для венцов используются стали ЛГ-13Л, У12Г и др. Рабочие по- верхности зубьев подвергаются термообработке на твердость, кото- рая должна составлять приблизительно НRС 50–60. Для повышения твердости зубьев применяется также наплавка их поверхности ма- териалами особо высокой твердости. Ведущие колеса устанавливаются или на кронштейне бортовой пе- редачи, или непосредственно на валу бортовой передачи (применяется на легких машинах). В первом случае радиальные усилия от гусеницы воспринимаются через подшипники кронштейном и не передаются на вал бортовой передачи. Во втором случае, очевидно, вал и подшипни- ки бортовой передачи нагружаются усилиями от гусеницы, однако при этом проще конструкция и монтаж и демонтаж ведущего колеса. Конструкция элементов зацепления ведущих колес с гусеницей должна обеспечивать: а) безударную передачу усилия; б) свободный вход и выход элементов гусеницы из зацепления; 377 в) минимум их скольжения под нагрузкой (минимум износа); г) высокие контактные напряжения в зацеплении. Типы зацепления ведущих колес. На гусеничных машинах находят применение три различных типа зацепления ведущих колес с гусеницами: гребневое, зубовое и цевочное. Гребневое зацепление (рис. 19.5, а), в котором ведущим элемен- том в колесе служит ролик, а в зацепление с ним входят гребни тра- ков, в настоящее время почти не встречаются. Его недостатки: гу- сеница должна иметь большой шаг (крупнозвенчатая); большой из- нос шарниров цепи и роликов колеса из-за их малого числа (четыре- шесть), наличие выворачивающего момента. Рис. 19.5. Типы зацеплений ведущего колеса с гусеницей Зубовое зацепление (рис. 19.5, б) недостаточно надежно из-за за- бивания впадин между зубьями, имеет повышенный износ. Оно по- лучило некоторое распространение в тракторостроении, но почти не встречается на быстроходных гусеничных машинах. Основным типом зацепления гусениц с ведущими колесами в быстроходных гусеничных машинах является цевочное зацепление (рис. 19.5, в). Оно обладает лучшей плавностью и имеет значительные возможности совершенствования при изнашивающейся гусенице. 378 С целью полного удовлетворения требований, предъявляемых к ка- честву зацепления, при различных типах гусениц в гусеничных маши- нах нашли применение несколько видов цевочного зацепления. Основным видом цевочного зацепления является так называемое нормальное зацепление, при котором шаг гусеницы равен шагу ве- дущего колеса, что обеспечивает безударную передачу усилия од- новременно несколькими зубьями, а угол давления выбирается так, чтобы обеспечить равновесное положение цевки в точке контакта ее с зубом; этим обеспечивается минимум скольжения под нагрузкой и свободный вход и выход цевки из зацепления. При нормальном зацеплении контакт цевки с зубом всегда должен иметь место при постоянном радиусе ведущего колеса. Нормальное зацепление хоро- шо работает как в ведущем, так и в тормозном режимах (рис. 19.6, а). Однако нормальное зацепление успешно работает только при гусе- нице, шаг которой в процессе эксплуатации практически не изменя- ется (отсутствует износ в шарнирах). Такой гусеницей, в частности, является гусеница с резинометаллическими шарнирами. Для нее выполняется еще так называемое идеальное зацепление с постоян- ным радиусом (рис. 19.6, б), позволяющее, с одной стороны, гаран- тировать величину постоянного радиуса, а с другой – уменьшить контактные напряжения в зубе приданием ему вогнутого профиля в месте контакта с цевкой. При работе гусеницы с открытым металлическим шарниром из- за износа зацепления шаг гусеницы очень быстро становится боль- ше шага ведущего колеса. При этом нормальная работа зацепления нарушается; по мере износа шарнира и увеличения шага гусеницы входящие в зацепление цевки располагаются все выше по зубу, а затем по мере поворота ведущего колеса опускаются к его основа- нию, вызывая скольжение под нагрузкой и износ. При определен- ной величине износа цевки выходят на вершину зуба, и зацепление становится неработоспособным. Для исправления положения необ- ходимо заменить или изношенные пальцы в гусенице (частичное восстановление ее шага), или всю гусеницу. Таким образом, срок службы гусеницы по износу здесь ограничивается не прочностью изношенных шарниров, а работоспособностью зацепления. Для уве- личения срока службы гусеницы по зацеплению длительное время применялось и еще применяется так называемое специальное за- цепление, при котором шаг гусеницы меньше шага колеса. К сроку 379 службы гусеницы при этом добавляется время, в течение которого из-за износа шарнира шаг гусеницы станет равным шагу ведущего колеса, что происходит примерно через 200–500 км пробега. В даль- нейшем зацепление продолжает работать практически так же, как нормальное. Недостатки специального зацепления: выпучивание гу- сеницы при движении в тормозном режиме; скольжение цевки по зубу при выходе из зацепления; ударное приложение нагрузки при переходе с одного типа зацепления на другое. Рис. 19.6. Виды цевочных зацеплений: а – нормальное; б – нормальное с постоянным радиусом; в и г – многошаговое при новой и изношенной гусеницах Для устранения выпучивания гусеницы на тормозном режиме применяется исправленное специальное зацепление, так называемое двухшаговое с несимметричным профилем зуба. Часть зуба, рабо- тающая на тормозном режиме, имеет углубление, и контакт его с цевкой достигается на меньшем радиусе, что приводит к умень- шению шага. 380 Чтобы избежать скольжения цевок по зубу в нормальном зацеп- лении и добиться распределения нагрузки между несколькими зубь- ями, применяется улучшенное нормальное зацепление, так называе- мое многошаговое с переменным радиусом зацепления (рис. 19.6, в, г). В этом зацеплении по мере увеличения шага гусеницы цевки долж- ны располагаться на большем радиусе, скольжения цевок при этом не происходит. Для нормальной работы многошагового зацепления необходим такой профиль зуба, который обеспечивал бы равновес- ное положение цевки в любой точке профиля при различных со- отношениях усилий на набегающей и сбегающей ветвях гусениц и сил трения в контакте. Трудности решения этой задачи очевидны. Поэтому применяемые в настоящее время улучшенные зацепления гусениц с изнашивающимся шарниром только еще приближаются к многошаговому зацеплению в точном смысле этого определения. Износ зубьев ведущего колеса и шарнира гусеничных цепей, а также потери на трение как в зацеплении, так и в шарнире зависят от способа передачи усилия от ведущего колеса к гусенице. Воз- можны три способа передачи тягового усилия: тянущий, толкающий и пальцевый. Последний применяется в гусеницах с РМШ, в кото- рых отсутствует износ. При тянущем способе передачи усилия (зуб тянет трак за цевку, расположенную в передней части трака) имеет место значительное трение в зацеплении и износ зубьев ведущего колеса, однако нагрузка на шарнир и его износ меньше. При толка- ющем способе, когда зуб толкает расположенный впереди трак в его торец, значительно меньше трение и износ в зацеплении и не- сколько больше нагрузка и износ в шарнирах траков. В целом тол- кающий способ передачи тягового усилия выгоднее тянущего и по- лучает все большее распространение. 19.5. Направляющие колеса и натяжные механизмы Направляющие колеса. Направляющие колеса служат для направления движения верхней ветви гусеницы, а также (совместно с механизмом натяжения) для регулирования ее натяжения. В зави- симости от конструкции гусениц ведущих колес и опорных катков направляющие колеса могут быть двойными или одинарными. Оди- нарные направляющие колеса, применяемые иногда на легких ма- шинах, соответствуют одновенцовым ведущим колесам и одинар- 381 ным опорным каткам. Гусеничная цепь при этом должна иметь два направляющих гребня на каждом траке. В движителях, имеющих опорные катки среднего диаметра (500–650 мм) и поддерживающие катки, направляющие колеса чаще всего выполняются взаимозаменяемыми с опорными катками. Специфически важным требованием, предъявляемым к направ- ляющим колесам, является обеспечение самоочистки от грязи и сне- га и удаление с беговой дорожки гусеницы грязи, льда (скалывание его) и снега. Лучше всего это требование обеспечивается специаль- ной конструкцией направляющего колеса с металлическим ободом, имеющим соответствующую форму. Направляющие колеса с рези- новой шиной снижают динамические нагрузки в движителе и шум при движении машины, однако они в меньшей степени удовлетво- ряют требованию очистки гусеницы. Натяжные механизмы. Натяжные механизмы с механическим приводом, предназначенные для регулирования натяжения гусениц, выполняются двух типов: винтовые – с поступательным перемеще- нием оси направляющего колеса (рис. 19.7, а); кривошипные – с пе- ремещением оси направляющего колеса по дуге окружности. При этом поворот кривошипа может осуществляться с помощью или червячной пары (рис. 19.7, б), или винтовой стяжки (рис. 19.7, в). Рис. 19.7. Типы механизмов натяжения гусениц Механизмы натяжения гусениц с гидравлическим приводом рас- пространения пока не получили. 382 Наибольшее применение нашли кривошипные механизмы натя- жения вследствие простоты и надежности конструкции. Всем тре- бованиям удовлетворяет и наиболее простой из них – с винтовой стяжкой. Однако при опорных катках большого диаметра и распо- ложении их близко к корпусу этот тип механизма применить невоз- можно. В этом случае используется червячный механизм натяжения (рис. 117, б). Направляющее колесо устанавливается в соответству- ющее заданному натяжению гусеницы положение с помощью чер- вячной пары 1. Фиксация этого положения производится с помощью гребенок 2 на кривошипе и корпусе машины, т. к. несмотря на са- мотормозящие свойства червячных передач нельзя допустить пере- дачу на них динамических нагрузок, воспринимаемых направляю- щим колесом при движении (особенно при преодолении препят- ствий). Ввод и вывод гребенки кривошипа из зацепления с корпусом производится в одном механизме с помощью второй чер- вячной пары 3 и винтового механизма 4. Винтовые механизмы натяжения могут найти применение в ос- новном в гусеничном движителе с задним расположением направ- ляющих колес при несущем его положении. Изменение натяжения гусениц необходимо осуществлять в сле- дующих случаях: а) при монтаже и демонтаже гусеницы; б) при необходимости увеличить натяжение гусеницы, упавшее вследствие износа шарниров (осуществляется периодически). в) при изъятии из гусеницы одного из траков, когда износ шар- ниров достиг такого предела, что дальнейшее ее натяжение стано- вится невозможным, так как направляющее колесо достигло своего предельного положения; г) при замене траков из-за их разрушения; д) при изменении условий движения, требующих различного натяжения гусениц. Из вышеизложенного вытекает и требование к механизму натя- жения: а) легкое и удобное натяжение гусеницы усилиями одного члена экипажа; б) плавное регулирование положения оси направляющего коле- са, минимальные интервалы между его фиксированными положе- ниями; 383 в) обеспечение хода направляющего колеса в пределах, доста- точных для удаления из гусеницы не менее одного трака; г) изменение натяжения гусеницы на ходу машины в зависимо- сти от изменяющихся условий движения. Последнее требование при использовании описанных типов ме- ханизмов натяжения не может быть выполнено, хотя оно является очень важным, т. к. проходимость гусеничной машины находится в определенной зависимости от силы предварительного натяжения гусениц. Так, при движении по хорошим дорогам с большой скоро- стью величина натяжения должна гарантировать неспадание гусе- ниц и в то же время не быть слишком большой во избежание чрез- мерного износа шарниров и увеличения потерь мощности в движи- теле. При движении по грязи из-за ее налипания на гусеницах и ве- дущих и направляющих колесах гусеницу «распирает», натяжение ее возрастает. Для того чтобы это натяжение при движении машины не превзошло допустимых пределов, предварительное натяжение гусениц должно быть уменьшено. Максимальное натяжение гусениц должно быть обеспечено при движении машины по топким грунтам с целью предельно возможного выравнивания удельных давлений под гусеницами, что будет способствовать повышению проходимо- сти. Увеличение потерь мощности и износ шарниров в этом случае существенного значения не имеют. Регулирование натяжения гусениц на ходу машины может быть обеспечено с помощью гидравлического механизма натяжения. Гид- равлический цилиндр может устанавливаться в кривошипной схеме вместо винтовой стяжки. Гидравлический цилиндр должен иметь гидрозамок, отсекающий определенное количество жидкости в ци- линдре как под поршнем, так и над ним и тем фиксирующий поло- жение поршня, кривошипа, оси направляющего колеса и, следова- тельно, натяжение гусеницы. 19.6. Опорные и поддерживающие катки Основные требования. К опорным каткам быстроходных гусе- ничных машин предъявляются следующие основные требования: а) прочность и длительная работоспособность в тяжелых услови- ях эксплуатации, способность амортизировать удары, снижать ди- намические нагрузки на гусеничный движитель; 384 б) минимальный вес (вес лучших катков с резиновой шиной до- стигает 7 % от величины статической нагрузки на каток; вес катков с внутренней амортизацией составляет 5 % от статической нагрузки); в) подшипниковый узел должен обеспечивать заданную долговеч- ность в условиях работы с большими боковыми усилиями (при по- вороте машины) и иметь надежные уплотнения, предохраняющие как от вытекания смазки из него, так и от проникновения снаружи пыли, грязи и влаги; г) обеспечение возможности движения машины (с малыми ско- ростями) при разрушении резиновой шины. Эти требования обеспечиваются выбором типа опорного катка и степенью совершенства его конструкции. Типы опорных катков. Опорные катки современных гусеничных машин можно разделить на следующие три типа:  с наружной резиновой шиной (рис. 19.8, а);  с внутренней амортизацией (рис. 19.8, б);  жесткие цельнометаллические (рис. 19.8, в). Рис. 19.8. Типы опорных катков Каток каждого из этих трех типов может быть одинарным, двой- ным и тройным. Наиболее рациональный тип катка – двойной; по 385 сравнению с одинарным он обеспечивает хорошую устойчивость гусеницы на опорной поверхности и меньшие удельные нагрузки на обод катка. Тройные катки применяются редко, при очень больших нагрузках на каток (тяжелые машины). Одинарные катки применя- ются на машинах легкого типа, когда мала нагрузка, приходящаяся на один каток. Вес гусеницы при этом несколько возрастает, так, как на каждом траке требуются два направляющих гребня. В зависимости от диаметра опорные катки разделяются на две группы: малого диаметра (500–600 мм); они не полностью вписы- ваются в гусеничный обвод и требуют установки поддерживающих катков; большого диаметра (700–800 мм), при которых поддержи- вающие катки не требуются. 20. Субконтрактация при конструировании строительных и дорожных машин Причины неконкурентоспособности отдельных отечественных ма- шин кроются и в организации строительного и дорожного машино- строения, которое сегодня находится в основном в подчинении раз- личных немашиностроительных министерств и ведомств. В структу- ре управления этих ведомств отсутствуют машиностроительные под- разделения, т. е. отсутствуют координация и специалисты-машино- строители. Оборудование, на котором производятся машины обнов- ляется слабо. Часто машиностроительное предприятие стремится чуть ли не все узлы машины производить у себя, что привело к большой численности работающих и невысокому качеству, высокой себесто- имости производства, а потребность республики в таких машинах невелика и часто требуются мелкие их серии. В то же время мировой опыт показывает на эффективность метода субконтрактации при производстве дорожно-строительных машин. Субконтрактация представляет собой форму кооперационного со- трудничества между промышленными предприятиями. Этот метод, позволяет предприятиям достичь высокой эффективности производ- ства благодаря разделению труда, специализации, рациональному ис- пользованию имеющихся производственно-технологических мощно- стей и оптимизации использования всех ресурсов. Сущность субкон- трактации состоит в следующем: контрактор поручает одному или 386 нескольким предприятиям производство деталей, комплектующих или узлов, необходимых для производства конечного продукта-ма- шины. Субконтрактор производит работы в соответствии с техниче- скими требованиями, предоставленными контрактором. Таким образом, контрактор – головное, сборочное предприятие с минимально необходимыми собственными производственными мощностями. Как правило, предприятия-контракторы сохраняют за собой такие важнейшие элементы производственного цикла, как НИОКР, промышленный дизайн, маркетинг, сборку, окраску, налад- ку, упаковку и лишь отдельные производства, наиболее выгодные или несущие в себе элементы новизны. Производственный процесс контрактора предусматривает передачу большей части работ суб- контракторам, поставляющим комплектующие, выполняющим ра- боты по заказу. Таким образом, субконтрактор-предприятие, изго- тавливающее и поставляющее по заказу и в соответствии с указани- ями контрактора продукцию – узлы, комплектующие. Для контрактора важнейшим преимуществом является возмож- ность сконцентрировать усилия и ресурсы на стратегических направ- лениях своей деятельности. Это резко сокращает сроки постановки на производство новых машин, облегчает процесс их сертификации, повышает производительность труда и конкурентоспособность пред- приятия. Для того, чтобы повысить эффективность уже действую- щих белорусских заводов строительного и дорожного машиност- роения, необходимо имеющийся и недостаточно задействованный их потенциал направить на выпуск запасных частей к уже эксплуа- тируемым машинам. Поскольку более половины парка строительных и дорожных ма- шин в Беларуси эксплуатируется с истекшим сроком службы, необ- ходимо перейти к его активному обновлению новыми эффективны- ми машинами, произведенными по методу субконтрактации. В Беларуси уже определился ряд предприятий, выпускающих дорожно-строительные машины, которые успешно выполняют функ- цию контракторов, выпуская качественно новые виды машин, пре- имущественно многофункциональные (БМЕ-Дизель, Святовит и др.). 387 Литература 1. Александров, М. П. Грузоподъемные машины : учебник для вузов / М. П. Александров. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. – Высшая школа, 2000. – 551 с. 2. Александров, М. П. Грузоподъемные машины : учебник для вузов / М. П. Александров, Л. Н. Колобов, Н. А. Лобов ; под ред. М. П. Александрова. – М. : Машиностроение, 1986. – 400 с. 3. Дорожно-строительные машины : [учебник для специальности «Строительство дорог и транспортных объектов» вузов] / А. В. Ва- вилов [и др.] ; под общ. ред. А. М. Щемелева. – Минск : Техно- принт, 2000. – 515 с. 4. Добронравов, С. С. Строительные машины и оборудование : справочник / С. С. Добронравов, М. С. Добронравов. – 2-е изд., пе- рераб. и доп. – М. : Машиностроение, 2006. – 448 с. 5. Орлов, П. И. Основы конструирования : справочно-методиче- ское пособие : в 2 кн. – Кн. 1. / П. И. Орлов ; под. ред. П. Н. Учаева. – 3-е изд., испр. – М. : Машиностроение, 1988. – 560 с. 6. Орлов, П. И. Основы конструирования: справочно-методиче- ское пособие : в 2 кн. – Кн. 2. / П. И. Орлов ; под. ред. П. Н. Учаева. – 3-е изд., испр. – М. : Машиностроение, 1988. – 544 с. 7. Расчет и конструирование гусеничных машин / Н. А. Носов [и др.] . – М. : Машиностроение, 1972. – 560 с. 8. Барский, И. Б. Конструирование и расчет тракторов / И. Б. Бар- ский. – М. : Машиностроение, 1980. – 337 с. 388 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 3 ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ................ 5 1. Понятие конструирования ............................................................. 5 1.1. Задачи конструирования ......................................................... 5 1.2. Экономические основы конструирования машин ................. 5 1.3. Эксплуатационная надежность ............................................ 9 1.4. Образование производных машин на базе унификации ..... 15 1.5. Уменьшение номенклатуры объектов производства ........ 21 1.6. Ряды предпочтительных чисел ............................................ 24 1.7. Общие правила конструирования ........................................ 28 2. Методика конструирования ......................................................... 33 2.1. Конструктивная преемственность .................................... 34 2.2. Изучение сферы применения машин .................................... 36 2.3. Выбор конструкции ............................................................... 37 2.4. Метод инверсии ..................................................................... 42 2.5. Компонование ......................................................................... 46 3. Масса и материалоемкость конструкций машин ....................... 49 3.1. Рациональные сечения ........................................................... 50 3.2. Прочность и жесткость профилей .................................... 52 3.3. Равнопрочность ..................................................................... 54 3.4. Облегчение деталей ............................................................... 55 3.5. Листовые штампованные конструкции ............................. 59 3.6. Влияние вида нагружения ..................................................... 59 3.7. Совершенство конструктивной схемы ............................... 60 4. Жесткость конструкций машин ................................................... 63 4.1. Критерии жесткости .......................................................... 65 4.2. Факторы, определяющие жесткость конструкций ......... 67 4.3. Конструктивные способы повышения жесткости .......... 69 4.4. Жесткость машиностроительных конструкций .............. 77 5. Сопротивление усталости ............................................................ 95 5.1. Концентрация напряжений .................................................. 97 5.2. Повышение циклической прочности .................................. 103 5.3. Конструирование циклически нагруженных деталей ..... 105 6. Тепловые взаимодействия ......................................................... 111 6.1. Тепловые напряжения ......................................................... 112 6.2. Тепловые деформации ......................................................... 122 7. Конструирование узлов и деталей ............................................ 124 389 7.1. Унификация конструктивных элементов ......................... 124 7.2. Унификация деталей ........................................................... 126 7.3. Принцип агрегатности ....................................................... 127 7.4. Устранение подгонки .......................................................... 128 7.5. Устранение и уменьшение изгиба ...................................... 129 7.6. Устранение деформаций при затяжке ............................. 130 7.7. Компактность конструкции .............................................. 133 7.8. Принцип самоустанавливаемости ..................................... 137 7.9. Бомбинирование ................................................................... 141 7.10. Сопряжение по нескольким поверхностям ..................... 142 7.11. Затяжка по двум поверхностям ...................................... 143 7.12. Осевая фиксация деталей ................................................. 144 7.13. Ведение деталей по направляющим ................................. 145 7.14. Привалочные поверхности ................................................ 146 7.15. Стыкование по скрещивающимся плоскостям .............. 146 7.16. Точность взаимного расположения деталей ................. 147 7.17. Буртики .............................................................................. 148 7.18. Фаски и галтели ................................................................. 150 8. Конструирование литых деталей .............................................. 158 8.1. Толщина стенок и прочность отливок.............................. 158 8.2. Формовка .............................................................................. 159 8.3. Отливки, формуемые без применения стержней ............ 164 8.4. Стержни .............................................................................. 165 8.5. Формовочные уклоны .......................................................... 167 8.6. Усадка ................................................................................... 168 8.7. Внутренние напряжения ..................................................... 168 8.8. Одновременное затвердевание ........................................... 169 8.9. Направленное затвердевание ............................................. 170 8.10. Правила конструирования ................................................ 171 8.11. Нанесение размеров ........................................................... 173 9. Конструирование механически обрабатываемых деталей ..... 176 9.1. Сокращение объема механической обработки ................. 179 9.2. Перевод на ковку и штамповку .......................................... 181 9.3. Составные конструкции ..................................................... 182 9.4. Устранение излишне точной обработки .......................... 185 9.5. Обработка напроход ........................................................... 185 9.6. Выход обрабатывающего инструмента .......................... 189 9.7. Подход обрабатывающего инструмента ......................... 189 9.8. Разделение поверхностей, обрабатываемых с разной точностью ............................................................ 191 9.9. Отделение обрабатываемых поверхностей от черных .. 195 390 9.10. Обработка с одного установа ......................................... 196 9.11. Совместная обработка в сборе ....................................... 198 9.12. Перенос профильных элементов на охватываемые детали ................................................................................ 198 9.13. Фрезерование по контуру ................................................. 198 9.14. Снятие фасок на фигурных поверхностях ...................... 200 9.15. Обработка углубленных поверхностей ........................... 201 9.16. Обработка бобышек в корпусах ...................................... 202 9.17. Обработка отверстий ...................................................... 203 9.18. Сокращение номенклатуры обрабатывающего инструмента ..................................................................... 205 9.19. Измерительные базы ......................................................... 206 9.20. Повышение производительности обработки ................. 208 10. Сборка узлов и агрегатов машин ............................................ 209 10.1. Осевая и радиальная сборка ........................................... 211 10.2. Независимая разборка ..................................................... 219 10.3. Последовательность сборки .......................................... 220 10.4. Съемные устройства ...................................................... 221 10.5. Сборочные базы ............................................................... 222 10.6. Исключение возможности неправильной сборки ......... 224 10.7. Подвод монтажного инструмента ............................... 224 10.8. Такелажирование ............................................................. 226 11. Обеспечение удобства технической эксплуатации ............... 227 11.1. Защита от повреждений................................................ 230 11.2. Блокирующие устройства .............................................. 230 11.3. Внешний вид и отделка машин ....................................... 231 12. Соединение деталей сваркой ................................................... 233 12.1. Виды сварных соединений ............................................... 235 12.2. Правила конструирования .............................................. 236 12.3. Повышение прочности сварных соединений ................. 247 12.4. Сварные рамы .................................................................. 251 12.5. Сварные узлы ферм .......................................................... 253 13. Конструирование разъемных соединений .............................. 256 13.1. Виды крепежных соединений ......................................... 256 13.2. Болты................................................................................ 258 13.3. Ввертные болты .............................................................. 262 13.4. Шпильки ............................................................................ 263 13.5. Винты ............................................................................... 267 13.6. Гайки ................................................................................. 271 13.7. Штифты .......................................................................... 272 13.8. Опорные поверхности под гайки (головки болтов), места под ключи .............................................................. 276 ЧАСТЬ II. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ АГРЕГАТОВ И СИСТЕМ МАШИН ........................................................................ 279 14. Силовой агрегат ........................................................................ 279 14.1. Общие сведения ................................................................ 279 14.2. Системы питания двигателя ......................................... 286 14.3. Системы охлаждения двигателя ................................... 292 14.4. Система смазки ............................................................... 303 14.5. Системы подогрева и пуска двигателя ......................... 308 15. Конструирование фрикционных узлов трансмиссий ............ 314 15.1. Общие сведения ................................................................ 314 15.2. Фрикционные материалы ............................................... 318 15.3. Расчет основных типов фрикционных узлов ................ 321 16. Конструирование коробок передач с неподвижными осями ............................................................ 328 16.1. Общие сведения ................................................................ 328 16.2. Конструктивные особенности коробок передач ......... 331 16.3. Смазка и уплотнение коробок передач .......................... 339 16.4. Синхронизаторы .............................................................. 342 17. Конструирование бортовых передач ...................................... 345 17.1. Общие сведения ................................................................ 345 17.2. Схемы и конструктивные особенности бортовых передач............................................................ 348 17.3. Особенности расчета бортовой передачи ................... 352 18. Конструирование колесных ходовых частей ......................... 353 18.1. Ведущие и направляющие колеса ................................... 353 18.2. Передние оси колесных машин ....................................... 357 19. Конструирование гусеничных движителей ............................ 367 19.1. Общие сведения ............................................................... 367 19.2. Гусеничные цепи с шарниром сухого трения ................ 373 19.3. Гусеничные цепи с резинометаллическим упругим шарниром .......................................................................... 374 19.4. Ведущие колеса ................................................................ 375 19.5. Направляющие колеса и натяжные механизмы .......... 380 19.6. Опорные и поддерживающие катки ............................. 383 20. Субконтрактация при конструировании строительных и дорожных машин ................................................................... 385 Литература .......................................................................................... 387 Учебное издание ВАВИЛОВ Антон Владимирович КОТЛОБАЙ Анатолий Яковлевич КОТЛОБАЙ Андрей Анатольевич ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН Учебно-методическое пособие Редакторы Е. О. Коржуева, В. О. Кутас Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 06.08.2012. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 22,79. Уч.-изд. л. 17,82. Тираж 100. Заказ 30. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.