Инженер начинается в шлоле

Конструирование машин, а в равной степени и действующих моделей — дело ответственное и трудное. Оно требует системы и аккуратности в работе и от тех, кто занимается конструированием давно, и особенно от тех, кто берется за дело впервые. Знания одной теории недостаточно, гораздо важнее уметь применять ее на деле. Необходим практический навык, знакомство с другими существующими конструкциями и машинами, умение оценивать их критически. Все, что собираешься конструировать, следует вначале четко представить себе, а потом уже перенести мысли на бумагу, на чертеж. Проектирование машины, как правило, начинается с конструктивной разработки ее общего вида и сложных узлов, а также с расчета основных размеров. Далее следует разработка рабочих чертежей деталей и их расчет. Расчет и разработка чертежей ведутся параллельно. Рационально спроектированная и правильно построенная машина должна быть: надежной, то есть прочной й долговечной; экономичной в работе, то есть потреблять возможно меньше топлива, масла, энергии, воды; удобной в эксплуатации и доступной для ремонта; долговечной, то есть иметь возможно больший моторесурс — период между очередными ремонтами; безопасной в эксплуатации и ремонте; устойчивой против аварии, то есть не содержащей узлов и деталей, повреждение которых быстро выводит из строя всю конструкцию; технологичной, то есть простой в изготовлении. Для того чтобы ясно представить себе всю конструкцию машины, перед разработкой ее общего вида полезно сделать чертеж в аксонометрической проекции от руки так, чтобы были понятными лишь общие очертания машины. Чертежи же общего вида следует сделать в масштабе или в натуральную величину с обязательной простановкой основных размеров. Определение размеров детали производится главным образом на основании расчета действующих на нее внешних усилий по формулам сопротивления материалов. При этом обязательно учитывается, что каждая деталь должна быть не только прочной, но и долговечной. Следовательно, напряжение в ней нигде не должно превышать допускаемого, а деформация должна быть только упругой. Таков основной инженерный принцип расчета. Но помимо того есть еще очень много факторов, незначительных на первый взгляд, но способных на практике сыграть решающую роль. К примеру, важную роль играет скорость машины. Неточности изготовления, которые в машине, работающей на малой скорости, допустимы, при больших скоростях работы могут привести к катастрофическим последствиям. Вот почему при проектировании скоростных машин видоизменяют конструкцию, вводят в нее упругие звенья, амортизаторы, глушители колебаний, излишние в машинах тихоходных. Учтя все эти факторы, можно приступать к вычерчиванию рабочих чертежей по чертежу общего вида и узлов. Не следует, однако, медлить с вычерчиванием до полного окончания всех расчетов. Эту ошибку допускают все начинающие конструкторы, в результате они бесполезно тратят время и труд на многократные переделки. На каждом шагу при вычерчивании машины их подстерегают неожиданности и недоразумения. Повторим для них еще раз: расчет и вычерчивание конструкции должны идти параллельно. Как только будет обнаружена ошибка или найдется новое, лучшее решение уже проработанной детали — переделайте, не колеблясь, ваш чертеж. Стереть и вычертить заново несколько карандашных линий гораздо быстрее и проще, чем впоследствии заново изготавливать деталь. Запомните три основных правила проектирования: а) после уяснения для себя схемы механизма на эскизе приступайте к вычерчиванию его сразу же, как только расчет даст вам достаточно данных, при этом получаемые данные тотчас проверяйте на чертеже, не откладывая начала вычерчивания до конца расчетов; б) не увлекайтесь чрезмерной точностью расчетов, основанных на формулах сопротивления материалов (допускаемые напряжения, коэффициенты трения и пр.), так как в этих формулах многие величины берутся приближенно и меняются в широких пределах; для нас вполне достаточна точность (до 5%), которую дает логарифмическая линейка; в) при проектировании старайтесь по возможности использовать в конструкциях простые геометрические формы и их комбинации, ибо их легче получить при обработке деталей на обычных станках.

Под действием внешних сил элементы конструкции и вся она целиком в большей или меньшей степени изменяют свою форму и размеры. Это изменение формы и размеров называется деформацией. Основные типы деформаций (рис. 15). 1. Растяжение (А) или сжатие (Б) — его испытывают цепи, канаты, тросы, колонны, элементы в фермах (мостов). 2. Перерезывание (В) — ему подвержены болты, винты, заклепки. 3. Кручение (Г) — возникает при работе валов. 4. Изгиб (Д) — ему подвергаются различные балки. Деформации разделяются на упругие и остаточные. Упругими деформациями называются такие, которые появляются под влиянием внешних сил и исчезают после того, как эти силы перестают действовать. После того как внешняя сила, вызвавшая упругую деформацию, прекращает свое действие, деформированный элемент восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. Этот вид деформации всем хорошо знаком на примере дверной пружины. Чем шире открываешь дверь, тем сильнее растягивается пружина, а Рис. 15. Основные типы деформаций. как только дверь отпустишь, пружина сожмется до первоначальной длины: дверь закроется со стуком. Упругая деформация материала возможна только до определенного предела. Если величина нагрузки превысит этот предел, то после «разгрузки» элемент (изделие) своей первоначальной формы полностью не восстановит, а так и останется деформированным. Примером служит та же пружина: повесишь на нее груз потяжелее, она вытянется, но уже не сожмется после снятия груза. Эта деформация и называется остаточной. Максимальное напряжение, при котором начинается разрушение материала, называется пределом прочности, или временным сопротивлением материала. Предельное напряжение, при котором деформированный элемент после снятия деформирующего усилия восстанавливает свою первоначальную форму, называется пределом упругости. Превышение предела упругости вызывает остаточную деформацию. В тех случаях, когда конструкция должна сохранять свою форму неизменной, необходимо рассчитать размеры каждого элемента так, чтобы его деформация под действием нагрузки не превышала предела упругости. Выбирая материал и размеры того или иного элемента конструкции, необходимо учитывать, чтобы возникающие при работе напряжения были меньше тех, при которых материал разрушается или получает остаточные деформации. Иначе говоря, деформации всегда должны быть упругими а напряжение — меньше предела упругости материала, из которого элементы конструкции изготовлены.

Если какой-либо элемент конструкции растягивать (или сжимать) силой Ркг(в системе СИ-ньютонов), в нем возникнут внутренние напряжения, которые легко найти по формуле: При инженерных расчетах приходится определять сечение конструктивного элемента по заданной или вычисленной нагрузке. Размеры сечения установить легко, если известно допускаемое напряжение выбранного ддя конструкции материала или если известен коэффициент запаса прочности. Обычно допускаемые напряжения для статической (I) и динамической (II) нагрузок различны (табл. 1). Надо иметь в виду, что большинство применяемых в технике материалов (за исключением чугуна и бетона) сжатию сопротивляются гораздо хуже, нежели растяжению. Пример. Юные техники пионерского лагеря взялись изготовить для колхозной фермы подъемный кран-укосину грузоподъемностью в одну тонну для разгрузки автомашин (рис. 17). Просчитать на прочность составляющие кран стержни. Пользуясь правилом разложения сил, определяем, что наклонный стержень 1 будет растянут силой 2000 кг, а горизонтальный стержень 2 — сжат силой 1740 кг. Стержень изготовлен был из стали СтЗ; ее допускаемое напряжение при динамической нагрузке 300 кг/см2. Исходя из этого, найдем поперечное сечение стержня : а дальше вести расчет, как обычно. Но на конечный результат это не повлияло бы). Напряжение растяжения в технике иногда называют разрывным напряжением, но это не совсем верно. Разрывное напряжение — это уже предел прочности материала, напряжение разрушения. Его можно считать разновидностью напряжения растяжения, предельным случаем растяжения. Заклепки, болты, оси шарниров, шпонки и многие другие детали работают в условиях, при которых действующие на них силы стремятся перерезать их, сдвинуть одну часть детали относительно другой. Познакомимся с примером расчета на прочность при сдвиге. Пример. В пионерском лагере решили построить качели с платформой в виде четырехместной лодки (рис. 18). Тре- Перерезывание (сдвиг) бует<ся рассчитать диаметр оси шарнира, на котором лодка подвешена к перекладине (см. узел «А»). Материал оси — сталь СтЗ. Лодка рассчитана на 4 человека, но может случиться так, что в лодку набьются сколько влезет. Будем считать, что влезет втрое больше, то есть 12 человек, и все взрослые. Средний вес взрослого человека принимаем равным 80 кг, вес лодки — 100 кг. Полная нагрузка на оба шарнира составит: 12X80+100=1060 кг (10,6 кН в системе СИ), а нагрузка на один шарнир 530 кг (5,3 кН в системе СИ). с)та сила стремится перерезать ось шарнира по двум плоскостям (аа и бб). Допускаемое напряжение на срез обычно принимаем равным 0,8 от допускаемого напряжения на разрыв. Учитывая, что нагрузка в данном случае динамическая, допускаемое напряжение на разрыв принимаем равным 300» кг/см2. Следовательно, допускаемое напряжение на срез составит: 0,8×300=240 кг/см2 (или 23,5 МПа). Суммарная (общая) площадь сечения по двум плоскостям должна составить: Площадь сечения по одной плоскости, то есть площадь сечения оси шарнира: Такой диаметр оси шарнира обеспечивает ему необходимую прочность, но, учитывая, что качели строят на открытом воздухе, металл подвергается действию атмосферных осадков и ржавеет, а кроме того, ось нередко будут забывать смазывать, и она постепенно будет истираться, принимаем с запасом: Этот диаметр оси обеспечит ее прочность на перерезывание (сдвиг). Передача нагрузки на ось шарнира происходит путем нажатия на него стенок отверстия проушины шарнира, поэтому необходимо произвести проверку шарнира еще и на смятие. Поверхность отверстия проушины, работающей на смятие, принимаем равной произведению диаметра оси на толщину проушины. Примем толщину проушины равной диаметру оси, тогда «сминаемая» поверхность Допускаемое напряжение смятия обычно принимают в два раза больше допускаемого напряжения на разрыв, что в нашем случае составит: и значительно меньше допускаемого, то опасности разрушения шарнира от смятия поверхности оси и стенок проушины нет. Деревянные детали в строительстве часто соединяют при помощи врубок. Они также подвер
гаются деформации сдвига. Дерево — материал неоднородный, одним и тем же деформациям оно оказывает различное сопротивление в зависимости от того, как направлены действующие силы по отношению к волокнам. Сопротивление скалыванию вдоль волокон значительно больше сопротивления скалыванию поперек волокон. Это необходимо учитывать при соединении деталей врубкой, располагая их так, чтобы силы были направлены (рис. 19) вдоль волокон.