Детали и механизмы приборов - справочник. Страница 1

ДЕТАЛИ И МЕХАНИЗМЫ ПРИБОРОВ
Киев
«Техшка» ДЕТАЛИ И МЕХАНИЗМЫ ПРИБОРОВ СПРАВОЧНИК 2-е издание, переработанное и дополненное «Техника» УДК 681.2 Детали и механизмы приборов: Справочник / Б. М. Уваров, Д38 В. А. Бойко, В. Б. Подаревский, JI. И. Власенко.— 2-еизд., перераб. и доп.— К : Техшка, 1987.— 343 с., ил.— Библиогр.:G. 336—338.— (В пер.): 1 р. 80 к., 10 000 экз. В справочнике содержатся данные, необходимые при проектировании передаточных механизмов приборных и вычислительных систем, регулирующих и управляющих комплексов Для всех механизмов и их узлов приведены способы расчета основных функциональных параметров. Во втором издании особое внимание уделено оптимизации параметров механизмов о помощью ЭВМ и методам автоматизированного проектирования конструкций. Рассчитан на инженерно-технических работников приборостроительной промышленности, а также может быть полезен студентам вузов соответствующих специальностей. д 2706000000-100 114.87    34.9я2 М202(04>-87 Авторы: Б. М. Уваров, В. А. Бойко, В. Б. Подаревский, JI. И. Власенко Рецензенты: д-р техн. наук К. И. Гуляев, канд. техн. наук В. М. Живов Редакция литературы по энергетике, электронике, кибернетике и связи Зав. редакцией 3. В. Божко © Издательство «Техшка», 1978 © Издательство «Техшка», 1987, с изменениями ПРЕДИСЛОВИЕ В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986— 1990 годы и на период до 2000 года предусмотрено «опережающими темпами осуществлять изготовление высоконадежных систем промышленной автоматики на базе электроники... Особое внимание уделить развитию научного приборостроения, оснащению научно-исследовательских, проектных, конструкторских и технологических организаций современными приборами и средствами автоматизации» 1. Точные механизмы входят в состав любого автоматизированного комплекса, являясь частью силовых приводов, устройств регистрации и воспроизведения информации, автоматических манипуляторов и т. д. Проектирование таких механизмов имеет свою специфику, а по конструкции они часто существенно отличаются от механизмов общего машиностроения, имеющих аналогичные целевые функции. Развитие механических устройств систем управления и регулирования идет в направлении непрерывного повышения требований к их параметрам, увеличения интенсивности нагрузок вследствие миниатюризации аппаратуры, применения механизмов с особыми кинематическими характеристиками (периферийное оборудование ЭВМ, механизмы систем регистрации и воспроизведения информации и т. п.). Поэтому весьма существенна роль научно обоснованного проектирования точных механизмов, совершенствования методов разработки перспективных кинематических схем, расчета на стадии проектирования параметров качества — точности, прочности, надежности. Излагая современные методы проектирования механизмов приборов и систем управления, авторы исходили из представления о том, что целевая функция, вместе с требованиями к основным параметрам, в конечном счете определяет структуру механизма, его кинематическую схему и конструкцию. Интенсивное развитие методов автоматизированного проектирования технических устройств с помощью ЭВМ требует формализации и математизации проектных процедур, поэтому все зависимости между параметрами авторы стремились представить в виде аналитических или аппроксимирующих выражений, сократив до минимума графики и номограммы. Предлагаемые комплексные критерии качества конструкции, объединяющие большинство единичных показателей качества (массовые характеристики, кинематическую точность, показатели прочности, долговечности, технологичности и т. д.), при ав• томатизированном проектировании служат целевой функцией, позволяющей проводить параметрическую оптимизацию разрабатываемого устройства. Значительное место а справочнике уделено примерам конструкций точных механизмов и их узлов. Работа над справочником распределилась между авторами следующим образом: гл. 1, 6—10 написаны Б. М. Уваровым, гл. 2, 3, 12—14 — В. А. Бойко, гл. 4 и 5 — В. Б. Подаревским, гл. И — Л. И. Власенко и В. Б. Подаревским совместно. Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252601, Киев, 1{ Крещатикг 5, издательство «Техшка». Глава 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ 1.    ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ В большинстве современных автоматизированных или измерительных комплексов имеется особый класс технических устройств — механизмы, необходимость в которых возникает в том случае, когда для осуществления общей или частной целевых функций устройства необходимо механическое перемещение. Источником движения в приборе является преобразователь энергии какого-либо вида в механическую — двигатель (электрический, гидравлический, тепловой и т. п.), измерительный преобразователь (датчик) или человек-оператор. Потребитель энергии — устройство, для функционирования которого необходима энергия механического перемещения. Параметры движения выходного звена преобразователя энергии и входного потребителя в большинстве случаев неодинаковы; перемещения, скорости, ускорения и их характер могут быть различными; в этом случае и появляется потребность в передаточном механизме — устройстве для согласования параметров и для передачи движения от преобразователя энергии к ее потребителю. Целевая функция механизма определяет структуру и кинематические его свойства, т. е. состав и характер внутренних кинематических связей. Эти наиболее общие структурно*кинематические свойства можно обеспечить различными кинематическими цепями; кроме того, на практике часто воспроизводят закон движения на выходе механизма приближенно, с допустимой погрешностью. Поэтому для выполнения одной и той же целевой функции можно использовать механизмы, имеющие различную внутреннюю структуру. При проектировании из множества возможных принимают к разработке тот вариант, который позволит получить наилучшие эксплуатационные, конструктивно-технологические и экономические показатели механизма. Эксплуатационные показатели определяют качество выполнения целевой функции в течение всего срока эксплуатации: погрешности параметров механизма, КПД, надежность, простоту управления и обслуживания, ремонтопригодность, габариты и массу. Конструктивно-технологические показатели — защищенность от внешних механических и климатических воздействий, т. е. от влияния окружающей среды; конструктивное совершенство, технологичность. Экономические показатели — стоимость разработки, изготовления и эксплуатации устройства. Проектирование можно разделить на три уровня: а) структурно-кинематический; б) конструкторско-технологический; в) эксплуатационный. Каждый из последующих уровней расширяет круг решаемых при проектировании задач и степень их детализации. Структур но-кинематический уровень проектирования. Определение структуры и механизма и его кинематических характеристик. Структура механизма — число звеньев и кинематических пар, характер соединения их друг с другом, степень подвижности. С точки зрения внутренней структуры можно выделить два типа механизмов — структурно-элементарные и структурно-сложные. Структурно-элементарные — функционально завершенные механизмы, осуществляющие частные целевые функции преобразования и передачи движения по определенному закону, объединенные в группы по характерным признакам основных кинематических пар. Такими элементарными механизмами являются рычажные, у которых звенья, обычно стержневого типа, соединены только вращательными или поступательными парами с одной степенью подвижности; зубчатые — основные кинематические пары образованы профилями зубьев; кулачковые —-элементом кинематической пары является часть звена специального профиля — кулачка и т. п. В состав структурно-сложных механизмов входят несколько элементарных с различными кинематическими признаками. Например, комбинируя зубчатый и рычажный механизмы, можно получить планетарный с несколькими степенями подвижности или обладающий расширенным диапазоном передаточного отношения. Кинематические свойства определяются кинематическими характеристиками, т. е. зависимостями, связывающими положения срх и фЛ, скорости CDj и co„ и ускорения £х и гп для входного и выходного звеньев соответственно. Основные кинематические характеристики: функция положения <рЛ = П (q^), функция скорости со/г/со1 = = ГГ (cpj), функция ускорения гп/(о\ — ГГ (q^). Если известен закон движения ведущего звена, например, в виде функции = (pj (/), где t — время, функция положения П (фх) преобразуется в уравнение движения ведомого звена. Широко используют также передаточное отношение iln = c^/co^, т. е. функцию, обратную функции скорости: iUl = 1/11' (фх). Функции скорости и ускорения — производные функции положения. Так, функция скорости -^r==(0n=-w[U (cpi)1 = п'(ф1) ^dh=п'(Фг) функция ускорения м-р-
_ d Гц'/фЛ JJEl.1 dt* ~ dt [U (<Pl) dt \ = п"(Ф1)(-^-)2+п'
Вторые производные перемещений звеньев, поэтому — это ускорения ведущего е2 и ведомого гп
е„ = П" (ер,) (0[ + ГГ (tpi) е0 При ©! = const ех = 0, и функция ускорения ГГ (фх) определяет отношение ускорений ГГ (фх) = e^/cof, где со^ — аналог нормального ускорения ведущего звена. Конечной целью структурно-кинематического синтеза является создание схемы механизма, с заданной точностью воспроизводящего требуемые кинематические характеристики. В большинстве случаев решение основной задачи при проектировании можно достигнуть комбинированием в устройстве элементов и структур с различными отличительными признаками. При этом для выявления всех возможных комбинаций и получения оптимального решения целесообразно использовать метод построения морфологической (т. е. отражающей форму или структуру) матрицы технических решений. Сущность метода заключается в следующем: а) формируют обобщающие, систематизирующие представления о каком-либо свойстве создаваемого изделия — организующие понятия; б) в каждом организующем понятии выделяют отличительные признаки; в) комбинируют в проектируемом изделии организующие понятия с различными отличительными признаками. Совокупность комбинаций, охватывающая все возможные сочетания отличительных признаков, образует многомерную матрицу технических решений, каждое из которых отвечает основной целевой функции изделия. Анализ полученных решений позволяет выбрать оптимальный вариант устройства [75]. Синтез трехкоординатных манипуляторов с помощью морфологической матрицы иллюстрирует рис. 1.1. Разрабатываются манипуляторы, имеющие три степени подвижности рабочего органа; звенья должны соединяться кинематическими парами только 5-го класса — вращательными или поступательными. Организующие понятия в данном случае — соединения звеньев, а отличительные признаки — характер относительного перемещения звеньев в парах: вращательное (знак Q или поступательное (знак->). Полученные в результате синтеза схемы манипуляторов приведены в табл. 1.1, которая представляет развертку на плоскость трехмерной матрицы, изображенной на рис. 1.1. Рис. 1.1. Морфологическая матрица синтеза трехкоординатного манипулятора
В дальнейшем, в процессе проектирования последовательно используют все более конкретизированные отличительные признаки, определяющие форму и размеры звеньев, виды кинематических пар и обеспечивающие воспроизведение заданных кинематических характеристик механизма. Конструкторско-технологический уровень проектирования. Это конструирование механизма, т. е. процесс разработки технических путей реализации структуры и кинематических связей в виде системы взаимодействующих деталей и узлов. Результат конструирования — комплект конструкторской и технологической документации, обеспечивающей изготовление реального механизма Конструктивные и технологические факторы тесно связаны друг с другом — при проектировании конфигурация деталей и выбор материала в значительной степени определяют характер технологического процесса, причем иногда требуется разработка совершенно новых технологических методов получения деталей и сборки узлов. В то же время возможности этих процессов позволяют по-новому подойти к конструированию деталей. Например, разработка электроискрового или лазерного методов позволила изготовлять детали, получение которых ранее считалось невозможным. При конструировании особенно эффективно применять морфологические матрицы технических решений. Конструктивные отличительные признаки очень разнообразны, поэтому при их комбинировании можно получать различные варианты решений, из которых выбирают оптималыюе. Максимальный эффект получается в том случае, когда найден какой-либо новый отличительный признак, в сочетании с известными дающий новые решения. При этом необходимо проанализировать все возможные варианты комбинаций отличительных признаков. При конструировании механизмов структурные и кинематические признаки должны быть реализованы в его конструкции, г. е. конструктивное оформление, прежде всего кинематических пар, должно соответствовать их кинематическим характеристикам. Реальные подвижные соединения звеньев должны обеспечивать возможность таких относительных перемещений, какие предусмотрены кинематической схемой, а структура механизма должна быть рациональной, т. е. не должно быть избыточных связей. Эти связи, вызванные пассивными ограничениями, приводят к появлению внутренних усилий, замкнутых циркулирующих мощностей. Первые нагружают кинематические пары дополнительными нагрузками и вызывают ускоренный износ их поверхностей; вторые приводят к бесполезным потерям энергии, снижая КПД. Механизм без избыточных связей статически определим, т. е. усилия в нем можно найти из уравнений равновесия. Погрешности звеньев механизма рациональной структуры не влияют на сборку замкнутых контуров, не сказываются на значениях реакций в кинематических парах. Избыточные связи и их характер определяют методом анализа местных подвижностей в кинематических парах [56]. Основой этого метода является положение о том, 1.1. Структурно-кинематические схемы четырехзвенных трехкоординатных манипуляторов Относительное движение звеньев Примечание. Кинематические пары о одной степенью подвижности: поступательные;    « вращательные. С

CD
-ABCD
Г) -J у
АВ/
-_с
■7 В х ABCD J Y ВС z -О

!с\
что для замыкания любого контура без натягов требуются три угловых подвижности вокруг трех произвольно ориентированных осей (не находящихся в общей плоскости) и три линейных подвижности вдоль этих же осей. Отсутствие некоторой подвижности влечет за собой появление избыточной связи. Линейная подвижность вдоль какой-либо оси может быть получена за счет угловой вокруг этой оси. Для механизма строят таблицу — матрицу подвижностей, где местные подвижности обозначают литерами соответствующих кинематических пар; общие подвижности определяют уровнем до, избыточные связи — уровнем q. На рис. 1.2 изображена схема шарнирно-стержневого механизма и матрица его подвижностей. Знаки -► и £ обозначают линейные и угловые подвижности в кинематических парах, зигзагообразные линии — компенсацию линейных подвижностей угловыми, обозначения на этих линиях — звенья, за счет поворота которых получена соответствующая линейная подвижность. Рассмотренный механизм имеет общую подвижность w = 1 и три избыточных связи q = 3. Рис. 1.2. Шарнирно-стержневой механизм: а — схема; б — матрица подвижностей Рис. 1.3. Шарнирно-стержневой механизм рациональной структуры: а — схема; 6 — матрица подвижностей Анализ структуры с помощью матрицы подвижностей позволяет не только выявить избыточные связи и лишние подвижности, но и определить, какими подвижностями должна обладать каждая кинематическая пара, чтобы избыточные связи исчезли, т. е. сделать структуру механизма рациональной. Схема рационального механизма, по кинематическим признакам аналогичного рассмотренному выше, и его матрица подвижностей показаны на рис. 1.3. Избыточные связи в самой кинематической паре не влияют на статическую определимость; для кинематической пары они, как правило, полезны, так как уменьшают контактные нагрузки на рабочих поверхностях. Это возможно в шлицевых соединениях или зубчатых передачах, где нагрузка воспринимается несколькими рабочими поверхностями. Функциональное назначение механизма определяет метод конструирования, применяемый для получения рациональной структуры — кинематический или машиностроительный. Кинематический метод конструирования — совокупность приемов проектирования кинематически точных механизмов и приборов, для которых главными признаками являются рациональная структура и минимальные погрешности кинематических характеристик в течение всего срока эксплуатации. Отличительные особенности метода: степень подвижности звена определяется числом точек контакта его с сопряженным звеном; на прямой не может находиться более двух контактных точек, на плоскости или сфере — не более трех, на любой другой поверхности — не более четырех; любая точка опоры должна лишать звено одной степени подвижности; характер подвижности звена (вращение или поступательное движение) определяется числом контактных точек и расположением относительно них контактных поверхностей; расстояния между контактными точками должны быть максимальными; нормали к опорным поверхностям в контактных точках должны совпадать с направлением усилий, перемещения от которых ограничиваются; непрерывность контакта на опорных площадках обеспечивается замыкающими (усилиями (силами веса или пружин); размеры опорных площадок должны быть минимальными; относительные перемещения в кинематических парах желательно осуществлять с помощью качения или упругого деформирования деталей...........
Машиностроительный метод конструирования применяют для механизмов, передающих большие мощности и имеющих значительные усилия в кинематических парах. В этом случае элементы конструкции можно выполнить только в соответствии с первыми тремя положениями кинематического метода, а остальные положения, вследствие действия больших усилий в зонах контакта, формулируют так: контактирование звеньев осуществляют по поверхностям; замыкание обеспечивают охватом поверхностей, замыкающие усилия должны отсутствовать; поверхности, ограничивающие перемещения, можно располагать под углом к направлению перемещения, а в качестве ограничивающих усилий использовать силы трения; в кинематических парах возможно многократное дублирование связей для уменьшения контактных давлений. Типичные машиностроительные конструкции: роликовые подшипники качения — нагрузки распределены по контактным линиям и воспринимаются несколькими роликами; резьбовые соединения — усилие от винта к гайке передается поверхностью многих витков; многоопорные стержни, рамы и корпусные детали несущих конструкций приборов. При создании конструкции следует учитывать, что на ее детали воздействует комплекс внешних нагрузок и климатических факторов [18]. Эксплуатационный уровень проектирования — разработка методов регулировки, настройки, эксплуатации и ремонта изделия. Регулировку и настройку производят для получения требуемых функциональных показателей в течение всего срока эксплуатации; на случай нарушения нормального функционирования предусматривают методы ремонта, обеспечивающие восстановление нормальной работы технического устройства. Документы, разрабатываемые на этом уровне: техническое описание с техническими характеристиками изделия, инструкции по эксплуатации и техническому обслуживанию, руководство по ремонту. 3. ОПТИМАЛЬНОЕ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ' При проектировании любого устройства стремятся получить конструкции с оптимальными показателями. Это могут быть частные критерии качества /Сц /<2, ...УКп (показатели точности, запас прочности, надежность и т. п.) или комплексный критерий /С = К (/Ci, /С2, Кп), учитывающий большинство или все частные критерии (например, стоимость изделия). Все эти показатели являются функциями геометрических параметров и свойств материалов звеньев х1у х2, ..., хт, т. е. всегда существует зависимость комплексного критерия К от параметров х^: К — К (х1у х2, ..., хт). Оптимальной конструкция получается тогда, когда критерий /С принимает максимальное или минимальное значение. Поэтому К носит название критерия оптимальности конструкции. Достигнуть оптимальности изделия при проектировании можно, изменяя параметры хс с учетом их возможных ограничений Rlt R2, ..., Rn, которые также являются функциями xf. R{ = Rt (jclf x2, ..., xm). Сложность и трудоемкость проектирования оптимального устройства заключается в том, что для всего множества параметров xt необходимо найти такие их значения, которые обеспечили бы максимум (минимум) критерия оптимальности. В большинстве случаев проектирования оптимальных конструкций связь критерия оптимальности и функции ограничения с конструктивными параметрами нелинейна, а сам критерий представляет функцию со многими экстремумами. Поэтому решение задачи создания оптимального устройства сводится к поиску глобального экстремума критерия оптимальности методами нелинейного программирования, который выполняют с помощью ЭВМ. Совокупность методов, алгоритмов и программ, с помощью которых ЭВМ производит автоматизированное решение задач оптимизации, т. е. находит по математической модели значения конструктивных параметров, обеспечивающих минимум (максимум) критерия оптимальности, называют системой оптимального проектирования. Система автоматизированного проектирования (САПР) — это совокупность системы оптимального проектирования (комплекса программных средств и информационной базы) и комплекса технических средств, обеспечивающих автоматизированное решение задач оптимизации объекта проектирования. Типовая САПР в комплексе технических средств содержит ЭВМ, на которой решают задачу поиска оптимальных параметров проектируемого объекта, аппаратуру автоматизированного рабочего места разработчика (АРМ), включающую мини-ЭВМ, дисплейные пульты и графопостроитель, и средства сопряжения АРМ с ЭВМ. В программное обеспечение АРМ входят модели графических изображений, банк данных нормативной информации, программы интерактивной графики, система программ управления графопостроителем или технологическим оборудованием. С помощью средства САПР можно проводить численные эксперименты на математической модели объекта, что существенно расширяет возможности разработки оптимальной конструкции. При интерактивных (диалоговых) методах проектирования разработчик управляет алгоритмами поиска оптимума, изменяет параметры математической модели объекта проектирования, а в необходимых случаях и сам критерий оптимальности, функции ограничения, т. е. оперативно вмешивается в процесс оптимизации, добиваясь наилучшего решения [45]. При проектировании оптимальной конструкции весьма важно обоснованно выбрать критерий оптимальности и правильно определить связь с ним частных критериев Ki и определяющих параметров Обычно рассматривают четыре пути решения этой задачи [16]. Первый, наиболее простой: в качестве критерия оптимальности применяют один из частных критериев Kt, если очевидно, что именно он является определяющим. Таким показателем, например, может быть масса изделия, применяемого на подвижном объекте, или потребляемая мощность для автономных устройств. В этом случае остальные частные критерии становятся функциями ограничений, которые также должны учитываться при проектировании. Второй, более общий путь: определяющим является комплексный критерий качества, оптимальное значение которого может быть достигнуто улучшением нескольких частных критериев, т. е. задача оптимизации становится многокритериальной. При этом особенно важно правильно учесть связь критериев К( с комплексным К и существующие функции ограничений Rt. Это более сложная, но и более совершенная постановка задачи оптимизации. Третий путь — формирование комплексного критерия оптимальности как вектора допусков Д = Д (Д1? Д2, ..., Ап) частных критериев качества Ki> причем допуск частного критерия определяют как разность между получаемым в процессе проектирования значением /Q и минимальным Kt min. Критерии Ki располагают по степени важности, а затем производят последовательную оптимизацию по каждому из них, начиная с главного так, чтобы отклонение каждого критерия от оптимального значения не превышало соответствующего допуска At*. Четвертый путь — адаптивное формирование критерия оптимальности в процессе проектирования. Комплексный критерий определяют по частным, исходные значения которых соответствуют допустимым значениям первичных параметров Хр Оптимизацию конструкции проводят в два этапа: 1) формирование комплексного критерия по результатам численных экспериментов; 2) оптимизация параметров с помощью разработанных критериев. Форму комплексного критерия разработчик изменяет по результатам оптимизационных расчетов и проработки конструкции. 4. КРИТЕРИИ КОНСТРУКТИВНОГО КАЧЕСТВА И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЗМОВ При создании любого устройства следует стремиться к его технико-экономической эффективности. Конструкция должна быть оптимальной, а затраты средств на проектирование и эксплуатацию — минимальными. Поэтому необходима система показателей, по которым оценивается качество изделия, т. е. совокупность свойств продукции, обусловливающих ее способность выполнять целевое назначение. Показатели качества — количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих качество. Согласно ГОСТ 15467—79 различают показатели качества: единичные, характеризующие одно из свойств изделия; комплексные, характеризующие несколько свойств; определяющие, по которым оценивается качество; интегральные — отношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации изделия к суммарным затратам на его создание. Технический уровень изделия определяют, как правило, единичными показателями качества; однако, если ни один из этих показателей не может быть принят за определяющий, необходим комплексный показатель, учитывающий влияние на качество большинства или всех единичных критериев. Показатели качества должны объективно оценивать качество изделия, давать возможность сравнивать его с существующими и проектируемыми и выбирать перспективные направления проектирования новых технических устройств. При оценке качества промышленной продукции, в соответствии с РД 50-64—84, следует учитывать показатели: назначения; надежности; эргономичности эстетичности; технологичности; транспортабельности; стандартизации и унификации; патентно-правовые: экологические; безопасности. Кроме того, существуют экономические показатели качества, характеризующие затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия. В совокупности все они — показатели конструктивного совершенства и экономической эффективности конструкции, однако они часто не безразмерны и поэтому применяются для устройств конкретного функционального назначения. Их целесообразно объединить в один комплексный критерий, количественное значение которого должно давать представление об абсолютной оценке качества технического устройства. Структура такого комплексного критерия качества для механических устройств может быть получена методами теории подобия и анализа размерностей [60]. Основной целевой функцией механизмов и их узлов является передача механической энергии от ее источника к потребителю (от входного звена к выходному). Физические величины, характеризующие процесс передачи и состояние материалов в объеме, где он осуществляется, должны образовать безразмерные единичные критерии, а их совокупность — комплексный критерий, определяющий качество механизма. Такими величинами являются: а)    параметры, связанные с мощностью и размерами: Тп — момент на выходном звене; con — угловая скорость выходного звена; V — объем механизма; Е — приведенный модуль упругости материалов, из которых изготовлен механизм; б)    показатели надежности; Ор — технический ресурс; р (t) — вероятность безотказной работы; в)    показатели кинематической точности: Дф2 — кинематическая погрешность, /<р2 — свободный (мертвый) ход; г)    показатели использования несущей способности материалов: а, т, — значения действующих нормальных, касательных и контактных напряжений и допустимые значения ар, тр, okp; д)    показатели технологичности конструкции: коэффициенты уровня технологичности по трудоемкости Ку т или по себестоимости Кст согласно ГОСТ 14.201—83 и методическим рекомендациям. Единичные критерии качества образуют следующим образом. Группа величин, характеризующих процесс передачи энергии в объеме механизма, и характерное для механизма время Ф, за которое параметр я, определяющий работоспособность механизма, достигает критического значения яр при работе механизма в условиях воздействия стандартной окружающей среды, позволяет образовать первый единичный критерий — коэффициент использования объема К у = Тп(йпЫЕУ (в первом приближении Ф может быть связано с техническим ресурсом уравнением О = = Ор (яр/я0)т, где я0 — значение я при стандартных условиях, m — степень влияния я на О). Для того чтобы учесть инерционные свойства механизма, следует ввести в выражение для Kv момент инерции, приведенный к ведущему звену Jlnp, угловое ускорение ех, передаточное отношение iln, КПД механизма г\: (Tl — J InpBl) 11п<°пФ EV (1.1)
При оценке массовых характеристик механизма можно использовать аналогичный критерий Km — коэффициент использования массы: (7*1 - ^lnp®!) *lnG>«Tl*P (1.2)
Km —
где М — масса механизма, р — приведенная плотность материалов. Из полученных для Kv и Km выражений следует, что качество механизма тем выше, чем больше при прочих равных условиях мощность Nn = Тпсол на выходном валу и технический ресурс Ор, а также чем меньше объем или масса механизма, модуль упругости материалов Е (корпус следует изготовлять из легких металлов или пластмасс). Критерий кинематической точности, учитывающий кинематическую погрешность и свободный ход /(д = (ДЧ2 + /ф2Г‘,    (1.3) показывает, что качество тем выше, чем выше точность механизма. Критерий использования несущей способности материалов к — 0 т    п Км — "7Г“ • ~Г~ • “— •    (1-4) °Р ТР а/гР Из выражения следует, что для повышения качества нужно максимально использовать прочностные свойства материалов. Критерий, учитывающий надежность, можно приравнять вероятности безотказной работы: /Ср = р (t), а технологическое совершенство конструкции определить коэффициентом уровня технологичности по трудоемкости: Кт = Ку т. Принципиально возможно разработать выражения для единичных критериев, описывающих остальные параметры качества — эргономичность, эстетичность и т. п. [1, 38]. Выражение для комплексного критерия качества — комплексной целевой функции качества — можно получить, например, как аддитивную функцию единичных критериев Kiy учитывая их весовые коэффициенты W( [45]: к=!>,/<,•.    о-в) В соответствии с теорией подобия, выражение для комплексного критерия качества получают в виде функционала К = KVKIK%KIK* • • • = П Krp.    (1.6) Численные значения коэффициентов влияния а, Р и т. д. в выражении (1.6) можно получить для существующих конструкций методами корреляционного анализа. Статистическая обработка данных некоторых предприятий приборостроительной промышленности показывает, что значение коэффициента влияния а для критерия лежит в диапазоне 1,4...2,5, а структура формул для расчета прочности элементов конструкции и стоимость конструкционных материалов дают для коэффициента Км значение Р = 0,4...1,2. Для силовых механизмов общего машиностроения, кинематическая точность которых может не учитываться, следует принять а = 0; для кинематических, где нагрузки малы, Р = 0. Выражения для комплексных критериев качества могут быть получены и для отдельных узлов механизмов [18]. Разработка комплексных критериев качества — важная задача на пути совершенствования конструкций, оптимизации их параметров при автоматизированном проектировании, определении перспективных направлений проектирования механизмов. Оценка качества конструкций с помощью комплексных критериев позволит выбрать механизмы с кинематическими схемами, наилучшим образом соответствующими основному функциональному назначению, наиболее совершенных в техникоэкономическом отношении. При оптимизации конструкции по критерию качества можно определить, какие параметры нужно улучшать в первую очередь, чтобы повысить качество разрабатываемого механизма. Глава 2 СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ 1. ТИПЫ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ В МЕХАНИЗМАХ Соединение применяют для сборки механизма из отдельных деталей. В зависимости от возможности повторной разборки и сборки соединения разделяются на разъемные и неразъемные. Разъемным называется соединение деталей, при котором возможна повторная разборка и сборка без повреждения деталей. Допускается повреждение или деформация только соединяющих деталей. Разъемное соединение должно обеспечить: возможность многократной сборки и разборки без повреждения деталей, необходимую прочность соединения, сохранение взаимного расположения деталей при повторных сборках и разборках и в эксплуатационных условиях после сборки. Недостатком разъемных соединений является возможность саморазъ-единений при работе в условиях вибраций и тряски. В приборостроении в основном применяются следующие типы разъемных соединений: резьбовые, штифтами (штифтовые), силами трения (зажимные) и штыковые. Рис. 2.1. Зубчатое колесо: а — изготовленное как одна деталь; б — изготовленное из двух деталей
Неразъемным называется соединение, разъем которого невозможен без повреждения соединяемых деталей. Неразъемные соединения применяют в тех случаях, когда изготовление детали из целого куска материала затруднено или неэкономично (рис. 2.1), а также, если отдельные части детали должны обладать различными электрическими, магнитными или механическими свойствами . а    8
К неразъемным соединениям предъявляют следующие требования: прочность материала соединения и деталей должна быть одинаковой; соединения должны выполняться без дополнительных деталей с минимальным числом сборочных операций; взаимное расположение деталей должно быть точным; соединения должны быть плотными и экономичными. В приборостроении применяют в основном такие неразъемные соединения, как сварка, пайка, а также склеивание, запрессовка, заформовка, замазка, с пластическим деформированием деталей (выпуклые пояски, фальцы, лапки и заклепки). 2. РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Резьбовые соединения выполняют с помощью специальных крепежных деталей: болтов, винтов, шпилек, гаек или деталей с резьбой, ввинчиваемых одна в другую. В приборостроении применяют несколько видов резьб, параметры которых приведены в табл. 2.1. Для крепежных деталей используют метрические резьбы с крупным и мелким шагом. В табл. 2.2 приведены типы стандартных'винтов общего назначения. Наиболее распространенными являются винты с цилиндрической головкой. Эта форма головки обеспечивает при сборке более прочную затяжку винта. Винты с потайной, полупотайной и полукруглой головкой имеют более эстетичный вид и применяются для установки на внешних частях изделий. Головки винтов выполняют с прямыми по ГОСТ 24669—81 (СТ СЭВ 1016—78) или крестообразными шлицами по ГОСТ 10753—80 (СТ СЭВ 1017—78). Стенки крестообразного шлица меньше сминаются и снижается опасность срыва отвертки при завинчивании. Винты с отверстиями, просверленными крест-накрест, применяют как установочные и для пломбировки. ■i
Рис. 2.2. Виды шпилек: а — для фланцевых соединений; б — для единения корпусных деталей
Кроме винтов общего назначения, применяют установочные винты (табл. 2.3), которые служат для предотвращения взаимного сдвига деталей, восприятия сдвигающих сил и работают не на растяжение, а на сжатие. Усилие на деталь, сопряженную с другой, имеющей резьбу, эти винты передают не головкой, а концом винта. Поэтому установочные винты имеют резьбу по всей длине стержня. Во вращающихся деталях во избежание дисбаланса применяют установочные винты без головок, со шлицом под отвертку. Для неподвижных деталей и при необходимости большой затяжки можно применять установочные винты с головками. Формы и размеры отверстий под концы установочных винтов должны соответствовать ГОСТ 12415—80. Для фланцевых соединений используют шпильки с одинаковыми резьбовыми концами (рис. 2.2, а), а для соединения корпусных деталей — шпильки с одним 2.1. Типы и параметры резьб, применяемых в приборостроении Наиме Форма профиля Основные размеры Область применения Стандарт значе Метрическая: для деталей общего назначения из пластмасс для приборостроения ГОСТ 24705—81 ‘••SS‘01\' В качестве крепежной ГОСТ 24706—81 Для точных приборов ГОСТ 11709—81 (СТСЭВ 1158—78) М1...М180 Для деталей из пластмасс, соединяемых с пластмассовыми и металлическими деталями Дюймовая коническая 2 tg <р == 1:16 ГОСТ 6111—52 П " о Л 73 СО Резьбовые соединения топливных, масляных, водяных и воздушных трубопроводов Т рапецеидальная: многоза- одноза-ходная ходная ГОСТ 24737—81 (СТ СЭВ 838—78) Для ходовых винтов и гаек ГОСТ 24739—81 (СТСЭВ 185-79) Е Трубная: коническая цилиндрическая ГОСТ 6357—81 (СТ СЭВ 1157-78) О см • о *4 11 со Для герметичных соединений трубопроводов 2 tg ф = 1:16 ГОСТ 6211—81 (СТ СЭВ 1159—78) со ; ^ 2 •см : о В качестве уплотняющей Основные размеры Наиме нование Форма профиля Стандарт значе Область применения Упорная одноза-ходная ГОСТ 10177—82 (СТСЭВ 1781—79) S10...S640 Для ходовых ВИНТОВ и гаек при одностороннем усилии ,ля объективов ГОСТ 3469—83 Для крепления объективов микроскопов Окулярная ГОСТ 5359—77 Для соединения трубчатых тонкостенных деталей, применяемых в оптическом производстве ГОСТ 6042—83 (СТСЭВ 3151—81) Для металлических и неметаллических элементов (керамических, пластмассовых) электротехнических изделий 8 - >> eS С О сх 4 о Я О да У « О \Ч| \ ч\ ГОСТ 8587—71 Для осветительной арматуры g а ч 4s * 3; 2.2 Типы винтов Вид шлица на головке
Предельные размеры резьбы
Общего назначения ГОСТ 1491—80* (СТ СЭВ 2653—80)
М1...М20
Прямой
При больших усилиях затяжки
С цилиндрической головкой классов точности А и В
в
ГОСТ 11644—75 (СТ СЭВ 2654—80)
М2...М10
То же, более эстетичный внешний вид
С цилиндрической скругленной головкой классов точности А и В

МЗ...М52
Для обеспечения прочной затяжки
ГОСТ 11738—84
С цилиндрической головкой и шестигранным углублением «под ключ»
Прямой или крестообразный
При небольших усилиях затяжки
ГОСТ 17473—80*
С полукруглой головкой классов точности А и В
М1...М20 С полупотайной готовкой классов точности А и В L- .....У ГОСТ 17474—80* (СТ СЭВ 2655—80) То же
На внешних частях изделий; для более точной фиксации С потайной головкой ГОСТ 17475—80* (СТСЭВ 2652—80) М1...М20 На внешних изделий для частях^ классов точности А и В получе- ния ровной поверх- ности Невыпадающие ГОСТ 10336—80
М2,5.,.М12
Прямой
При больших усилиях затяжки
С цилиндрической головкой

>Прямой или крестообразный
При больших усилиях затяжки
ГОСТ 10337—80
С цилиндрической головкой и сферой
ГОСТ 10338—80 М6...М20
С шестигранной головкой
Для обеспечения прочной затяжки
'Прямой или крестообразный
ГОСТ 10339—80
М2,5...М12
При небольших усилиях затяжки на внешних частях изделия
С потайной головкой
То же
С полупотайной головкой
ГОСТ 10340—80
При небольших усилиях затяжки
Предельные размеры резьбы
Вид шлица на головке
ГОСТ 10341—80
М2,5...М12
При нег оль их усилиях ЗЭ1ЯЖКИ
Прямой или крестообразный
С полукруглой ГОЛОВКОЙ
ГОСТ 10342—80
М6...М16
При больших усилиях затяжки и необходимости углубления головки винта
С цилиндрической головкой и шестигранным углублением «под ключ»
Для затруднения отвинчивания' ГОСТ 10343—80
С лыской «под ключ»
ГОСТ 10344—80
М2,5...Ml 2
При частом завинчивании вручную
С накатанной головкой

ш-
Самонарезающие для металла и пластмассы с притупленными концами класса точности В С потайной головкой ГОСТ 10619—80 М2.5...М8 Прямой или крестообразный Для соединения деталей из материалов менее прочных чем материал винта без нарезки резьбы в соединяемых деталях С полупотайной головкой
ГОСТ 10620—80
М2,5...М8
С полукруглой головкой
ГОСТ 10621—80

То же, на внешних частях изделий при небольших усилиях затяжки То же, при небольших усилиях затяжки
Самонареаающие для металла и пластмассы с заостренными концами класса точности В Прямой или крестообразный То же, не требует предварительного сверления отверстия То же, на внешних частях изделия С полукруглой головкой С полупотайной головкой С потайной головкой ГОСТ 11650—80 ГОСТ 11651—80 ГОСТ 11652—80
М2,5...М8
Предельные раз- Вид шлица 0б шжменения меры резьбы на головке иоласть применения С накатанной головкой ГОСТ 21331—75 (СТ СЭВ 2655—80) С ВЫСОКОЙ ГОЛОВКОЙ

ГОСТ 21332—75 (СТ СЭВ 2657—80) С низкой головкой
ГОСТ 21333—75 (СТ СЭВ 2657—80)
С низкой головкой и коническим концом
Для стопорения деталей, при частом завинчивании вручную
Прямой или крестообразный г
М1...М12
С низкойiголовкой и ступенчатым концом
ГОСТ 21334—75 (СТ СЭВ 2657—80)

ГОСТ 21335—75 (СТ СЭВ 2657—80)
С низкой головкой и засверленным концом
Для стопорения деталей, при частом завинчивании вручную
ГОСТ 21336—75 (СТ СЭВ 2657—80)
С низкой головкой и закругленным концом
ГОСТ 21337—75 (СТ СЭВ 2657—80)
С низкой головкой и цилиндрическим концом
г
2.3. Типы установочных винтов с прямым шлицем классов точности А и В Область применения !а
Наиме нование
ГОСТ 1476—84 (СТ СЭВ 2659—80) U и й
Для стопоре-ния вращающихся деталей при небольших боковых усилиях €
5
ГОСТ 1477—84 (СТСЭВ 2658—80)
§5 и §
ГОСТ 1478—84 (СТСЭВ 2660—80)

То же, при значительных боковых усилиях
£
s О) Я Я сг х Г Л s О U о.«
ГОСТ 1479—84 (СТ СЭВ 2661—80)
Для стопоре-ния вращающихся незакаленных деталей, без засвер-ловки

х 2 а> о U в
§
2.4. Типы гаек Наименование Конструкция Стандарт Область применения Шестигранные Класса точности В ГОСТ 5915—70* (СТСЭВ 3683—82) М6...М48 Класса точ ГОСТ 5927—70* ности А (СТСЭВ 3680—82) Для всех видов резьбовых соединений <У СО 2 « я Р. 4    3 5    а <и Я С O.VO
Область применения
Низкие, класса точно-ти В 'Н'
То же, класса точности А ГОСТ 5916—70* (СТСЭВ 3685—82) £
ГОСТ 5929—70 (СТСЭВ 3681—82) Для предохранения от самоотвин-чивания и при ограниченных габаритах При частом завинчивании и больших усилиях
Высокие, класса точности В
ГОСТ 15523—70*
£
ГОСТ 15524—70*
То же, класса точности А
£
Особовысо-, кие, класса точности В ГОСТ 15525—70*
ГОСТ 5931—70
То же, класса точности А ГОСТ 15521—70
С уменьшенным размером «под ключ», класса точности В
Для всех видов резьбовых соединений при ограниченных габаритах и малых усилиях

ГОСТ 2524—70
То же, класса точности А
ГОСТ 15522—70
Для предохранения от самоот-винчива-ния, при ограниченных габаритах и малых усилиях
Низкие, с уменьшенным размером «под ключ» класса точности В

оо
ГОСТ 2526—70
То же, класса точности А
Наименование Конструкция Стандарт ё 2 5 & <и «5 Область применения Шестигранные прорезные и корончатые Для предохранения от самоот-винчивания
ГОСТ 5918—73* (СТ СЭВ 2664—80)
Класса точности В

ОО
ГОСТ 5932—73* (СТСЭВ 2664—80)
Класса точности А
£
То же, при ограниченных габаритах
ГОСТ 5919—73* (СТ СЭВ 2663—80)
Низкие класса точности В
00
а
ГОСТ 5933—73*
То же, класса точности А
S
С уменьшением размеров «под ключ» класса точности А ГОСТ 2528—73*

ГОСТ 5935—73*
То же, низкие

£
Круглые С отверстиями на торце «под ключ» ГОСТ 6393—73 При малых усилиях и для регули* ровки Область применения

ГОСТ 8381—73
С радиально расположенными отверстиями
При малых усилиях и для регулировки
£
ГОСТ 10657—80
Со шлицем на торце, класса точности В

£
Для закрепления втулок и подшипников, для регулировок
Шлицевые
ГОСТ 11871—80
г
£
Для внешних частей изделий Колпачко ГОСТ 11860—85* £
При завинчивании «от руки» более коротким концом (рис. 2.2, б), который ввертывается в резьбовое отверстие — гнездо. Конструкции и размеры шпилек устанавливаются ГОСТ 22032—76..► 22043—76. В табл. 2.4 показаны различные типы гаек. Основной тип — шестигранная гайка нормальной высоты. Для уменьшения износа резьбы при частом отвинчивании применяют высокие гайки. Глухие гайки, закрывающие конец винта, используют на наружных частях приборов для улучшения внешнего вида, а также для уплотнения места резьбы (глухая гайка закрывает путь для прохода воздуха вдоль резьбы). Если необходимо затруднить отвинчивание, применяют гайки особой формы, требующие специальных ключей или отверток. Рис. 2.3. Формы опорных поверхностей под крепежные детали: а, б, в — под болты с шестигранной головкой и шестигранные гайки с шайбами; г, д — под винты с потайной и полупотайной головкой; е — под винты с цилиндрической головкой Технические требования к болтам, винтам, шпилькам и гайкам с диаметром резьбы от 1 до 48 мм устанавливаются ГОСТ 1759—70 (СТ СЭВ 607—77, СТ СЭВ 1018—78). Форма опорных поверхностей под крепежные детали показана на рис. 2.3. Размеры и предельные отклонения опорных поверхностей устанавливает ГОСТ 12876—67 (СТ СЭВ 213—82). При соединении двух металлических деталей винтами резьбу рационально нарезать в детали большей толщины. Размеры отверстия под нарезание метрической резьбы устанавливаются ГОСТ 19257—73, а размер стержня — ГОСТ 19258—73. Длина нарезанной части винта или шпильки зависит от материала винта и детали, играющей роль гайки. Например, стальной винт нужно завинчивать в алюминиевую де-
Рис. 2.4. Способы увеличения длины нарезки резьбы: а — загибкой листа; б — приваркой накладки; в — приклепыванием накладки;*г — приваркой или припайкой втулки; д — расклепкой втулки; е — заформовкой втулки таль на большую длину, чем в стальную, гак как нарезка в первой менее прочна. На практике для стальных деталей минимальную глубину ввинчивания обычно берут равной диаметру винта, а для деталей из изоляционных материалов — удвоенному диаметру. Если толщина детали, в которой нарезается резьба, недостаточна, го в этом месте деталь утолщают по одному из способов, показанных на рис. 2.4. Удобный способ вытяжки отверстия в детали под резьбу из тонкого листового материала показан на рис. 2.5, а. Высота вытяжки h в зависимости от диаметра отверстия d и толщины материала s принимается равной: 0,6 0,8 1,0 1,2 1,5 s, мм h/d . .
0,5 0,6 0,7 0,75 0,8 Такую вытяжку под резьбу целесообразно производить при значительной разности между диаметром винта и толщиной листового материала. Если ввинчиваемая деталь (например, патрон лампы) упирается в пружинящий упор и имеет благодаря этому дополнительную точку опоры, то можно ограничиться резьбой, состоящей из одного витка. Такую резьбу получают в отверстии с радиальной просечкой, отгибая его края по винтовой линии (рис. 2.5, б). Одновитковую резьбу можно изготовить в пластмассовой детали при прессовке (рис. 2,6). Упрощенное одновитковое соединение винта с деталью в виде отрезка полой трубки можно выполнить без нарезания в ней резьбы (рис. 2.7). В таком соединении проволочную скобу вставляют в сквозные пазы трубки и она выполняет роль полувитка внутренней резьбы. Размеры сквозных отверстий под болты, винты и шпильки устанавливает ГОСТ 11284—75 (СТ СЭВ 2515—80) в зависимости от типа соединения (болтовое или винтовое), способа образования отверстий, их количества и характера расположе-
Рис. 2.7. Упрощенная конструкция по-лувитковой гайки
Рис. 2.8. К расчету винтового соединения: а — схема действия сил; б — конструкция винтового соединения втулкой

&
в
Рис. 2.6. Одновитковая резьба в пластмассовой детали

Рис. 2.5. Изготовление резьбы в деталях из тонкого листового материала: а — вытяжкой; б — отгибкой краев отверстия
Рис. 2.9. Крепление тонких пластин одним винтом: а — с упором торца пластины в плоскость; б — установка пластины в пазу; в — с загибом лапки пластины на плоскость; г — с загибом лапки пластины в отверстие; д — с вдавливанием материала пластины в отверстие ния. Допуски расположения осей отверстий под крепежные детали выбирают по ГОСТ 14140—81 (СТ СЭВ 637—77). При больших усилиях затяжки винты рассчитывают на прочность, исходя из условий работы материала винта на растяжение. В том случае, если винт препятствует сдвигу соединенных деталей в направлении, перпендикулярном к оси винта, его следует проверить на срез (рис. 2.8, а). Если винт не выдерживает возникающих напряжений, применяют другую конструкцию (рис. 2.8, 6). Для обеспечения определенного взаимного расположения скрепляемых деталей применяется не менее двух вингов либо один со штифтом или упором. Примеры крепления одним винтом деталей из листового материала показаны на рис. 2.9. а — колонка с внутренним резьбовым отверстием; 6 — колонка с резьбовой цапфой; в — при ограниченных габаритах; г — при необходимости предохранения колонок от проворачивания
A-A


Рис. 2.10. Крепление колонок с цапфами к платам:
Рис. 2.11. Способы соединения металлических деталей с изоляционными материалами: а, б — свободная установка гаек в фигурные отверстия; в — установка металлической втулки в круглое отверстие; г, д — установка металлической втулки развальцовкой; е — приклепывание металлической накладки; ж — крепление металлической накладки винтами ш


Рис. 2.12. Соединение деталей, находящихся под различными электрическими потенциалами Рис. 2.13. Соединение деталей капроновыми винтами
<<< Предыдущая страница  1  2  3    Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я