Реферат: Механизмы и несущие конструкции радиоэлектронных средств
9.1.4. Прочность при
сдвиге. Условия прочности проверяют и по нормальным, и по касательным
напряжениям:
(sig) 1, 2 < (sig) p ;
tau < (tau) p . (9.3)
9.2. Работа стержней при кручении
9.2.1. Общая
характеристика кручения. Это - плоское напряженное состояние, возникающее под
действием крутящего момента Tк (рис.9.5) .
Соседние сечения стержня,
нормальные к его оси, поворачиваются относительно друг друга на угол dfi,
поэтому в них возникают касательные напряжения tau; элементарные площадки на
его боковой поверхности деформируются так же, как и при сдвиге, т.е. напряженные
состояния при кручении и сдвиге одинаковы.
9.2.2. Деформации при
кручении. Для элементарного цилиндра радиусом ro и длиной dx, выделенного из
скручиваемого стержня (рис.9.6) :
gam = ro*dfi/dx . (9.4)
9.2.3. Напряжения при
кручении. Закон Гука при кручении получают из выражения закона Гука при сдвиге
(9.1) и соотношения (9.4) :
tau = G*ro* (dfi/dx) . (9.5)
По закону парности
касательные напряжения существуют также и в осевой плоскости стержня (рис.9.7)
; напряжения tau можно связать с внешним моментом Tк :
Tк = int (tau*ro*dS) S =
int[G*ro* (dfi/dx) *dS]S =
= G* (dfi/dx) *int[ro**2*dS]S
= Jp*G* (dfi/dx) . (9.6)
Величина Jp = int
(ro**2*dS) S - полярный момент инерции сечения.
Закон Гука для стержня
жесткостью G*Jp и длиной l :
dfi/dx = Tк/ (G*Jp) ; fi =
Tк*l/ (G*Jp) . (9.7)
Связь напряжений с внешним
моментом:
tau = Tк*ro/Jp ; (tau) max
= Tк* (ro) max/Jp = Tк /Wp, (9.8)
где Wp = Jp/ (ro) max -
полярный момент сопротивления сечения стержня.
9.2.4. Геометрические
характеристики сечений при кручении.
Это - полярные моменты
инерции Jp и сопротивления Wp . Для кольцевого сечения с внешним R и
внутренним r диаметрами:
Jp = (pi*D**4) * (1-
alf**4) /32 ;
Wp = (pi*D**3) * (1-
alf**4) /16, (9.9)
где alf = d/D .
В условиях сдвига при
кручении работают валы и другие детали, нагруженные крутящими моментами.
Рациональные формы сечений - имеющие максимальный момент сопротивления при
данной площади; для круговых сечений, например - тонкостенные трубы.
Эффективность использования материала можно оценить отношением моментов инерции
или сопротивления полого сечения к соответствующим моментам сплошного при
одинаковой площади:
(k) j = J/Jc, (k) w = W/Wc.
Для трубы с alf = d/D :
alf 0 0.5 0.75 0.9
(k)j 1.00 1.67 3.59 9.53
(k)w 1.00 1.44 2.36 4.15
Эффективность
прямоугольных сечений ниже, чем круглых и может быть оценена отнесением
соответствующих моментов к моментам кругового:
(k) j = Jп/Jк, (k) w = Wп/Wк
. Для прямоугольника с отношением длинной и короткой сторон bet = a/b > 1:
bet 1 1.5 2
(k)j 0.844 0.483 0.275
(k)w 0.881 0.513 0.321
9.2.5. Условия прочности
при кручении такие же, как и при сдвиге (9.3) . Если материал плохо
сопротивляется касательным напряжениям, происходит разрушение в нормальном или
осевом сечении; если нормальным, cтержень разрушится по винтовой поверхности,
наклоненной к оси стержня под углом 45 грд .
Глава 10. Работа стержней при поперечном и продольном
изгибе
10.1. Общая характеристика напряженного состояния при
изгибе
10.1.1. Основные
определения. Изгиб - напряженное состояние, возникающее под действием моментов,
находящихся в плоскости оси стержня или ей параллельных. Чистый изгиб
возникает под действием моментов, поперечный - поперечных сил, продольныЙ -
продольных.
10.1.2. Реакции в опорах.
Зависят от способа закрепления стержня в опоре (рис.10.1) ; в шарнирах
(рис.10.1, а, б) возможен поворот стержня, в заделках (рис.10.1, в, г) -
невозможен. Значения реакций находят из условий равновесия стержня, а также из
условий совместности деформаций в опорах, если этих уравнений недостаточно для
статически неопределимых стержней.
10.1.3. Силовые факторы
при изгибе. Внешние (рис.10.2) :
а) распределенная нагрузка
q (x);
б) сосредоточенные силы P
;
в) изгибающие моменты M.
Внутренние:
а) поперечная сила Q -
сумма всех сил слева от сечения;
б) изгибающий момент M -
сумма всех моментов слева от сечения.
Знаки всех силовых
факторов принимают в соответствии с рис.10.3.
Дифференциальные зависимости
между силовыми факторами при изгибе получают, сравнивая выражения для M и Q в
двух соседних сечениях на расстоянии
dx (рис.10.4) :
dM (x)/dx = Q (x); dQ (x)/dx
= q (x) . (10.1)
10.2. Напряжения при изгибе
10.2.1. Нормальные
напряжения. При изгибе волокна стержня, параллельные его оси, испытывают
одноосное растяжение или сжатие. Через
центр масс сечения проходит
нейтральный слой, волокна которого не растягиваются и не сжимаются, а только
искривляются. Относительные деформации волокон, параллельных оси (рис.10.5) :
eps = del (dx) /dx = z/ro,
(10.2)
где ro - радиус кривизны
нейтрального слоя; z - расстояние до него.
Нормальные напряжения на
основании закона Гука (8.6), линейно распределены по высоте сечения (рис.10.6)
:
sig = E*z/ro ; (sig) max = E*
(z)max/ro . (10.3)
10.2.2. Связь напряжений
sig с внешним моментом M может быть получена из уравнения равновесия сечения:
M = int (sig*z*dS) S =
(E/ro) *int[ (z**2) *dS]S = E*Jy/ro,
где Jy = int[ (z**2) *dS]S
- момент инерции сечения относительно оси y.
Закон Гука для стержня с
жесткостью E*Jy при изгибе:
1/ro = M/E*Jy . (10.4)
Связь напряжений с внешним
моментом:
sig = M*z/Jy ; (sig) max = M*
(z)max/Jy = M/Wy, (10.5)
где Wy = Jy/ (z)max момент
сопротивления сечения относительно оси y.
10.2.3. Геометрические
характеристики сечения при изгибе. Этомоменты инерции Jy и сопротивления Wy
относительно оси y .
Для прямоугольного сечения
высотой h и шириной b :
Jy = b*h**3/12 ; Wy =
b*h**2/6 . (10.6)
Для круглого сечения с
наружным D и внутренним d диаметрами:
Jy = (pi*D**4) *[1 - (alf)
**4]/64 ;
Wy = (pi*D**3) *[1 - (alf)
**4]/32, (10.7)
где alf = d/D .
Рациональные формы сечения
- двутавры, швеллеры, Z - образные или трубчатые профили - имеют максимальный
момент сопротивления при данной площади.
10.2.4. Касательные
напряжения. Возникают в сечениях, нормальных к оси стержня, при наличии
поперечных сил. Парные касательные - в сечениях, параллельных нейтральному
слою. Их определяют из условия равновесия элементарного обьема (на рис.10.7 -
11'2'2) :
-int[sig1*dS] (S)отс +
int[sig2*dS] (S)отс + tau*b*dx = 0 ;
(dM/dx) *[ (C)отс/Jy] =
tau*b, (10.8)
где b - ширина сечения;
(S) отс - площадь отсеченной части сечения;
(C)отс = int[z*dS] (S)отс
- статический момент ее относительно нейтральной оси;
sig1, 2 = M1, 2*z/Jy ; M1 -
M2 = dM .
Поскольку dM/dx = Qx,
tau = Qx* (C)отс/ (Jy*b) .
(10.9)
Касательные напряжения при
поперечном изгибе максимальны на нейтральной оси, а при z = (z) max равны нулю.
10.2.5. Условия прочности
при изгибе. Нормальные напряжения при чистом изгибе находят по формулам (10.5)
. При поперечном:
главные напряжения
sig1, 2 = 0.5*[sig +-
(sig**2 + 4*tau**2) **0.5] ; (10.10)
касательные напряжения
tau1, 2 = 0.5* (sig1 -
sig2) =
= +- 0.5*[ (sig**2 +
4*tau**2) **0.5] . (10.11)
Условия прочности:
sig1, 2 <= (sig) p ; tau1,
2 <= (tau) p . (10.12)
10.3. Деформации при изгибе
10.3.1. Дифференциальное
уравнение изогнутой оси стержня. Его получают из выражения (10.4), учитывая,
что для уравнения изогнутой оси
z = z (x) кривизна может
быть выражена соотношением:
kappa = 1/ro = (d2z/dx2)
/[1 + (dz/dx) **2]**1.5 .
Поскольку в общем случае
изгибающий момент M (x) и момент инерции Jy (x) переменны по длине стержня,
уравнение изогнутой оси имеет вид:
(d2z/dx2) /[1 + (dz/dx)
**2]**1.5 = M (x)/E*Jy (x) . (10.13)
Для малых прогибов стержня
величиной dz/dx = tet - углом поворота стержня пренебрегают и получают
приближенное уравнение изогнутой оси стержня при изгибе:
d2z/dx2 = M (x)/E*Jy (x) .
(10.14)
10.3.2. Определение
деформаций. Большинство методов определения деформаций при изгибе сводится к
интегрированию уравнения (10.14), а при необходимости высокой точности
результатов - (10.13) с учетом граничных условий. Решения для стержней,
нагруженных сосредоточенной силой (рис. 10.8), моментом (рис.10.9), равномерной
нагрузкой (рис. 10.10), дают следующие выражения (при Jy = const) :
для силы P
(z)max = - P*l**3/
(3*E*J) ; (tet) max = P*l**2/ (2*E*J) ; (10.15)
для момента M
(z)max = M*l**2/ (E*J) ;
(tet) max = - M*l/ (E*J) ; (10.16)
для распределенной
нагрузки
(z)max = - q*l**4/
(8*E*J) ; (tet) max = q*l**3/ (6*E*J) . (10.17)
Деформации при сложном
нагружении стержня можно представить как сумму деформаций от распределенных
нагрузок, сосредоточенных сил и моментов, причем реактивные силы и моменты в
опорах рассматривают наравне с другими внешними силовыми факторами.
10.4. Продольный изгиб и устойчивость стержня.
10.4.1. Потеря
устойчивости. У продольно сжатых стержней может наступить потеря устойчивости
- катастрофическое нарастание деформаций и последующее разрушение под
воздействием сил, которые настолько малы, что разрушения от сжатия произойти не
может. Это происходит тогда, когда ось стержня имеет первоначальное
искривление, или продольная сила действует с эксцентриситетом - появляется
изгибающий момент, который разрушает стержень (рис.10.11) .
Уравнение продольного
изгиба:
E*J* (d2z/dx2) = M (x) = -
P*z . (10.18)
Решение этого уравнения
при k = (P/E*J) **0.5 :
z (x) = C1*cos (k*x) + C2*sin
(k*x) . (10.19)
Из граничных условий z = 0
при x = l следует: C1 = 0, k*l =
= pi*n, где n = 1, 2, 3 ...
Из (10.19) получают выражение для критической силы, вызывающей потерю
устойчивости:
(P)кр = E* (J)min* (pi*n/l)
**2 . (10.20)
Для n = 1 получают
минимальное значение критической силы (P) кр; если ввести промежуточные опоры
по длине стержня, можно получить (P) кр при n = 2, 3 и т.д. (рис.10.12) .
10.4.2. Приведенная длина
стержня. Влияние закрепления концов на устойчивость учитывают с помощью
коэффициента приведения длины mju (рис.
10.13) . В зависимости от
характера закрепления концов на длине стержня возникает различное число
полуволн синусоиды, что и учитывает коэффициент mju. Поэтому критическая сила
(P)кр = (pi) **2* (E*J) min/
(mju*l) **2 . (10.21)
10.4.3. Гибкость стержня.
Формула (10.21) справедлива, пока выполняется закон Гука, т.е. пока критическое
напряжение в стержне не превышает предела пропорциональности (sig) пц :
(sig) кр = (P) кр/S =
pi**2* (E*J) min/[S* (mju*l) **2 =
= pi**2*E/lam**2 <= (sig)
пц, (10.22)
где lam = mju*l/i -
гибкость стержня; i = (Jmin/S) **0.5 - наименьший главный радиус инерции
сечения стержня.
Предельная гибкость
стержня, при которой наступает потеря устойчивости:
(lam) пр >= pi*[E/ (sig)
пц]**0.5 . (10.23)
Если lam меньше этого
значения, стержень разрушается от сжатия, потери устойчивости не будет.
Считают, что для пластичных материалов (sig) кр = (sig) т, для хрупких (sig) кр
= (sig) в, если lam < (lam) пр.
10.4.4. Расчет
устойчивости. Для оценки устойчивости рассчитывают гибкость стержня lam, и если
lam > (lam) пр, определяют критическую силу (P) кр по формуле (10.21), (sig)
кр по формуле (10.22) .
Условие устойчивости:
(sig) у = (sig) кр/nу, где nу = 1.8 - 3.2 коэффициент запаса по устойчивости.
Глава 11. Контактная прочность. Прочность при
переменных нагрузках и сложных видах нагружения.
11.1. Контактная прочность деталей.
11.1.1. Общая
характеристика. При контактировании поверхностей, из которых одна или обе
криволинейны (теоретически контакт происходит по линии или в точке), возникают
контактные напряжения и контактные деформации. Их определяют методами теории
упругости, считая, что в контактной зоне образуется в общем случае
эллиптическая площадка малых размеров, давление на которой распределяется также
по закону эллипса (рис. 11.1) :
q (x,y) = qm*[1 - (x/a) **2 -
(y/b) **2]**0.5, (11.1)
где qm - давление в центре
площадки с полуосями a и b.
11.1.2. Напряжения в зоне
контакта. Значение sig можно найти из условий равновесия:
P = int{int[sig (x,y)
*dx*dy]} ; (sig) max = 1.5*P/ (pi*a*b) . (11.2)
Размеры полуосей контакта:
a = alf*[P* (ro) пр/ (E)пр]**
(1/3) ;
b = bet*[P* (ro) пр/ (E)пр]**
(1/3),
где (ro) пр - приведенный
радиус кривизны контактирующих поверхностей (рис.11.2) ; (E) пр - приведенный
модуль упругости:
(ro) пр = 4/ (1/ro11 +
1/ro12 + 1/ro21 + 1/ro22 ) ;
(E)пр = (8/3) /{[1 -
(nju1) **2]/E1 + [1 - (nju2) **2]/E2} . (11.3)
E1 и E2, nju1 и nju2 -
соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона для материалов
контактирующих поверхностей; ro11 и ro21, ro12 и ro22 - наибольшие и наименьшие
радиусы кривизны.
Коэффициенты alf и bet
зависят от взаимной ориентировки главных радиусов кривизны ro11 и ro21 и
приведены в справочниках.
Для контакта двух шаров с
радиусами R1 и R2 :
(sig) max = 0.578*| P* (1/R
+- 1/R) **2/{[1 - (nju1) **2]/E1 +
+ [1 - (nju2) **2]/E2} |**
(1/3) . (11.4)
Для цилиндрических
поверхностей с параллельными образующими и длиной контактной линии l
(sig) max = 0.564*| P* (1/R
+- 1/R) **2/l{[1 - (nju) **2]/E1 + [1 - (nju2) **2]/E2} |** (1/3) . (11.5)
11.1.3. Проверака
контактной прочности. Материал в зоне контакта находится в состоянии
всестороннего сжатия, поэтому допускаемые напряжения при расчете контактной
прочности выше, чем предел прочности при одноосном сжатии (sig) c в 1.5 - 1.8
раза. Для различных материалов допустимые напряжения (sig) кp приведены в справочниках.
11.2. Прочность при повторно-переменных нагрузках
11.2.1. Усталость
материалов. Это - разрушение материалов при многократном приложении нагрузки;
способность сопротивляться такому разрушению - выносливость материала. Для
усталостного разрушения необходимо, чтобы действующие напряжения превысили
напряжения, равные пределу выносливости. Усталость материалов связана с
появлением местных нарушений целостности в зоне межкристаллических соединений
вследствие пластических сдвигов и появления микротрещин, которые в дальнейшем
расширяются и разрушают материал.
11.2.2. Параметры,
определяющие усталостную прочность. Совокупность всех напряжений за один период
нагружения - цикл напряжений. На усталостную прочность влияют (sig) max -
максимальное и (sig) min - минимальное напряжения, коэффициент асимметрии цикла
r = (sig) min/ (sig) max и число циклов нагружения (N) ц. При постоянной
нагрузке r = +1, при симметричной знакопеременной r = -1; циклы с последним
коэффициентом наиболее опасны для материалов. Предел выносливости - напряжение,
которое материал выдерживает без разрушения при любом числе циклов, обозначают
(sig) -1 и определяют на специальных образцах опытным путем. Существуют две
группы материалов: с явно выраженным пределом усталости и без такового
(рис.11.3) . Для сталей предел выносливости достигается при (N) ц = 10**7, для
цветных материалов при (N) ц = (5- 10) .10**7; для материалов, у которых этот
предел практически определить невозможно, вводят понятие условного предела
выносливости при ограниченном числе циклов нагружения.
11.2.3. Факторы, влияющие
на выносливость деталей. Наибольшее влияние оказывают:
а) концентрация
напряжений;
б) состояние поверхности;
в) размеры детали.
Концентрация напряжений -
местное увеличение напряжений в зонах изменения формы и размеров деталей
(сужений, канавок, отверстий и т.п).
Коэффициент концентрации
напряжений (k) sig = [ (sig) -1]/[ (sig) -1]к > 1, где [ (sig) -1]к - предел
выносливости материала детали с концентратором напряжений.
Состояние поверхности
сказывается в том случае, если она не полирована. Микровыступы являются
микроконцентраторами напряжений. Поэтому вводят коэффициент bet = [ (sig) -1]/[
(sig) -1]п < 1, где [ (sig) -1]п - предел выносливости для полированной
детали.
Размеры детали влияют на
предел выносливости тогда, когда они намного превышают размер испытательного
образца, на котором определяют предел выносливости (для стандартного образца d
= 10 мм) ; это учитывают коэффициентом eps = [ (sig) -1]/[ (sig) -1]об < 1,
где [ (sig) -1]об - предел выносливости образца.
11.2.4. Расчет прочности при
переменных нагрузках. Допустимое напряжение определяют на базе предела
выносливости для заданного числа циклов или на базе (sig) -1, вводя
коэффициенты концентрации нагрузки, состояния поверхности и размеров детали:
sig = [ (sig) -1) p = [ (sig)
-1]*bet*eps/ (k)sig . (11.6)
11.3. Прочность при сложном нагружении
11.3.1. Сложное
напряженное состояние. Возникает как результат одновременного действия
нескольких видов нагружения; в общем случае все три главных напряжения sig1,
sig2 и sig3 не равны нулю (рис. 11.4) .
Экспериментальная оценка в
этом случае практически исключена из-за большого количества соотношений между
sig1, sig2 и sig3 . Поэтому вводят критерии прочности, учитывающие влияние на
прочность материала какоголибо одного силового фактора или группы таких
факторов. Основная трудность при образовании таких критериев заключается в том,
что предельное напряженно-деформированное состояние даже для
структурно-однородных материалов в действительности определяется большим числом
параметров: значениями главных напряжений sig1, sig2 и sig3, чувствительностью
материалов к касательным напряжениям, различной прочностью при растяжении и
сжатии и т.п. При этом сложное напряженное состояние приводят к эквивалентному
одноосному. Условие прочности - сравнение эквивалентного
напряжения (sig) экв с допустимым для одноосного растяжения [ (sig) рас]p :
(sig) экв < [ (sig) рас]p
. (11.7)
11.3.2. Универсальный
критерий прочности Писаренко-Лебедева.
Предполагает, что
наступление предельного состояния определяется способностью материала
воспринимать как нормальные, так и касательные напряжения. Эквивалентное
напряжение находят из выражения
(sig) экв = X* (sig) i + (1
- X) *sig1 . (11.8)
Интенсивность напряжений
(sig) i определяют из выражения для удельной потенциальной энергии
формоизменения элементарного обьема материала:
(u)ф = [ (sig) i]**2/2*E ;
(sig) i = (sig1**2 +
sig2**2 + sig3**2 - sig1*sig2 -
sig1*sig3 - sig2*sig3) **0.5
.
Коэффициент X = [ (sig)
+]/[ (sig) -] учитывает различную сопротивляемость материала предельным
напряжениям растяжения [ (sig) +] и сжатия
[ (sig) -] . Для реальных
конструкционных материалов 0 < X < 1; для абсолютно хрупких X = 0, для
абсолютно пластичных X = 1. Для плоского напряженного состояния sig3 = 0 и
(sig) i = (sig1**2 + sig2**2 - sig1*sig2) **0.5 .
11.3.3. Допустимые
напряжения (sig) p определяют при одноосном растяжении на базе предела
текучести (sig) т для пластичных материалов или предела прочности (sig) в - для
хрупких:
(sig) p = (sig) т/n ; (sig)
p = (sig) в/n, (11.9) где n - коэффициент запаса прочности, определяемый
функциональным назначением детали.
РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
ТОЧНОСТИ МЕХАНИЗМОВ
Глава 12. Функциональная взаимозаменяемость и параметры точности
12.1. Функциональная взаимозаменяемость при
производстве изделий
12.1.1. Функциональная
взаимозаменяемость (ВЗ) - это принцип проектирования, производства и
эксплуатации изделий, обеспечивающий получение заданных функциональных
параметров изделия при сборке последнего из независимо изготовленных узлов и
деталей или при замене этих деталей в процессе эксплуатации и ремонта.
Обеспечивается благодаря широкой стандартизации и унификации в промышленности.
Стандартизация -
установление и применение в области науки и техники обязательных правил, норм и
требований, обеспечивающих получение оптимальных результатов целенаправленной
деятельности (развития отраслей народного хозяйства, научных исследований,
выпуска промышленной продукции и т.п.). В зависимости от сферы действия
существуют государственные стандарты (ГОСТ), республиканские (РСТ), отраслевые
(ОСТ), стандарты предприятий (СТП) .
В современном
машиностроении и приборостроении стандартизованы большинство разьемных соединений,
многие типовые узлы (упругие элементы, подшипники, муфты), механические
передачи и т.п.
Унификация - сокращение
номенклатуры материалов или изделей одинакового функционального назначения,
осуществляемое благодаря расширению диапазона показателей отдельного
устройства. Широко применяется внутри предприятий и отраслей промышленности.
12.1.2. Геометрическая ВЗ
- частный случай функциональной, когда обеспечивается ВЗ по геометрическим
параметрам - линейным и угловым размерам; является основой для ВЗ по другим
функциональным параметрам. Обеспечивается стандартизацией во всех отраслях
промышленности как для самих изделей, так и их узлов и деталей,
технологического и контрольно-измерительного оборудования, обрабатывающего
инструмента. Стандартизованы нормальные линейные размеры (диаметры, длины),
допуски и посадки, размеры резьб, присоединительные размеры валов и осей и т.д.
12.2. Параметры точности механизмов
12.2.1. Точность
геометрических и кинематических параметров.
Для обеспечения
функциональной и геометрической ВЗ параметры М должны находиться в заданных
пределах, т.е. должна быть обеспечена их точность.
Точность параметра - степень
приближения его к номинальному значению, наилучшим образом обеспечивающему
функциональную ВЗ. Параметры реального М - действительные - сравнивают с
параметрами теоретического - номинальными и получают оценку точности.
12.2.2. Погрешности
параметров - разность одинаковых параметров реального и теоретического М:
а) абсолютные, имеющие
размерность самого параметра;
б) относительные, т.е.
отнесенные к номинальному значению параметра.
Систематическая
погрешность - однозначно связанная с изменением физической величины, вызывающей
погрешность; случайная - результат воздействия большого числа факторов, влияние
которых почему-либо нельзя учесть (закономерности неизвестны или факторов очень
много) . Появление случайной погрешности определенного значения можно
характеризовать вероятностью - числом в диапозоне от 0 до 1. Для операций со
случайными величинами существует аппарат теории вероятностей и математической
статистики.
12.2.3. Виды погрешностей
параметров М. Механизмы характеризуют тремя группами параметров:
геометрическими, кинематическими, силовыми; для параметров каждой группы
рассматривают соответствующие погрешности отклонения параметров от номинальных. Погрешность
положения М -разность положения выходных звеньев теоретического и реального М
при одинаковых положениях их выходных звеньев (рис. 12.1) . Эта погрешность
определяет точность установки выходного звена М (или любого ведомого) в
заданное положение.
Погрешность перемещения М
- разность перемещений выходных звеньев теоретического и реального М при
одинаковых перемещениях их ведущих звеньев (рис.12.2) . Погрешности положения и
перемещения определяют погрешность функции положения М. Различают два вида
погрешности перемещения:
a) кинематическую
погрешность, возникающую при одностороннем движении ведущего звена;
б) свободный
("мертвый") ход, возникающий при изменении направления движения
ведущего звена - реверсировании.
Погрешности кинематических
параметров и характеристик - погрешности скорости, ускорения, функций этих
параметров, передаточного отношения.
Погрешности силовых и
динамических параметров рассматривают в специальных случаях, когда
соответствующие параметры обеспечивают функциональную ВЗ.
12.3. Источники погрешностей параметров механизма
12.3.1. В соответствии с
основными факторами, вызывающими отклонение параметров от номинальных, для М
погрешности делят на схемные (погрешности схемы), технологические и
эксплутационные.
12.3.2. Погрешности схемы.
Возникают в случае приближенного воспроизведения номинальной функции положения,
когда схема реального М отличается от идеальной. Например, функцию синуса точно
воспроизводит М, схема которого показана на рис.12.3, а; М, схема которого
соответствует
рис.12.3, б, имеет следующую
функцию положения:
s = r*sin (fi) + l*|1 - {1 -
[r*cos (fi) /l]**2) }**0.5| .
В приведенном выражении
второе слагаемое можно рассматривать как погрешность схемы при воспроизведении
механизмом функции положения s = r*sin (fi) . Эта погрешность
уменьшается при увеличении соотношения l/r . Схемная погрешность -
систематическая; для каждого положения М ее можно однозначно определить, если
схема М известна.
12.3.3. Технологические погрешности.
Возникают при изготовлении деталей и сборке М вследствие влияния многих
факторов: неточности воспроизведения рабочих движений инструмента и детали при
обработке, возникающих при этом усилий, температурных полей, износа,
неоднородности свойств материала заготовки и т.п. Погрешности возникают при
сборке из-за неточностей взаимного ориентирования деталей, несовершенства
контрольно-измерительного инструмента и т.п. Таких факторов очень много,
поэтому технологические погрешности относят к случайным и появление их
характеризуют вероятностными характеристиками.
12.3.4. Эксплуатационные
погрешности - результат влияния усилий, воздействующих на звенья М при его
работе, и факторов окружающей среды температуры, давления, влажности и т.п.
Изменение температуры приводит к линейным расширениям звеньев. Давление,
влажность, электрический ток изменяют свойства материалов - все это вызывает
изменение размеров, следовательно, появление погрешностей. Рабочие усилия
деформируют звенья, при длительной эксплуатации в кинематических парах
изнашиваются поверхности, изменяются зазоры и взаимное положение звеньев. Это
также источники погрешностей параметров М, которые следует учитывать при
обеспечении функциональной взаимозаменяемости.
Эскплуатационные
погрешности - систематические, их можно определить расчетным или
экспериментальным путем.
Глава 13. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕХАНИЗМОВ
13.1. Методы определения погрешностей параметров
механизма
Погрешности параметров М
необходимо определять в следующих случаях:
а) при проектирования М -
для оценки его функциональных характе ристик;
б) после изготовления -
для контроля сборки и регулировки;
в) в процессе эксплуатации
- для контроля функциональной пригодности.
В первом случае используют
расчетные методы, в двух последних - экспериментальные.
13.2. Аналитические методы определения погрешностей
13.2.1. Сущность
аналитических методов заключается в том, что погрешность любого параметра
обычно намного меньше самого параметра, поэтому погрешность можно представить
как дифференциал переменной, а для определения погрешности совокупности
параметров (например, функции положения) использовать математический аппарат
функций многих переменных.
13.2.2. Дифференциальный
метод определения абсолютных погрешностей. Совокупность связанных
геометрических параметров (q) i (размерную цепь, функцию положения и т.п.)
представляют функцией этих параметров, считая их переменными:
psi = F (q1, q2,..., qn ) .
(13.1)
Погрешности размеров del
(q)i приравнивают к дифференциалам этих параметров: del (q)i = d (q)i, а
дифференциал функции - к погрешности функции:
del (psi) = (dF/dq1) *del
(q1) + (dF/dq2) *del (q2) +...
...+ (dF/dqn) *del (qn) =
sum[ (dF/dqi) *del (qi) ]1, n . (13.2)
Слагаемые (dF/dqi) *del
(qi) - частичные погрешности за счет погрешностей первичных параметров qi .
Дифференциальный метод
определения погрешностей универсален, он может быть применен практически к
любому М. Например, для шарнирно-ползунного М (рис. 13.1) функция положения
s = r*cos (fi) + {l**2 -
[r*sin (fi) + h]**2}**0.5 .
Погрешность положения М:
del (s) = (ds/dr) *del (r) +
(ds/dl) *del (l) + (ds/dh) *del (h) .
13.2.3. Определение
относительных погрешностей с использованием дифференциального метода. Из
выражения (13.2) следует, что относительная
погрешность ddel (psi)
функции psi = F (qi) :
ddel (psi) = del (psi)
/psi --> dpsi/psi =
= (dlnF/dq1) *del (q1) +
(dlnF/dq2) *del (q2) + ...
... + (dlnF/dqn) *del (qn)
= sum[ (*dlnF/dqi) *del (qi) ]1, n . (13.3)
Относительная погрешность
для функции psi = F (qi), которая может быть представлена как произведение
функций psi = П[f (qi) ]1, n:
ddel (psi) = sum|[qi/[f
(qi) ]k*{[d[f (qi) ]k/dqi}*del (qi) |1, n . (13.4)
Например, для аксоидного М
(рис. 13.2), для которого передаточное отношение (i) 1, 6 = (d2*d4*d6) /
(d1*d3*d5) относительная погрешность определяется выражением
ddel[ (i)1, 6] = ddel (d1)
+ ddel (d2) + ddel (d3) +
+ ddel (d4) + ddel (d5) +
ddel (d6) .
13.3. Экспериментальный метод определения погрешностей
Погрешности положения или
перемещения измеряют во всем диапазоне на реальном М. В результате получают
суммарное значение погрешности схемы и технологической (рис.13.4) : del (psi)
сум = del (psi) сх + del (psi) т .
Эту сумму можно разделить на
составляющие, измерив параметры серии одинаковых изделий и усреднив результаты.
Технологические погрешности - случайные величины - в этом случае компенсируют
друг друга, и из общей погрешности выделяется погрешность схемы del (psi) сх
(рис. 13.3) .
13.5. Методы достижения заданной точности параметров
13.5.1. При создании М
применяют различные методы достижения заданной точности результирующего
параметра, обеспечивающей функциональную В3 (для замыкающего звена размерной
цепи, кинематической погрешности и т.п.) . Это методы полной и неполной В3, и
компенсационные - групповой ВЗ, пригонки, регулирования.
13.5.2. Метод полной В3:
требуемая точность результирующего параметра достигается у всех обьектов без
выбора, подбора или изменения значений составляющих параметров. Например,
сборка М из деталей, у каждой из которых отклонения размеров не превышают
допустимых.
Значения погрешности
результирующего параметра расчитывают методом максимума-минимума, учитывая
предельные отклонение составляющих параметров и самые неблагоприятные их
сочетания:
del (psi) = sum|[dF/d (qi)
]*del (qi) | . (13.5)
13.5.3. Метод неполной В3:
требуемая точность результирующего параметра достигается у заранее
обусловленной части обьектов без выбора, подбора или изменения составляющих
параметров. При этом часть собраных М будет непригодной по условию В3, однако
за счет уменьшения точности изготовления деталей общие затраты средств на всю
партию изделий снижаются по сравнению с методом полной В3. Расчет значения
погрешности результирующего параметра производят вероятностным методом:
del (psi) = sum{[dF/d (qi)
]* (Ev) qi} + t*|sum{[dF/d (qi) ]* (V)qi}**2|**0.5, (13.6)
где (Ev) qi - координата
середины поля рассеяния погрешности параметра
qi ; (V) qi - поле
рассеяния погрешности этого параметра; t - веро ятностный коэффициент,
учитываюющий процент риска выхода погрешно сти del (psi) за допустимые пределы.
13.5.4. Метод групповой
В3: точность результирующего параметра достигается сборкой М из групп звеньев
с погрешностями, компенсирующими друг друга, для чего звенья предварительно
рассортировывают на группы, имеющие близкие значения отклонений параметров.
Метод особенно эффективен при изготовлении изделий большими сериями или при
массовом производстве.
13.5.5. Метод пригонки:
требуемая точность результирующего параметра достигается изменением размера
звена-компенсатора путем удаления с него определенного слоя материала.
Компенсирующее звено должно быть предусмотрено в конструкции соответствующего
узла М. Этим методом например, обеспечивают необходимые зазоры в М,
дорабатывая по толщине специальные прокладки или кольца.
13.5.6. Метод
регулирования: точность результирующего параметра достигается изменением
размера компенсирующего звена без удаления с него материала. Звено-компенсатор
должно иметь конструкцию, позволяющую регулировать его размеры. Например,
момент противодействующей пружины стрелочного электроизмерительного прибора
регулируют специальным винтом.
|