Материал: Методические указания по выполнению самостоятельной работы по дисциплине «Основы проектирования приборов и систем» для студентов. Астахов Н.В., Башкиров А.В

2). Компоновочный способ заключается в изменении расположения одной детали относительно другой.

Режимный способ заключается в выборе режима работы прибора, при котором жёсткость отдельных элементов увеличивается.

Второе правило конструирования

Для повышения жёсткости следует применять такие методы, при которых не происходит увеличения массы детали.

Это достигается за счёт применения рациональных форм сечений, например, вместо сплошных сечений – полых или сечений с отверстиями внутри и т. д.

Необходимо исключать возможность деформации тонкостенных деталей. Следует вводить рёбра жёсткости и убирать консоли.

Рис. 2.3. Примеры повышения жёсткости конструкций

Повышение износостойкости узлов деталей в механизмах приборов

Износ – процесс постоянного изменения форм и размеров, происходящий при трении.

В результате увеличиваются зазоры, уменьшается точность, увеличиваются динамические нагрузки, вибрации.

Износ зависит от следующих факторов:

1. рода и характера трения;

2. величины удельного давления;

3. скорости перемещения контактирующих поверхностей;

4. формы и размера трущихся поверхностей (износ будет максимальным, если обе детали движутся навстречу друг другу);

5. температуры, при которой эти детали взаимодействуют (при высокой температуре износ детали будет больше);

6. качества и способа подведения смазки к трущейся поверхности;

7. материала трущихся поверхностей;

8. коррозирующего воздействия поверхностных плёнок у металла (окисные плёнки иногда действуют как абразив).

Износ особенно опасен в местах точечного контакта.

Повышение износостойкости деталей можно получить конструкторскими и технологическими методами.

Конструкторские методы повышения износостойкости

1). Замена трения скольжения трением качения.

2). Более подверженные износу детали необходимо выполнять в виде отдельных легкосменных деталей, изготовленных из материалов со специальными свойствами.

3). Увеличение площади контакта между трущимися поверхностями, например, за счёт замены цилиндрических опор коническими.

Удельное давление при расчёте цилиндрической и конической поверхности определяют так:

, (2.3)

; (2.4)

где - сила, действующая на цапфу;

Q – осевая сила;

d_б, d_м – диаметры конуса.

1). Если сопряжение выполняется из деталей из твёрдых и мягких материалов, то поверхность детали из более твёрдого и износостойкого материала должна перекрывать поверхность детали из более мягкого материала, так как это обеспечивает равномерный износ всей поверхности из более мягкого материала.

2). В случаях, когда износ ведёт к резкому снижению точности прибора, в конструкциях применяются компенсаторы, автоматически выбирающие зазоры, возникающие вследствие износа. В этом случае используют подвижные детали с упругими элементами, например, плоские или спиральные пружины. На рис. 2.5 представлены примеры снижения износа в опорах вращения.

Технологические методы повышения износостойкости

1). Соответствующий выбор материала.

2). Выбор пар трущихся поверхностей, при этом наиболее часто применяются такие пары материалов: сталь – чугун, сталь – бронза, сталь – латунь, сталь – фторопласт, сталь – металлокерамика, сталь – углеграфит.

3). Уменьшение шероховатости поверхности детали и увеличение твёрдости.

4). Применение жидкостного трения и смазки трущихся поверхностей, а также обеспечение теплоотвода от трущихся поверхностей.

Методы повышения циклической прочности

Детали подвергаются длительной повторно-переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала. Около 80 % поломок, происходящих при эксплуатации машин и приборов, вызвано усталостным явлением.

Циклические нагрузки наиболее явно выражены в устройствах с возвратно-поступательным движением (поршневые и кулачковые механизмы), зубчатых и цепных передач (так как валы дважды за оборот подвергаются растяжению и сжатию из-за действия радиальной силы).

Характеристикой цилиндрической прочности и надёжности является предел выносливости . Это наибольшее число циклов нагрузок, которые выдерживает материал до разрушения.

Предельное число циклов для большинства конструкционных материалов составляет .

Циклическая прочность деталей – это испытание на усталость реальной детали с учётом поправок на её форму и размеры, состояние её поверхности, т. е. определение выносливости.

Рис. 2.4. Примеры повышения циклической прочности

Циклическая прочность детали значительно снижается от резких переходов, надрезов, вызывающих местную концентрацию напряжений, повышающих в 2-3 раза средний уровень напряжений. На рис. 5 представлены примеры повышения циклической прочности.

3. Материалы в приборостроении при конструировании приборов

Приступая к проектированию, конструктор, прежде всего, должен выбрать материал для деталей прибора. От правильности выбора материала зависит не только работоспособность, точность, но и надёжность устройств и механизмов. Все применяемые материалы для создания механизмов и устройств подразделяются на металлические и не металлические.

Как правило, материалом для изготовления деталей приборов, механизмов или устройств служат металлы и их сплавы. Это тела, характеризующиеся кристаллической решёткой со строгим расположением атомов в пространстве. Аморфные тела при конструировании также могут применяться, но в качестве вспомогательных. К примеру, использование органических материалов воска, клея, дерева, кожи, смолы, *** для крепления оптики (хрупких деталей) в механизмах прибора. Кроме этих материалов используются также композиционные материалы, к которым можно отнести стеклопластик, пластмассы, смолы с наполнителем и т. п. Т. о. конструктор должен хорошо знать свойства материалов для применения их при изготовления деталей.

Свойства материалов

• Физические – цвет, плотность, температура плавления, тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность, магнитные свойства. Все эти свойства выбираются конструктором при проектирование приборов. В особенности для приборостроения играет роль электропроводность, тепловое расширение и теплопроводность, поскольку, если это измерительный прибор, то названные свойства, в первую очередь, влияют на точность измерения любых величин.

• Химические – способность противостоять коррозии, жаростойкость.

• Механические – прочность, упругость, пластичность, твёрдость, ударная вязкость, выносливость. Эти свойства особенно важны и учитываются при изготовлении деталей приборов. Напомним некоторые известные параметры:

• Твёрдость – способность металла сопротивляться проникновению в него другого более твёрдого тела, определяется методами Бринелля и Роквелла.

• Технологические – обрабатываемость, свариваемость, ковкость, литейные свойства.

• Эксплуатационные – износостойкость.

Марки конструкционных материалов

1. Чугуны – сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода от 2,14 % до 6,17 %.

Применяют: серый, белый, ковкий, литейный.

2. Стали – содержат до 2,14 % углерода.

Стали бывают:

- обыкновенного качества Ст 0, Ст 2, … Ст 6.,

конструкционные Сталь 15, … Сталь 45;

- легированные конструкционные стали;

- инструментальные стали: качественные У 7, 8, 9, 10, 11, 12 и высококачественные У12А;

- специальные стали с особыми свойствами, например, 0,95Ч18NТ;

нержавеющие 12Х13, 40Х13, 12ХНТ.

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и сплавы – дюралюминий Д1А, Д16А, AlМцН, Al2, Al9 и т. д.

Латуни – сплав меди с цинком Л90, Л80.

Бронза – сплав меди с оловом Бр0ЦС5-5-5, Бр0Ф10-1.

4. Зажимные механизмы измерительных устройств и их классификация

Зажимными называют механизмы, устраняющие возможность вибрации или смещения детали относительно установочных элементов возникающих в процессе контроля (измерения). Зажимные механизмы делят на простые и комбинированные. К простым относятся: винтовые, клиновые, эксцентриковые, рычажные, пружинные. По числу точек силы зажима механизмы делят на единичные и многократные, по степени механизации – ручные, механизированные, автоматизированные.

Требования к зажимным механизмам

1). При зажиме не должно нарушаться положение заготовки, достигнутое базированием.

2). Зажим не должен вызывать деформации заготовок или порчи поверхности.

3). Сила зажима должна быть минимально необходимой, но достаточной.

4). Зажим и открепление производится с минимальной затратой сил.

5). Силы резания не должны воспринимать зажимные устройства.

6). Зажимной механизм должен быть простым по конструкции, удобным в эксплуатации.

Выполнение большинства этих требований связанно с правильным определением величины, направления и места приложения сил зажима.

Методика расчета сил зажима

Расчет сил зажима сводится к решению задачи статики на равновесие твёрдого тела под действием внешних сил.

Исходные данные для расчета сил зажима являются:

- схемы базирования детали;

- направление, величина, и место приложения сил, возникающих при измерении;

- схема закрепления заготовки.

Величина силы зажима зависит от её направления, но при выборе направления следует учитывать:

1). Сила должна быть направлена перпендикулярно поверхности установочных элементов для обеспечения контакта.

2). направлена на тот установочный элемент, с которым заготовка имеет больший контакт.

3). Направление должно совпадать с направлением веса и силы резания (если контроль в процессе обработки).

На практике такого совпадения 1,2,3 достичь трудно. При автоматическом контроле выбору рационального направления силы зажима способствует введение упоров в силовую схему. Упоры воспринимают действующие на заготовку силы и позволяют уменьшить силу зажима.

Рис. 4.1. Выбор места приложения силы зажима

При выборе места приложения силы зажима следуют определенным правилам:

- сила не должна опрокидывать или сдвигать заготовку, и направлена перпендикулярно к опорным элементам;

- сила зажима не должна создавать изгибающего момента, во избежание деформаций детали и появления погрешности закрепления;

- точка приложения силы должна быть расположена ближе к месту обработки, в особенности для нескольких заготовок.

Расчет сил зажима при различных схемах установки

Сила зажима предотвращающая поступательное перемещение детали. Для представленных схем. Условия равновесия детали с учетом запаса записано уравнениями 4.1, 4.2, 4.3.

а) б)

в)

Рис. 4.2. Схемы закрепления деталей

(4.1)

(4.2)

(4.3)

Где: коэффициенты трения,

необходимая величина силы зажима,

сдвигающая сила.

Сила зажима, предотвращающая провертывание заготовки под действием момента в 3^х-кулачковом патроне

(4.4)

Если поставить упор в 3^х-кулачковом патроне, то появляется дополнительная сила трения от упоров

Заготовка центрирована на оправке и удерживается от проворота на кольцевой площадке бурта при равномерном распределении силы по кольцевой площадке:

(4.6)

откуда (4.6)

Заготовка закреплена в призме с углом в α:

(4.7)

где

Выбор зажимных механизмов

При конструировании измерительных устройств всегда возникает задача по известной силе зажима установить тип и основные размеры зажимного устройства и определить силу, развиваемую приводом.

Винтовые механизмы

Винтовые механизмы используют как для непосредственного зажима, так и в сочетании с другими механизмами. Винтовые механизмы предназначены для преобразования вращательного движения (винта или гайки) в поступательное перемещение со значительным уменьшением скорости. Большая плавность и точность хода, больше i - самоторможение перед увеличением усилия, но низкий К.П.Д.