|
Обычные методы расчета позволяют определить напряжения с удовлетворительной степенью точности лишь для сравнительно немногих простейших случаев нагружения. Иногда величина и распределение напряжений в теле деталей не поддаются расчету. Нередко сечения деталей определяются не столько прочностью, сколько технологией изготовления (например, литые детали). К нерасчетным деталям относятся многие корпусные и базовые детали (станины, картеры).
Эффективность метода уточнения напряжения и уменьшения запасов прочности как средства снижения общей массы машин зависит от соотношения массы расчетных и нерасчетных деталей. Необходимо указать, что расчеты деталей основаны на упрощениях, которые не всегда выдерживаются в реальных условиях.
Главные факторы, обусловливающие отклонение истинных напряжений и запасов прочности от значений, определяемых расчетом, следующие:
рассеивание характеристик прочности материала по сравнению с номинальными значениями, представляющими собой среднее статистическое из ряда испытаний образцов;
неоднородность материала; рассеивание характеристик прочности в различных участках и точках сечений детали;
изменение прочности материала в зависимости от характера нагрузки (скорость и продолжительность нагружения);
отклонение расчетной схемы от действующих условий нагружения;
отклонение фактически действующих сил от номинальных значений;
отклонение фактических напряжений от номинальных, обусловленных влиянием упругости системы;
игнорирование в расчете прочности и жесткости деталей, сопряженных с рассчитываемой деталью;
местные напряжения на участках заделки деталей и приложения сил;
дополнительные силы и напряжения вследствие неточности изготовления, монтажа и установки (например, повышенные кромочные давления из-за несоосности или . перекосов опор);
перегрузки вследствие превышения расчетных режимов в эксплуатации;
масса и металлоемкость конструкций
внутренние напряжения, возникающие при изготовлении детали, а также обусловленные макро- и микронеоднородностью материала;
изменение характеристик прочности в связи с повышением температуры при работе детали.
Местные напряжения
Расчет по формулам сопротивления материалов, основанный на гипотезе плоских сечений Бернулли и однородности напряженного состояния по длине детали (принцип Сен-Вена-иа), приложим к деталям большой длины L при относительно малых размерах поперечного сечения (L/d» 5), т. е. к деталям типа балок, стержней и других элементов строительных конструкций.
У машиностроительных деталей длина сравнительно с размерами поперечных сечений гораздо меньше, нагрузки приложены на небольшом расстоянии друг от друга и передаются через поверхности большой протяженности. Игнорирование условий приложения сил согласно принципу Сен-Венана здесь приводит к крупным ошибкам. На участках приложения нагрузок, в опорах, на местах заделки возникают напряжения, охватывающие значительные зоны, распространяющиеся в глубь материала, иногда на всю длину детали, и резко изменяющие напряженное состояние. Условие плоских сечений на участках приложения сил нарушается.
Кроме того, нельзя рассматривать деталь изолированно, заменяя действие сопряженных деталей сосредоточенными или распределенными силами. На самом деле сопряженные детали воспринимают значительную часть нагрузок, влияя на прочность и жесткость конструкции в целом.
Таким образом, расчет по элементарным схемам, до сих пор широко применяемый в руководствах по деталям машин, представляет собой абстракцию, совершенно не отражающую истинную картину напряженного состояния. Его применение можно объяснить только недостаточной разработанностью методики расчета машиностроительных деталей.
Характерной особенностью машиностроительных деталей является сложность их форм и переменность сечений. На участках переходов от одного сечения к другому возникает концентрация напряжений. Таким образом, в машиностроительных деталях очень большую роль играют местные напряжения, которые порой в решающей степени определяют прочность.
Например, в шатуне поршневой машины (компрессора или двигателя внутреннего сгорания) определяемые формальным расчетом напряжения от действия газовых и инерционных сил близки к действительным напряжениям только в средних сечениях по длине стержня, находящихся на достаточном удалении от поршневой и кривошипной головок шатуна. Эпюры напряжений в головках и на участках сопряжения головок со стержнем имеют сложный вид, особенно в кривошипной разъемной головке шатуна и при наличии прицепных шатунов (V- и W-образ-ные машины). Тип- напряженного состояния, величина и распределение напряжений в теле головки зависят от многих факторов, в частности, от сил затяжки и упругости шатунных болтов, конфигурации и степени жесткости головки, жесткости соединенной с ней шатунной шейки коленчатого вала. Учесть в расчете все эти факторы трудно. Истинные напряжения порой выясняются только после длительной работы шатуна на машине по начальным или далеко зашедшим признакам разрушения.
В случае изгиба полой цилиндрической детали, опертой по концам, применяют упрощенные расчетные схемы, полагая, что нагрузка сосредоточена в центре опорных поверхностей или равномерно распределена по их длине в плоскости действия-сил (рис. 69,6), и определяют напряжения по формулам двух-опорной балки. Эти схемы не учитывают действительного распределения сил по длине и окружности опор, влияния поперечных компонентов нагрузки на прочность и жесткость детали, влияния жесткости опор на распределение нагрузки, на кромочные давления и местные напряжения на участках приложения нагрузок.
Если деталь посажена в опорах с натягом, то на посадочных участках возникают дополнительные напряжения смятия и сжатия. В соединениях с зазором при перемене направления или при пульсации нагрузки возникают удары, вызывающие дополнительные напряжения.
Действительную картину иагружения можно представить для хорошо изученного частного случая, когда деталь оперта в подшипниках скольжения с жидкостным трением и поперечная сила передается также через подшипник скольжения (например, случай плавающего поршневого пальца шатунно-криво-щипного механизма).
| 
