ПЕРЕДАЧА ВИНТ-ГАЙКА 5 страница

3.15.1. По признаку разъемности все виды соединений можно разделить на неразъемные (заклепочные, сварочные, клеевые, с натягом и др.) и разъемные (резьбовые, шпоночные, шлицевые и др.). Первые можно разбирать только после их полного или частичного разрушения, вторые допускают много­кратную разборку и сборку без повреждения деталей.

Сварные соединения—наиболее совершенные и прочные среди неразъемных соединений. Они образуются под действием сил молекулярного сцеп­ления, возникающих в результате сильного местного нагрева до расплавления деталей в зоне их соедине­ния или нагрева деталей до пластического состояния с применением механического усилия.

Достоинствасварных соединений, выполнен­ных дуговой сваркой:

· герметичность;

· технологич­ность;

· невысокая стоимость

· малая трудоемкость процесса сварки;

· простота конструкции сварного шва;

· возможность автоматизации процесса сварки;

· масса сварных конструкций на 20...25% меньше массы клепаных, что достигается частичным или полным устранением дополнительных деталей (накладок, косынок и т. п.);

· отсутствуют выступа­ющих массивных головок заклепок;

· лучше ис­пользование металла, так как нет отверстий под заклепки, ослабляющих рабочее сечение детали.

Не­достатки:

· коробление деталей из-за неравномерного нагрева в процессе сварки и охлаждения;

· опасность появления трещин;

· изменение структуры металла вблизи сварочных швов, что понижает прочность;

· недостаточная прочность при переменных и особенно при вибрационных и ударных нагрузках;

· зависимость прочности сварного соединения от квалификации сварщика (применение автоматической сварки устра­няет этот недостаток).

Сварные соединения применяютво всех отраслях промышленности. В машиностроении, судостроении и строительстве сварные соединения вытеснили кле­паные, за исключением конструкций, подверженных вибрационным и ударным нагрузкам (корпуса и кры­лья самолетов, мосты и др.), и конструкций из несвариваемых материалов (текстолит и др.). Сварку ши­роко применяют вместо литья и ковки как технологи­ческий способ изготовления разнообразных по форме деталей. Применение сварных конструкций вместо чугунных литых позволило снизить их массу на 50% и уменьшить стоимость изделий в 1,5 ...2 ра­за. Сварными выполняют стани­ны, рамы, корпуса редукторов, зубчатые колеса, шкивы, звездочки, цистерны, трубы и многие другие детали.

Видысварных соединений:

· стыковые;

· нахлесточные;

· тавровые;

· угловые.

Стыковые соединения — наиболее простые, надежные и экономические конструкции, поэтому они получили наибольшее распространение. Стыковые соединения выполняются стыковыми швами. Рекомен­дуются в конструкциях, подверженных вибрационным нагрузкам. Выпуклость (наплыв металла) стыкового шва увеличивает концентра­цию напряжений в зоне шва, поэтому в ответственных со­единениях ее удаляют меха­ническим способом. Во всех случаях сваренные встык детали почти полностью заменяют цельные. Геометрической характеристикой стыкового шва является толщина свариваемых де­талей s.

Нахлесточные соединения выполняют уг­ловыми швами. В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы: нор­мальные 1, выпуклые 2, вогнутые 3. На практике наиболее распространены нормальные швы, имеющие в поперечном сечении форму равнобедренного тре­угольника. Выпуклые швы — нерациональны, так как образуют резкое изменение сечения деталей в месте соединения, что вызывает повышенную концентрацию напряжений. Вогнутые швы обес­печивают плавное сопряжение металла шва с ос­новным металлом, что снижает концентрацию на­пряжений и увеличивает прочность соединения. Во­гнутость шва достигается механической обработкой. Такие швы применяют в ответственных конструкциях и при действии переменных нагрузок. Геометрической характеристикой углового шва является катет к. По условиям технологии сварки минимальное зна­чение катета должно быть не менее 3 мм. В бо­льшинстве случаев к = s.

В зависимости от расположения относительно направления внешней силы угловые швы бывают лобовые, фланговые и комбинированные. Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фла­нговый — параллельно линии действия силы F. Комбинированный шов (в) состоит из лобовых и флан­говых.

Тавровые соединения вы­полняют угловыми швами без скоса кромок или стыковыми со скосом кромок. Они широко распространены в составных машинострои­тельных конструкциях, свариваемые детали которых расположены во взаимно перпендикулярных плос­костях.

Угловые соединения выпол­няют стыковыми или угловыми швами. Они мало пригодны как силовые, поэтому их применяют как связующие или как слабо на­груженные рабочие швы (ограждение, тара и др.).

Расчет на прочность сварных соединений при осевом нагружении.В соответствии с конструкцией сварного соединения назначают все размеры шва, а затем выполняют проверочный расчет на прочность в предположении равномерного распределения напря­жений по длине и сечению шва. Если результаты расчета оказываются неудовлетворительными, вносят соответствующие изменения в конструкцию и повто­ряют расчет.

1)Стыковые швы рас­считывают на растяжение или сжатие по сечению соединяемых деталей без учета утолщения шва. Длина сварного шва равна ширине соединяемых полос b. Условие прочности шва на растя­жение

,

где —растягивающая сила; s — толщина шва; и — расчетное и допускаемое напряжения на рас­тяжение для шва.

2)Угловые швы (нахлёсточные соединения) рассчитывают на срез по опасному сечению, совпадающему с биссектрисой прямого угла. Расчетная тол­щина шва . Условие прочности шва на срез

,

где и — расчетное и допускаемое напряже­ния среза для шва; — расчетная длина шва ( - длина углового лобового шва, - длина углового флангового шва).

Из-за неизбежных дефектов сварки на концах шва минимальная длина угловых швов должна быть не менее 30 мм.

Прочность сварных сое­динений, полученных контактным способом сварки, зависит от следующих факторов: качества основного материала; характера действующих нагрузок (стати­ческие или переменные); технологических дефектов сварки (шлаковые и газовые включения, непровары и т. п.); деформаций, вызываемых сваркой; различной структуры и свойства наплавленного и основного металла и др. Поэтому допускаемые напря­жения при расчете сварных соединений принимают пониженными, в долях от допускаемых напряжений для основного металла.

3.15.2. Склеивание — один из эффективных способов сое­динения конструкционных материалов. Соединение осуществляется за счет сил сцепления в процессе затвердевания жидкого клея.

Прочность клеевых соединений в основном зависит от материала и конструкции склеиваемых деталей, качества подго­товки поверхностей к склеиванию, правильности выбора марки клея, технологии склеивания (выдерж­ка при соответствующем давлении, температуре и др.).

Сопрягаемые поверхности склеиваемых деталей должны быть хорошо подогнаны одна к другой, не иметь заусенцев и забоин, а шероховатость их должна быть не менее 6,3...1,6 мкм (шерохова­тость увеличивает поверхность склеивания). Перед склеиванием эти поверхности тщательно обезжири­вают органическими растворителями (бензин, ацетон и др.) или водяным щелочным раствором.

В зависимости от склеиваемых материалов и усло­вий работы (характер нагрузки, температура и др.) применяют различные марки клея, например: клей универсальный БФ-2 и БФ-4 (для склеивания стали, алюминиевых и медных сплавов, стекла, пластмасс, кожи как между собой, так и в любом их сочетании); клей 88 (для склеивания металлов и неметаллов, дюралюминия с кожей и резиной, дерева с резиной и других материалов); клеевые композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (для склеивания и гер­метизации неразъемных соединений из стали, алюми­ния, керамики, стекла и других материалов, обес­печивая термостойкое соединение) и др. Толщи­на клеевой прослойки рекомендуется в пределах 0,05...0,15 мм. Большая толщина прослойки в боль­шинстве случаев снижает прочность соединения.

Достоинства:

· возможность соединения деталей из разнородных материалов, в том числе и деталей, не поддающихся сварке;

· герметичность;

· высокая коррозионная стойкость;

· хорошее сопротивление ус­талости.

Недостатки:

· сравнительно низкая прочность и особенно при неравномерном отрыве (отдире);

· низкая теплостойкость (достаточная прочность сохраняется до температуры 250° С);

· снижение проч­ности некоторых клеевых соединений с течением времени.

Клеевые соединения применяют в электропро­мышленности, авиации, мостостроении, станкострое­нии и т. д. Наибольшее распространение имеют сое­динения листового материала и тонкостенные клее­вые конструкции. Их успешно используют для уплот­нения и стопорения резьбовых соединений, при этом повышается надежность работы и отпадает необхо­димость в стопорных деталях. Успешно применяют клеевые цилиндрические зубчатые колеса.

Оправдавшие себя на практике виды клеевых соединений листов:

· по косому срезу;

· с накладками;

· нахлесточными.

Соединения, работающие на срез, по сравнению с соединениями, работающими на отрыв, более прочны. Поэтому нахлесточные соеди­нения получили наибольшее распространение.

Расчет на прочность клеевых соединений аналоги­чен расчету сварных соединений. Обычно размер клеевого шва назначают в зависимости от размеров соединяемых деталей и расчет шва на прочность клеевого шва нахлесточного соединения производят по формуле

,

где —расчетное напряжение на срез в клеевом шве.

Допускаемое напряжение на срез шва для клея БФ-2 = 15...20МПа для клея БФ-4 = 25...ЗО МПа.

3.15.3. Соединения с натягом относят к неразъемным, хотя они занимают промежуточное положение между разъемными и неразъемными соединениями. Эти соединения можно разбирать без разрушения деталей, однако повторная их сборка не обес­печивает той же надежности соедине­ния, что первичная.

Из соединений деталей, выполня­емых с натягом, наибольшее распро­странение получили цилиндрические, т. е. такие, в которых одна деталь охватывает другую по цилиндрической поверхности. Необходимый натяг получа­ют изготовлением насаживаемых одна на другую соединяемых деталей с требуемой разностью их посадочных размеров, например диаметра вала — Ви диаметра отверстия — А. Таким образом, натяг N—это разность диаметров вала и отверстия до сборки. Если диаметр вала больше диаметра отверстия, то N=B-A>0. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр d по­садочных поверхностей становится общим. При этом на посадочной поверхности возникает контактное давление ри соответствующие ему силы трения, которые обеспечивают полную неподвижность со­единения при действии внешних сил и моментов на детали соединения.

По способу сборки цилиндрические соединения с натягом разделяют на соединения

· собираемые запрессовкой;

· соединения, собираемые с предвари­тельным нагревом охватывающей детали (ступицы) или с охлаждением охватываемой детали (вала).

Запрессовка — наиболее простой и распрост­раненный способ сборки, однако при запрессовке происходит смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных поверхностей, что снижает прочность соединения.

Соединение де­талей нагревом или охлаждением не имеет этого недостатка, поэтому прочность таких соединений примерно в 1,5 раза выше, чем соединений, собран­ных запрессовкой.

Достоинства:

· простота и технологичность (нет шпонки и пазов для шлицев, а также деталей для осевой фиксации), что обеспечивает низкую стоимость соединения и возможность его применения в массо­вом производстве;

· хо­рошее центрование де­талей и распределение нагрузки по всей посадочной поверхности позволяет использовать соедине­ния с натягом для скрепления деталей современных высокоскоростных машин;

· передача больших знако­переменных нагрузок, в том числе вибрационных и ударных.

Недостатки:

· сложность сборки и осо­бенно разборки (требуются специальные печи и мощ­ные прессы);

· рассеивание нагрузочной способности соединения, связанное с колебаниями действительных посадочных размеров в пределах допусков;

· повышен­ная точность изготовления деталей соединения.

Соединения с натягом применяют для изготовле­ния составных зубчатых, червячных и локомотивных колес, коленчатых валов, соединения зубчатых колес с валами, для посадки подшипников качения на вал, роторов электродвигателей и т. д. Они постепенно вытесняют шпоночные и другие соединения, особенно при отсутствии необходимости в частой сборке-разборке. На пра­ктике часто применяют комбинацию соединения с натягом со шпоночным. При этом соединение с натягом может быть основным или вспомо­гательным. В первом случае большая доля нагрузки воспринимается посадкой с натягом, а шпонка только гарантирует прочность соединения. Во втором случае посадку с натягом используют для частичной разгрузки шпонки и центровки де­талей.

Расчет на прочность соединении с натягом.Проч­ность соединений зависит от натяга, который прини­мают в соответствии с выбранной посадкой. Значение натяга и соответственно посадка соединения с натя­гом определяются в зависимости от требуемого контактного давления рна посадочной поверхности соединяемых деталей. Давление рдолжно быть таким, чтобы силы тре­ния, возникающие на по­садочной поверхности со­единения, оказались бо­льше внешних заданных сдвигающих сил и моме­нтов.

Расчет на прочность деталей соединения с натягом основан на предположении, что контактные давления распространяются равномерно по поверх­ности контакта. Взаимная неподвижность деталей цилиндрического соединения обеспечивается соблю­дением следующих условий:

· при нагружении соединения осевой силой F

,

откуда требуемое давление на посадочной поверхно­сти

.

· при нагружении соединения вращающим момен­том М

,

откуда

· при нагружении соединения одновременно осевой силой Fи вращающим моментом М

,

откуда

.

где р— среднее контактное давление; К=2..4— коэф­фициент запаса сцепления деталей; dи l—диаметр и длина посадочной поверхности; f—коэффициент сцепления (трения). Для стальных и чугунных деталей при сборке запрессовкой f=0,07; при температурной сборке f=0,14. Если одна из деталей стальная или чугунная, а другая бронзовая, то при сборке запрес­совкой f=0,05; при температурной сборке f=0,07.

Действующий натяг цилиндрического соединения, необходимого для восприятия и передачи внешних нагрузок:

,

где - расчётный натяг, равный деформации деталей соеди­нения; и - коэффициенты жёсткости;

- диаметр отверстия охватываемой детали (для вала сплошного сечения =0);

- наружный диаметр охватывающей детали (сту­пицы);

и , и - модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов валов и ступицы;

- поправка на обмятие микронеровностей (при сборке соединения запрессовкой микронеров­ности посадочных поверхностей частично срезаются и сглаживаются, происходит ослабление расчетного натяга);

- поправка на температурную деформацию (если соединение с натягом работает при темпера­туре, отличной от температуры окружающей среды при сборке, и собрано из деталей разных материалов (например, соединение бронзового венца червячного колеса со стальным центром), то вследствие темпе­ратурных деформаций деталей происходит ослабле­ние натяга.

По значению подбирают соответствующую стандартную посадку.

На практике возможны случаи, когда выбранная посадка создает натяг значительно больше требуе­мого, который может вызвать разрушение или чрезмерные пластические деформации деталей соеди­нения. Поэтому вал и ступицу необходимо проверять на прочность. Более напряженной является ступица, поэтому максимальное контактное давление, допус­каемое ее прочностью по гипотезе наибольших касательных напряжений,

,

где — предел текучести материала охватывающей детали (ступицы), Н/мм². При этом максимально допустимый натяг для обеспечения прочности охва­тывающей детали (отсутствие пластической деформа­ции)

.

Проверка на прочность ступиц стальных зубчатых колес не обязательна, поскольку во всех реальных случаях напряжения не превышают 0,8 .

Для выбранной посадки, при сборке соединения запрессовкой, определяют силу запрессовки

,

где —давление от наибольшего натяга выбранной посадки;

;

— коэффи­циент трения при запрессовке, который принимают для материалов.

При сборке соединения с использованием темпера­турного деформирования определяют температуру нагрева охватывающей детали, °С,

,

или температуру охлаждения охватываемой детали,°С,

,

где — минимально необходимый зазор, обеспечи­вающий свободную сборку.

Температура нагрева ступицы должна быть такой, чтобы не происходило структурных изменений в материале, т. е. должна быть ниже температуры низкого отпуска.

В зависимости от требуемой темпера­туры ступицу нагревают в воде (до 100° С), в масле (до 130° С), токами высокой частоты, в электрических или газовых печах. Вал охлаждают сухим льдом (температура испарения —79° С) или жидким возду­хом (температура испарения —190° С). Охлаждение валов применяют ограниченно из-за возможности коррозии, так как холодный вал сразу покрывается инеем.

Конические соединения с натягом при­меняют для закрепления деталей на концах валов. На конических поверхностях с большей точностью обеспечивается контактное давление, ко­торое создается в результате затяжки гайки. В отличие от цилиндрического это соединение легко монтируется и демонтируется без применения спе­циального оборудования (например, прессов). Это обеспечивает получение большого числа повторных сборок. Благодаря этим достоинствам область при­менения конических соединений расширяется за счет соединений с цилиндрическими поверхностями.

РАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.