Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | Механика

ЛЕКЦИЯ 10. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН  Просмотрен 5065

1. Общая характеристика соединений.Машины собирают из деталей путём их соединения и фиксации взаимного положения. Сопрягаемые части деталей вместе со связями образуют соединения, названия которых определяется, как правило, видом связи или соединительного элемента; например, соединения болтовые, сварные, шпоночные и т.п.

В зависимости от конструктивных, технологических, эксплуатационных и экономических требований соединения могут быть разъёмными или неразъёмными. Разъёмные соединения разбираются без повреждения деталей, а не разъёмные соединения можно разбирать, лишь разрушая связи или детали. При этом часто повреждаются посадочные поверхности.

Разъёмные соединения выполняют как подвижными, так и неподвижными. В подвижных соединениях под нагрузкой возможно относительное перемещение деталей, предусмотренное функциональным назначением. Основное применение имеют неподвижные соединения, в которых детали в процессе работы не совершают относительного перемещения. В таких соединениях под нагрузкой происходит взаимное смещение контактирующих точек деталей только за счёт их деформаций.

Детали соединений образуют наиболее распространённый класс деталей машин. Качество этих деталей и выполнения сборки часто определяет надёжность работы всей конструкции.

 

2. Сварные соединения.В зависимости от способа формирования межатомных связей деталей различают следующие классы сварки:

  • термический класс сварки, при котором сварку осуществляют путём общего или местного нагрева соединяемых деталей;
  • механический класс сварки осуществляется пластическим деформированием деталей в зоне стыка;
  • термомеханический класс сварки, выполняемой при совместном нагреве и пластическом деформировании свариваемых деталей.

На практике применяют свыше 60 способов сварки, при которых материал расплавляется (дуговая, газовая, электронно-лучевая и др.), деформируется без нагрева (холодная, взрывом и т.п.) или нагревается и пластически деформируется (контактная, газопрессовая, высокочастотная и др.).

 

Достоинствами сварных соединений являются:

§ они лучше других видов соединения приближают составные детали к цельным;

§ проще обеспечивают условие равнопрочности;

§ снижают стоимость изделия благодаря сравнительно малой трудоёмкости процесса сварки;

§ способствую сравнительно небольшой массе конструкции;

§ обеспечивают герметичность и плотность соединения.

Основными недостатками сварных соединений являются:

o наличие остаточных напряжений из-за неоднородного нагрева и охлаждения;

o возможность коробления деталей при сваривании (особенно тонкостенных деталей);

o возможность образования скрытых дефектов (трещин, непроваров, шлаковых включений);

o чувствительность к вибрациям и ударным нагрузкам.

 

Контроль качества сварных соединений с помощью разрушающих или неразрушающих методов является, как правило, обязательным для выявления дефектов.

 

Из различных способов сварки наиболее распространена электродуговая сварка. Различают три разновидности дуговой сварки: автоматическую, полуавтоматическую и ручную.

Автоматическая сварка под флюсом и в среде защитных газов позволяет сваривать самые разнообразные материала, в том числе высокопрочные, нержавеющие и жаропрочные стали, алюминиевые сплавы и др. При этом толщина свариваемых деталей может быть от долей до нескольких десятков миллиметров. Она обеспечивает высокое качество шва, не уступающее по прочности цельному металлу. Такая сварка высокопроизводительна и экономична.

Полуавтоматическая сварка применяется для выполнения длинных швов в местах, недоступных для сварки на автоматах, а также в случае применения коротких или прерывистых швов.

Ручная сварка используется тогда, когда другие способы сварки нерациональны (труднодоступное расположение шва и др. причины).

Она малопроизводительна, и качество шва зависит от квалификации сварщика.

 

3. Конструкции сварных соединений и расчёт их на прочность.В зависимости от расположения свариваемых деталей различают следующие виды соединений, полученных дуговой и газовой сваркой: стыковые, нахлёсточные, тавровые и угловые.

Стыковые соединения (или соединения встык)(рис. 1) наиболее просты и надёжны. Они дают прочность, близкую к прочности основного металла, обеспечивают наименьшую добавку массы на соединение и минимум концентрации напряжений. В зависимости от толщины d металла сварку выполняют односторонним (рис.1,а,б) или двухсторонним (рис.1, в,г,д) швами. При средних и больших толщинах для обеспечения провара обрабатывают кромки, выполняя прямолинейные (рис. 1,б,в,г) или криволинейные (рис. 1,д) скосы.

При автоматической сварке толщина деталей, свариваемых без разделки кромок, увеличивается вдвое, а угол скоса вдвое уменьшается (30…35°).

Кроме листового металла стык сваривают также трубы, швеллеры, уголки и другие фасонные профили.

При качественной сварке соединение разрушается в основном в зоне термического влияния. Поэтому расчёт стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне.

Расчёт стыкового шва, работающего на:

- растяжение

; (1)

- сжатие

 

; (2)

 

- изгиб

; (3)

- изгиб с растяжением


, (4)

 

где Р – растягивающая или сжимающая сила, Н; F – площадь расчётного сечения, мм2 ; М – изгибающий момент, Н×мм; W – момент сопротивления расчётного сечения, мм3; и – соответственно допустимые напряжения растяжения и сжатия, МПа.

 

Соединения внахлёстку (рис. 2) выполняют с угловыми (валиковыми) швами. Разделки кромок в этом процессе не требуется. В зависимости от расположения шва относительно нагрузки различают лобовые (рис. 2а), фланговые (рис. 2,б), косые (рис.

2,в) и комбинированные (рис. 2,г) швы.

По форме поперечного сечения швы бывают нормальными (рис. 3,а), выпуклыми (рис. 3,б), вогнутыми рис. 3,в) и в виде неравнобокого треугольника (рис. 3,г). Применение выпуклых швов нецелесообразно, т.к. повышенная толщина шва может вызвать концентрацию напряжений. Вогнутые швы наоборот, снижают концентрацию напряжений, но удорожают конструкцию. В основном применяют швы нормального сечения. При этом катет шва k обычно равен толщине листа d. В машиностроительных конструкциях мм.

Все угловые швы рассчитываются на срез. Наиболее вероятно разрушение шва по плоскости биссектрисы ab (рис. 4) прямого угла. При этом высота шва , а площадь среза , где l – длина шва.

    
   
    

При симметричном расположении угловых швов относительно линии действия растягивающей или сжимающей силы принимают, что по всей длине периметра шва напряжения распределяются равномерно и условие прочности записывается в виде:

 

, (5)

 

где – допускаемое напряжение среза материала шва.

На самом деле распределение напряжений по длине флангового шва неравномерно. Поэтому длину флангового шва ограничивают значением .

При соединении лобовым швом и нагружении моментом в плоскости соединения (рис. 5) расчёт ведут по формуле

. (6)

 

При нагружении моментом соединения, выполненного фланговыми швами (рис. 7), напряжения распределяются по длине шва неравномерно. Поэтому расчёт таких швов зависит от соотношения длины швов l и расстояния между ними b. При l ³ b (рис. 7,а) касательные напряжения среза вычисляют по формуле

, (7)

 

где Wp – полярный момент сопротивления. В случае коротких швов (рис. 7,б) l < b в инженерной практике применяют приближённый расчёт по формуле

 

. (8)

 

При несимметричном расположении швов относительно линии действия внешней силы (рис. 6) сварное соединение рассчитывают с учётом нагрузки, приходящейся на каждый шов. Швы у обушка и у полки воспринимают соответственно нагрузки

 

,

причём с1 и с2 – соответственно расстояния от проекции центра тяжести (ЦТ, рис. 6) сечения на плоскость стыка до шва у обушка и пера. Разделив эти силы на площади среза соответствующих швов и приравняв полученные напряжения , можно найти требуемые длины швов о обушка (l1) и у пера (l2):

 

. (9)

 

 

Тавровые соединения (рис. 8) применяют в том случае, если соединяемые элементы расположены перпендикулярно друг к другу. Такие соединения выполняют как без разделки кромок (рис. 8,а), так и односторонней (рис. 8,б) или двухсторонней (рис. 8,в) разделкой кромок. При выполнении соединения без угловым швом без разделки кромок шов рассчитывают на срез по формуле:

 

, (10)

где l – длина каждого из угловых швов.

Тавровые соединения с разделкой кромок рассчитывают как стыковые (в зависимости от действующей нагрузки) по формулам (1)-(4).

 

3. Допускаемые напряжения для сварных соединений.Величина допускаемого напряжения материала сварного шва зависит от следующих факторов:

  • способности материала к свариваемости (хорошо свариваются низко- и среднеуглеродистые стали);
  • вида технологического процесса;
  • типа электродов;
  • характера действующих нагрузок.

Приведём значения допускаемых напряжений для низко- и среднеуглеродистых сталей, а также низколегированных сталей при статической нагрузке.

 

  Сварка   Допускаемые напряжения при   
растяжении сжатии срезе  
Автоматическая под флюсом, а также ручная электродами Э42А, Э50А   Ручная электродами Э42, Э50   0,9       0,65 0,6

 

При действии переменной нагрузки допускаемые напряжения определяют умножением табличных значений на коэффициент g, вычисляемый по формуле:

 

, (11)

 

где Ks - эффективный коэффициент концентрации напряжений, (см. таблица ниже); верхние знаки берутся при растяжении и сдвиге, а нижние – при сжатии; R – коэффициент асимметрии цикла напряжений:

 

.

 

Если применение формулы (11) даёт g > 1, то полагают g = 1.

 

Значения коэффициента Ks

Характеристика соединения Низкоуглеродистая сталь Ст.3 Низколегированная сталь 15ХСНА
Деталь в местах перехода к шву стыковому лобовому фланговому   Стыковые швы с полным проваром корня   Угловые швы лобовые фланговые   1,5 2,7 3,5     1,2     2,0 3,5   1,9 3,3 4,6     1,4     2,0 4,5

 

Повышению выносливости сварных швов способствуют: автоматическая сварка под флюсом и в среде защитных газов; термообработка сварных конструкций; наклёп дробью или чеканка швов. Это позволяет повысить прочность сварных швов при переменных нагрузках в 1,5…2 раза.

 

4. Паяные соединения.Такие соединения образуются за счёт местного нагрева легкоплавкого присадочного материала – припоя, который растекается по нагретым поверхностям и при охлаждении образует паяный шов. Материал шва диффузионно и химически связан с материалом соединяемых деталей.

Нагрев припоя и деталей при пайке осуществляют паяльником, газовой горелкой, в печах и пр. При пайке в печах припой укладывают в виде проволочных и ленточных контуров, паст и т.д. Для ослабления вредного влияния окисления поверхностей деталей применяют специальные флюсы на основе канифоли, буры и др. Применяют также пайку в среде нейтральных газов или в вакууме.

Конструирование паяного соединения включает три основных момента: выбор основного металла, выбор припоя и способа пайки. При этом основным условием является паяемость основного металла и обеспечение требуемой прочности соединения. Учитывают также чувствительность основного металла к нагреву и склонность его к образованию трещин под действием расплавленных припоев. Поэтому, например, пайка сталей латунью находит ограниченное применение, поскольку медь вызывает охрупчивание соединения.

Припой должен хорошо смачивать обезжиренные поверхности деталей. В качестве припоев иногда применяют чистые металлы, а в основном – сплавы на основе олова, меди, серебра и т.п. Для пайки стальных изделий неответственного назначения используют припой марки Л63 на основе меди. Для внутренних швов медицинской аппаратуры, а также в электротехнике и приборостроении пользуются оловянно- свинцовыми припоями ПОС 90, ПОС 61 и ПОС 50.

В паяных узлах применяют соединения встык и нахлёстку, а также комбинации этих соединений. Расчёт паяных соединений встык и нахлёстку аналогичен расчёту сварных соединений. Но в нахлёсточном соединении площадь расчётного сечения принимают равной площади контакта деталей: F = bl, где b и l – ширина и длина площадки контакта. Прочность на срез соединений, выполненных оловянно-свинцовистыми припоями, а также припоями на основе меди или серебра достигает , где sвр – предел прочности припоя.

 

5. Клеевые соединения.Клеевым называют неразъёмное соединение с помощью клея – вещества, способного соединять материалы и удерживать их вместе путём скрепления поверхностей. Клеевые соединения широко распространены во многих отраслях машиностроения. Синтетическими клеями соединяют практически все материалы промышленного значения (стали, сплавы, медь, серебро, древесину, пластики и т.п.). В ряде случаев склеивание представляет собой единственный способ соединения разнородных материалов.

В металлических конструкциях клеями надёжно и прочно соединяют разнородные материалы разной толщины. Клеевые соединения более дёшевы, чем сварные, заклёпочные либо болтовые. Кроме того, эти соединения не ослабляют основной металл, поскольку нет необходимости сверления отверстий под болты или заклёпки. Часто эти соединения герметичны без дополнительного уплотнения.

  
 

Наибольшее применение при склеивании находят соединения внахлёстку и телескопические. Для телескопический соединений применяют жидкий клей (чаще – холодного затвердевания). Для соединений внахлёстку требуется высокопрочный клей, например, плёночный. Распространённые конструкции клеевых соединений показаны на рис. 9.

 

Условие прочности на срез соединения внахлёстку имеет вид

 

, (7)

 

  
 

где b и l – ширина и длина нахлёстки, а [tср] – допускаемое напряжение сдвига. Для фенолонитрилкаучуковых клеев [tср] =33…40 МПа, для эпоксидных » 20 МПа, для полиуретановых 10…16 МПа. Прочность клеевого соединения зависит от толщины клеевого слоя. Обычно эта толщина составляет 0,05…0,15 мм. Контроль качества соединений осуществляют разрушающими и неразрушающими методами (рентгеновским, инфракрасными лучами и др.).

 

6. Заклёпочные соединения. Заклёпочные соединения осуществляются с помощью заклёпки –короткого сплошного или полого цилиндрического стержня с закладной головкой (рис. 10). Использование в конструкции той или иной формы головки определяется в основном эксплуатационными требованиями (аэродинамическими и др.). Соединения такого вида относятся к неразъёмным.


Заклёпку при сборке устанавливают в предварительно подготовленное отверстие в деталях и осадкой (клёпкой) специальным инструментом формируют вторую замыкающую головку. При этом пакет соединяемых листов стягивается за счёт поперечной упругопластической деформации тела заклёпки , и происходит заполнение начального зазора между стержнем и стенками отверстий.

Заклёпочные соединения применяют преимущественно в конструкциях летательных аппаратов, металлоконструкциях и других изделиях, в которых внешние нагрузки действуют параллельно плоскости стыка, а применение сварки, пайки или склеивания затруднено или невозможно по конструктивным или технологическим соображениям (несвариваемые материалы, недопустимость нагрева и др.).

Листы (детали) соединяют внахлёстку (рис. 11,а) или встык (рис. 11,б) с одной (б) или двумя (в) накладками. При этом заклёпки в соединении располагают простыми (рис. 12,а)или шахматными рядами (рис. 12,б).

Заклёпочные соединения обладают сравнительно высокой технологичностью, но вместе с тем и высокой трудоёмкостью изготовления и контроля качества.

 

Расчёт заклёпочных соединений. Опыт эксплуатации показал, что нарушение целостности заклёпочных соединений происходит из-за обрыва головок и разрушения стержней заклёпок либо вследствие смятия стенок отверстий соединяемых деталей.

Расчёт заклёпки на срез выполняют по формуле:

 

, (8)

 

где P – сила, действующая на стык; F – суммарная площадь поперечного сечения п заклёпок с диаметром стержня d; - допускаемое напряжение среза т ела заклёпки. При проектировочном расчёте определяют диаметр заклёпки:

 

. (9)

 

В соединении с двумя накладками (рис. 11,в) может разрушиться путём среза заклёпок по двум плоскостям. Такие соединения называются двухсрезными. При их расчёте принимают, что усилие, приходящееся на одно сечение, вдвое меньше общего усилия.

Если заклёпки изготовлены из менее прочного материала, чем соединяемые детали, то выполняют также расчёт заклёпок на смятие:

 

, (10)

 

где - допускаемое напряжение смятия для материала заклёпки, а s – меньшая из толщин соединяемых элементов. Из условия (10) при проектировочном расчёте можно определить требуемый диаметр заклёпки:

 

. (11)

 

Кроме расчёта заклёпок выполняют также расчёт соединяемых деталей. Здесь проверяются два условия. Во-первых, нормальные напряжения по ослабленному заклёпками сечению не должны превосходить допускаемых:

 

, (12)

 

где s – толщина листа, b – его ширина, d – диаметр отверстия под заклёпку, а z – число заклёпок в одном ряду.

Кроме расчёта на прочность соединяемые листы рассчитываются на смятие стенок отверстий по формуле:

, (13)

 

где (t -0,5d) – длина опасного сечения, [tсд] – допускаемое напряжение среза для материала детали.

Допускаемые напряжения в расчётах заклёпочных соединений принимают следующими:

 

(14)

 

 

Предыдущая статья:НА ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ Следующая статья:Соединения типа вал – ступица.
page speed (0.0155 sec, direct)