3 Шпилечное соединение

3.1 Конструкция соединения

На рисунке 5, а показано расположение деталей и сварных швов на основании подшипника.

Размеры двух площадок под шпильки 57 х 82 мм. Исходя из этого, предварительно принимаем [3, c. 24] четыре (z = 4) шпильки М16 ГОСТ 22034-76 (l₁ = 1,25d), гайки М16 ГОСТ 5915-70 (размер под ключ S = 24 мм, шайбы 16 ГОСТ 6402-70.

30

Рисунок 5. Расчетная схема шпилечного соединения

Согласно [3, c. 28] (рисунок 5, а) при S = 24 мм размеры расположения осей

шпилек Е = К = 16 мм; А = 48 мм. Принято Е₁ = К = 16 мм; А = 50 мм; Е₂ = 41 мм.

3.2 Нагрузка на соединение

Координаты центра масс О стыка на пересечении диагоналей прямоуголь-ника основания х₀ = 55 мм, y₀ = 0.

Нагрузка на соединение (рисунок 5, б):

отрывающая сила F_r = 21,65 кН; сдвигающая сила F_a = 12,5 кН; изгибающий момент M = F_a(h + c) – F_a(x₀ – l_P – 10) = 12,5∙146 – 21,65∙30 = 1175,5 Н∙м. Наиболее нагруженные шпильки 1 и 3 – силы F_М и F_Fr складываются.

Усилия в зоне наиболее нагруженной шпильки 1 от силы F_r: F_Fr = F_r / z =

= 21,65 / 4 = 5,41 кН; от силы F_a: F_Fa = F_a / z = 12,5 / 4 = 3,13 кН.

Формула (3.9) [3, c. 9] при несимметричном расположении шпилек относительно центра масс стыка О (рисунок 5) преобразуется в F_М1 = 10³Мl₁ / 2(l₁² +

+ l₂²), где l₁ = 0,5е – К = 0,5∙110 – 16 = 39 мм, l₂ = А – l₁ = 50 – 39 = 11 мм – соответственно расстояния от осей шпилек 1 и 2 до центра О; F_М2 = F_М1 l₂ / l₁;

F_М1 = 10³∙1175,5∙39 / 2(39² + 11²) = 13960Н; F_М2 = 13960∙11 / 39 = 3940 Н.

Суммарная осевая сила в зоне шпильки 1: F = F_Fr + F_М1 = 5410 + 13960 = 19370 Н.

3.3 Усилия предварительной затяжки

3.3.1 По условию отсутствия сдвига в стыке после преобразования формулы (3.6) [3. c. 8] при несимметричном расположении шпилек (F_М1 ≠ F_М2):

F_зат1 = kF_d / (if) + (1 – χ)(F_Fr + F_М1 – F_М2) ,

где k = 1,5 – коэффициент запаса сцепления на сдвиг; F_d = F_Fa; i = 1 – число плоскостей стыка; f = 0,15 – коэффициент трения (сталь по стали); χ = 0,25 – коэффициент внешней нагрузки (стык жесткий); F_Fr и F_М1 – отрывающие силы (знак плюс); F_М2 – сжимающая стык сила (знак минус);

F_зат1 = 1,5∙3130 / (1∙0,15) + (1 – 0,25)(5410 + 13960 – 3940) = 42872 Н.

3.3.2 По условию нераскрытия стыка [3, c. 10]

F_зат2 = k(1 – χ)(± F_z + 10³А_стМ / W_стy) / z,

где k = 1,5 – коэффициент запаса по нераскрытию стыка; χ = 0,25; F_z = F_r; А_ст =

= ef = 110∙140 = 15400 мм² – площадь стыка; W_стy = fe² / 6 = 140∙110² / 6 =

= 28,2∙10⁴ мм³ – момент сопротивления стыка изгибу относительно оси y;

F_зат2 = 1,5(1 – 0,25)[21650 + 10³∙15,4∙10³∙1175,5 / (28,2∙10⁴)] / 4 = 24144 Н.

Учитывая, что F_зат1 > F_зат2 в 1,78 раза, для восприятия силы F_a установим упор (рисунок 5) высотой h_у = 0,5с = 8 мм и длиной f = 140 мм.

3.3.3 Расчетная осевая сила на шпильке 1 [3. c. 11]

F_ш = 1,3 F_зат2 + χF = 1,3∙24144 + 0,25∙19370 = 36230 Н.

3.4 Прочность шпильки

По формуле (4.6) [3, c. 11] напряжения растяжения шпильки М16 при внутреннем диаметре резьбы [3, c. 31] d₁ = 13,835 мм

σ_Р = 4 F_ш / (πd₁²) = 4∙36230 / (π∙13,835²) = 241 МПа.

Коэффициент безопасности [s] при неконтролируемой затяжке [3, c. 11]

[

86

s] = 2200∙1 / [900 – (70000 – 36230)²∙10^–7] = 2,8. Требуемый предел текучести материала шпильки σ_Т′ = σ_Р[s] = 241∙2,8 = 674,8 МПа.

Примечание 1. Условимся, что класс прочности выше, чем 8.8, в контрольной работе брать не следует, так как в этом случае требуется применение дорогой легированной стали

Из условия σ_Т > σ_Т′ принимаем класс прочности шпильки 8.8, для которого σ_Т = 640 МПа. Превышение σ_Т′: σ = 100(σ_Т′ – σ_Т) / σ_Т = 100(674,8 – 640) / 640) =

= 5,44 %, что больше допустимого [5%].

Принимаем резьбу шпилек М20; d₁ = 17,234 мм [3, c. 31]. Согласно [3, c. 28] уточняем размеры Е′ = К′ = 20 мм, А′ = 58 мм, М′ = 30 мм Принимаем К = 20 мм,

А = 60 мм, Е₁ = 22 мм, е = 28 + 22 + 60 + 20 = 130 мм. Основание e х f = 130 х

х 140 мм; х₀ = 65 мм, y₀ = 0.

Пересчет параметров:

М = 12,5∙146 – 21,65(65 – 10 – 15) = 959 Н∙м; l₁ = 0,5е – К = 0,5∙130 – 20 = 45 мм, l₂ = А – l₁ = 60 – 45 = 15 мм; F_М1 = 10³∙959∙45 / 2∙45² + 15²) = 9590 Н; F_М2 =

= 9590∙15 / 45 = 3197 Н; F = F_Fr + F_М1 = 5410 + 9590 = 15100 Н;

F_зат1 = 1,5∙3130 / (1∙0,15) + (1 – 0,25)(5410 + 9590 – 3197) = 40152 Н;

А_ст = ef = 130∙140 = 18200 мм²; W_стy = fe² / 6 = 140∙130² / 6 = 39,43∙10⁴ мм³;

F_зат2 = 1,5(1 – 0,25)[21650 + 10³∙18,2∙10³∙959 / (39,43∙10⁴)] / 4 = 18540 Н;

F_зат1 / F_зат2 = 40152 / 18540 = 2,17 раза;

F_ш = 1,3 F_зат2 + χF = 1,3∙18540 + 0,25∙15100 = 27877 Н.

σ_Р = 4F_ш / (πd₁²) = 4∙27877 / (π∙17,294²) = 118,7 МПа; [s] = 2200∙1/ [900 – (70000 – – 27877)²∙10^–7] = 3; σ_Т′ = σ_Р[s] = 118,7∙3 = 356 МПа. Принимаем класс прочности шпильки 6.6, для которого σ_Т = 3 60 МПа; σ_Т ≈ σ_Т′.

Вывод. При увеличении длины е основания на 20 мм условию прочности удовлетворяет резьба шпильки М20 класса прочности 6.6.