§ 4. Шестерни и шнивы

Сварные шестерни, шкивы и маховики по оформлению кон­струкции имеют много общего. Во всех указанных объектах основными их частями являются обод, ступица и соединительные

Рис. 21-14. Сварные шестерни и шкивы

элементы, связывающие обод со ступицей. Соединительными элементами служат спицы или сплошные центры. Рассмотрим конструкции сварных шестерен.

На рис. 21-14, а приведен пример легкого шкива с центром и ободом из уголка, на рис. 21-14,6 — шкива с ободом из швел-■'юра со спицами из полосовой стали, на рис. 21-14,6 — зубча-

675

тое колесо со сплошным центром, а на рис. 21-14, г —зубчатого!. колеса с ободом, сваренным встык. Внутренний диаметр ступи-* цы обычно соответствует диаметру вала. В качестве спиц могут* быть использованы не только трубчатые элементы, но и тавры, двутавры и различные штампованные профили. Ободы шесте­рен большого размера прежде изготовлялись литыми или кова­ными, и настоящее время их в большинстве случаев вальцуют из толстых листов и сваривают встык. Центр и ребра изготов­ляют из малоуглеродистой стали. Для ободов применяют повы­шенные сорта кованой и вальцованной стали, например хроман-силь, а также углеродистые стали 35, 45 и т. п.

Швы, приваривающие центр к ступице и к ободу, целесооб­разнее выполнять с подготовкой кромок, как показано на рис. 21-15,а. При этом концентрация напряжений в соединениях

Шды с пбдготобкой кромох Швы без подготовка крдт*

Рис, 21-15. Сварные соединения дисков со ступицами: а) с подготовкой кромок; б) йез подготовки кромок

оказывается меньше, а следовательно, прочность при перемен­ных нагрузках больше, чем в конструкции с угловыми швами (рис. 21-15,6). При значительном объеме производства эти швы лучше сваривать на автоматах под слоем флюса. При этом бла­годаря проплавлению отпадает необходимость в подготовке кромок.

Центр представляет собой весьма ответственную часть кон­струкции шестерни. При недостаточной его жесткости во время эксплуатации возникают вибрации, которые могут расстроить зубчатые зацепления. Поэтому центры иногда конструируют двустенчатьши, как, например, на рис. 21-2. Между стенками по­лезно ставить диафрагмы жесткости.

Жесткость двустенчатой шестерни значительно выше, чем одностенчатой.

С целью уменьшить вес шестерни иногда конструируют без ступицы и насаживают непосредственно на вал. После сварки шестерню подвергают термической обработке (отпуску) в тер­мической печи для снятия остаточных напряжений. После отпу­ска производят механическую обработку н нарезку зубьев.

Подобным же образом конструктивно оформляются шкивы и маховики. Шкивы и маховики часто не требуют столь большой

676

точности изготовления и сохранения размеров, как шестерни. Поэтому, как правило, после сварки эти конструкции не подвер­гают отпуску.

Преимущества сварных шестерен перед литыми весьма значи­тельны; достигается экономия металла, которая нередко состав­ляет 30-:-40%; значительно уменьшается объем механической обработки, которая в литых деталях значительна; при сварке получаются конструкции с высокими однородными механически­ми свойствами; более рационально используется материал высо­кого качества, чем при литье (например, применяют его только в оболах, где необходима высокая прочность, и не используют

6) в)

г в м

"WP??,

Рис. 21-16. К расчету сварных соединений шесте­рен со спицами:

а) шестерня; б, в) эпюры Q и М по длине спиц; г) соединение спицы со ступицей

в центрах, где механические свойства малоуглеродистой стали вполне достаточны).

Расчет прочности сварной шестерни производят на касатель­ное усилие, приложенное к зубу зацепления. Усилие Т передается на обод, а с обода на ступицу (или на вал) через спицы или центр. Если число спиц менее четырех, то считают, что усилие Т воспринимается полностью одной спицей. Таким образом, в спи­це возникает поперечная сила Q = T и изгибающий момент M^-Tl (рис. 21-16, а—в).

Напряжение от изгиба в спице определяется по формуле

М

j ymaxi

(21,10)

677

где /—момент инерции поперечного сечения спицы относЩ тельно оси х; У та*, —указан на рис. 21-17, г.

Следует определить касательные напряжения в швах спиц соединяющих ее пояс со стенкой. Если швы угловые с катетом то напряжения в них от поперечной силы равны

_TS5S____9§.___ (2111

J ■ 2 • 0,7/с ' ^i.u

где S — статический момент полки относительно центра тяжести^ Касательные напряжения т, определяемые по формул( (21.11), обычно незначительны по величине, В месте соедине» ция спицы со ступицей следует определить напряжение в угло­вых швах от момента

** м

^~г 0>т« + к); (21.12)

где /_с—момент инерции периметра' шва относительно верти­кальной оси. Напряжение от поперечной силы проверяется только с учетом швов, приваривающих стенку профиля

■чг-Тг. (21.13)

Напряжения в соединениях спиц со ступицей от Q обычно бывают малы. Прочность в основном определяется напряжением от момента. Если число спиц я>4, то

М=~~; Q-^~. (21.14)

В конструкциях сварных шестерен, (рис. 21-17, а) с центрами вместо спиц наиболее нагруженными являются швы, соединяю­щие центр со ступицей. Они воспринимают усилие Т и крутя­щий момент, равный

Ж = TR.

Напряжение в соединении ступицы с центром определяется

в предположении, что касательные напряжения распределены равномерно по длине шва; на участке длиной, равной единице, усилие в шве с подготовкой кромок (рис. 21-17,6) создает момент

m = 1 -st/*.

Полный момент будет равен

М — пг2ъг =z2nr*sv.

678

Напряжение в шве с подготовкой кромок

м

2,nr-s

(21.15)

Напряжения в угловых швах (рис. 21-17,в) с катетом к со-ста вят

Л*

4яг=0,7 к

(21.16)

Пример расчета, Касательное усилие на зубе ;г=10(Ю0 кГ (см. рис. 21-17, а), радиус шестерни R = 37 5 мм, ра-

r=;or ^

Рис. 21-17. К расчету сварных соединений шестерен со сплошным центром:

й) шестерня, б) соединения центра со ступицей н ободом z подготовкой кромок; в) то же без подготовки кромок

диус ступицы г==75 мм. Определить напряжения в соединении центра (л'=12 мм) со ступицей. Момент

M=TR^ 10000 • 37,5 = 375000 кГ ■ см.

В швах, соединяющих центр со ступицей, сваренных с подго­товкой кромок (рис. 21-17,6), касательные напряжения опреде­ляются по формуле (21.15)

М

375 000

2т.гЧ 2 • 3,14 • 7,5-- 1,2

880 кПсмг,

В швах, соединяющих центр со ступицей, сваренных без под­готовки кромок угловыми швами с катетом к = 8 мм (рис. 21-17,в), касательные напряжения определяются по фор­муле (21.16)

М

375 000

4пг'²0,7к ~" 4 • 0,7 ■ 3,14 ■ 7,5³ ■ Q,t

950 кГ(см\