4.3. Уменьшение концентрации напряжений в деталях

Усталостная прочность деталей определяется прочностью малых объ­емов материала в зонах высокой концентрации напряжений.

Концентрация напряжений может вызываться местным приложением нагрузки, формой детали и неоднородностью материала. Рассмотрим эти причины и их влияние на прочность детали.

Концентрация нагрузки является одной из самых решающих причин сокращения долговечности деталей машин.

Концентрация нагрузки вызывается: а) упругими деформациями дета­лей; б) погрешностями изготовления деталей или сборки; в) неравномерным износом.

Концентрация нагрузки в неподвижных соединениях и в неприрабатывающихся подвижных сопряжениях сохраняется на весь срок эксплуатации. Наиболее распространенным примером возникновения пиков давлений у кромок является соединение вала с втулкой с гарантированным натягом (рис. 4.2, а). В результате концентрации давления усталостная прочность ва­лов резко понижается, что характеризуется коэффициентом концентрации, напряжений (коэффициент концентрации напряжений - отношение наи­большего напряжения в зоне концентрации к номинальному напряжению =_max/_ном), изменяющимся в зависимости от натяга и материала вала от 2,5 до 5.

Рис. 4.2. Концентрация напряжений при напрессовке втулки на вал: 1 – вал, 2 – втулка, 3 – эпюра напряжений

Понижение прочности вала от напрессовки может быть почти полно­стью компенсировано комплексом следующих мероприятий: увеличением диаметра посадочной поверхности вала точно по длине втулки (ступицы шестерни, шкива) на 5 %, выполнением галтелей большого радиуса  и их обкаткой роликом, выполнением разгрузочной канавки (рис. 4.2, б).

Нагрузки в резьбовых соединениях распределяются неравномерно по виткам: так, при взаимодействии крепежного винта с гайкой, имеющей 10 витков, первый, наиболее нагруженный, виток воспринимает 34 % нагрузки, а десятый, наименее нагруженный, - менее 1 %. Коэффициент концентрации нагрузки достигает 3. Уменьшение этой концентрации нагрузки на витки резьбы может быть получено за счет увеличения податливости витков на всей длине или в зоне наибольшей нагрузки. При этом могут применяться следующие приемы: резьбовая часть размещается в отверстии детали под опорной поверхностью (рис. 4.3, а), делается кольцевая выточка (рис. 4.3, б), выполняется опорная поверхность конусной с поднутрением около 5 и кон­тактом по периферии (рис. 4.3, в). При этом наиболее нагруженные витки разгружаются и ресурс винта повышается на 85 %.

Рис. 4.3. Уменьшение концентрации нагрузки при резьбовом соединении

Валы, подверженные очень большим осевым нагрузкам при стеснен­ных диаметральных габаритах, в частности в бурильных устройствах, снаб­жают многорядными шариковыми подпятниками, т.е. несколькими подпят­никами, работающими параллельно (рис. 4.4). Наружные кольца 1 с помо­щью дистанционных втулок 2 закрепляют на корпусе 3, а внутренние 4 с по­мощью таких же втулок 5 - на валу 6. Выбором соотношений длин втулок ₁ и ₂ можно обеспечить равномерную нагрузку подпятников при нагрузке.

В озле отверстий, галтелей, кольцевых выточек, у шпоночных и шлицевых пазов, у основания резьб и в других местах, где резко меняется конфигурация детали, напряже­ния распределяются также нерав­номерно, т.е. возникает концен­трация напряжений.

Концентрацию напряжений можно уменьшить:

1) приданием деталям плавных очертаний, особенно округлением внутренних углов (рис. 4.5, а, б);

2) удалением неработающего металла, уменьшением жесткости конст­рукции (созданием разгрузочных канавок) (рис. 4.5, в);

3) размещением источников концентрации напряжений в зонах малых номинальных напряжений или смещением максимумов местных напряжений от разных источников (рис. 4.5, г, д).

Рис. 4.5. Уменьшение концентраций напряжений

Давление по длине направляющих и суппортов распределяется неравномерно в связи с их изгибом и кромочным эффектом (рис. 4.5, г) - на эпю­рах давлений имеется горб под силой и пики по концам. Если между ними положить жесткую прокладку (рис. 4.5, д), то пики уменьшаются, уменьша­ются и напряжения.

При растяжении и изгибе пластин, валов с отверстиями коэффициент концентрации напряжений достигает =3. Средствами уменьшения влияния отверстий служат раззенковка 1, снятие риски (на валу), обжатие кромок шариком 2 и выполнение разгрузочных лунок (для вала) 3, 4 и канавок для пластин (рис. 4.6).

У пругие деформации изгиба валов вызывают взаим­ный наклон сце­пляющихся зубчатых шестерен и концентрацию нагрузки по длине зубов.

Основные мероприятия по уменьшению концентрации нагрузки на зубьях шестерен:

1. уменьшение ширины шестерен;

2. расположение шестерен симметрично между опорами;

3. придание зубьям бочкообразной формы;

4. выполнение зубьев консольно-установленных шестерен слегка коническими.

Сварные соединения при переменных напряжениях теряют свою прочность, это обусловлено:

во-первых, концентрацией напряжений;

во-вторых, остаточными напряжениями;

в-третьих, изменением структуры металла около шва. Поэтому при проектировании сварных соединений необходимо учитывать следующее:

1. по возможности применять стыковые соединения с механическим снятием утолщений от сварки;

2. для элементов с V-образным швом предпочтительно, чтобы зона у вершины работала на сжатие, а не на растяжение;

3. от постановки дополнительных накладок усталостная прочность только понижается;

4. следует, избегать совмещения сварных швов с местами концентрации напряжений.