§ 8. Соединения деталей

Применяемые в машино- и приборостроении соединения отдель­ных деталей можно разделить на две основные группы: разъемные и неразъемные.

К разъемным принадлежат соединения, которые можно неодно­кратно разбирать и вновь собирать без разрушения или сущест­венных повреждений соединительных элементов — резьбовые (бол­товые и винтовые), шпоночные, шлицевые (зубчатые) и др.

К неразъемным относятся соединения, разборка которых невоз­можна без разрушения соединительных элементов, — заклепочные, сварные, клеевые.

Промежуточное положение между разъемными и неразъемны­ми соединениями занимают прессовые соединения (с гарантирован­ным натягом по цилиндрическим или коническим поверхностям). При их разборке контактирующие поверхности деталей в большин­стве случаев получают повреждения, что снижает качество соедине­ний после их вторичной сборки.

Резьбовые соединения. Болтовые и винтовые соединения широ­ко распространены в машиностроении. Они выполняются как непо­средственным ввинчиванием одной детали в другую, так и при по­мощи специальных крепежных резьбовых деталей.

По назначению резьба может быть трех видов: крепежная обычно треугольного профиля, обеспечивающего ее высокую проч­ность и стойкость против самоотвинчивания; крепежно-уплотняю- щая также треугольного профиля, для соединений, требующих гер­метичности; для ходовых и грузовых винтов, выполняемая трапе­цеидального, несимметричного трапецеидального и прямоугольного профилей. Резьба этих профилей позволяет получить больший вы­игрыш в силе и более высокий к. п. д., чем резьба треугольного профиля.

Основными типами резьбовых крепежных деталей являются болты, винты, шпильки и гайки, а также устройства, предохраняю­щие резьбовые соединения от самоотвинчивания (пружинные шай­бы, гаечные замки и др.).

Рис. 15. Резьбовые соединения

Болтом (рис. 15, а) называется крепежная деталь, обычно ци­линдрический стержень, на одном конце которого имеется головка (чаще всего в виде шестигранной призмы), а на другом — резьба для навинчивания гайки. Обычно болтами скрепляют детали не очень большой толщины. Отверстия в соединяемых деталях выпол­няют диаметром несколько большим, чем у болта, чтобы можно было вставить болт без повреждения резьбы. С торца головку болта обтачивают на конце (снимают фаску), т. е. срезают верши­ны углов призмы, которые могут создать затруднения при захваты­вании головки ключом.

С целью упрощения технологии монтажа металлических конст­рукций крана в настоящее время вместо заклепок часто применяют болты с чисто обработанными стержнями (рис. 15,6) для установ­ки без зазора (по тугой или напряженной посадке) в отверстия из-под развертки. Диаметр резьбы таких болтов меньше диаметра стержня, чтобы исключить повреждение резьбы во время сборки узла.

При действии значительных поперечных сил переменного на­правления вместо цилиндрических применяют конусные (призон- ныг) болты (рис. 15, в), которые устанавливают в конические раз­вернутые отверстия. На болтах имеется небольшой цилиндрический выступ, предохраняющий резьбу от повреждения при выбивании болтов.

Винтом (рис. 15, г) называется деталь цилиндрической (реже конической) формы с винтовой поверхностью. Это, иначе говоря, тот же болт, но крепящий детали без гайки путем ввинчивания в одну из соединяемых деталей, имеющую большую толщину. Вин­ты применяют в тех случаях, когда необходимо снизить массу изде­лия или конструктивно невозможно применить болт с гайкой.

Шпилькой (рис. 15,6) называют крепежную деталь — цилин­дрический стержень, имеющий резьбу на обоих концах. Шпильки применяют в тех же случаях, что и винты. Особенно целесообразно использовать их тогда, когда соединение подвергается частой раз­борке и сборке, а резьба в детали не обладает достаточными проч­ностью и износостойкостью.

Гайка (см. рис. 15, а)—замыкающая деталь в резьбовом сое­динении, имеющая отверстие с резьбой. Наиболее распространены гайки в виде шестигранной призмы, имеющей отверстие с резьбой. Круглые гайки изготовляют со шлицами или с отверстиями на тор­це «под ключ». Применяют гайки при относительно малых осевых нагрузках.

Шайба — стальное кольцо небольшой толщины, подкладывае- мое под гайку или головку болта для предохранения от задиров материала соединяемых деталей, а также для увеличения опорной поверхности.

Гаечный замок (контргайка, пружинная и стопорная шайба, разводной шплинт и др.) предназначен для предотвращения само- отвинчивания гайки. Применяют также стопорение гаек путем при­варки, кернения и расклепывания, когда соединение в процессе экс­плуатации не требует разборки.

Шпоночные соединения (рис. 16). Благодаря простоте и надеж­ности конструкции, удобству сборки-разборки шпоночные соедине­ния широко распространены во всех отраслях машиностроения.

Шпонку 1 устанавливают в пазах вала 2 и втулки 3 (зубчатого колеса, муфты, тормозного шкива и т. п.) для передачи вращающе­го момента от вала к втулке или, наоборот, от втулки к валу.

Шпонки бывают призматические, сегментные, клиновые и специ­альные. Основные типы шпонок стандартизированы. В тех случаях, когда одна шпонка не может передать заданного вращающего мо­мента, устанавливают две-три шпонки под углом 180 и 120° одна к другой. В настоящее время соединения с несколькими шпон­ками применяют редко.

К недостаткам шпоночных соединений следует отнести ослаб­ление вала и втулки (ступицы) шпоночными пазами, уменьшающи­ми их поперечное сечение и вызывающими значительную концент­рацию напряжений, что приводит к снижению прочности соединяе­мых Деталей.

Шлицевые (зубчатые) соединения (рис 17). Соединение обра­зуется выступами (зубьями) на валу /, входящими Во впадины — пазы втулки 2. Эти соединения иногда называют многошпоночны­ми, считая, что шпонки в этом случае выполнены как одно целое с валом. По сравнению со шпоночными шлицевые соединения име-

Рйс. 16. Шпоночное соединение

Рис. 17. Шлицевое соединение

ют большую нагрузочную способность благодаря большей рабочей поверхно­сти контакта и лучше центрируют со­прягаемые детали. Форма зубьев та­ких соединений бывает прямоугольной (см. рис. 17), эвольвентной (см. рис. 14,г), треугольной и трапецеидальной. Чаще других применяют соединения с прямоугольной формой зубьев.

З

Рис. 18. Заклепочное соедине­ние

аклепочные соединения. Применя­ют соединения в основном в конструк­циях из легких сплавов, где еще не разработаны методы надежной свар­ки, а также в конструкциях, работающих на динамические нагруз­ки (мостах, корпусах самолетов, рамах машин и др.). На кранах заклепочные соединения используют для скрепления элементов металлоконструкций, фундаментных рам, фрикционных обкладок с колодками тормозов и т. д.

В заклепочных соединениях функцию соединительных элемен­тов выполняют заклепки — стержни круглого поперечного сечения с головками по концам. Непоставленная заклепка имеет одну го­ловку, называемую закладной; вторую головку, которая образуется в процессе клепки, называют замыкающей.

Различают заклепки с полукруглой, потайной, полупотайной, плоской головкой и др. Основные типы заклепок стандартизиро­ваны.

Наиболее распространены заклепки с полукруглой головкой (рис. 18, а), применяемые для создания прочных швов. Заклепки с потайной головкой менее прочны. Их устанавливают в тех местах, где выступающие головки полукруглых заклепок мешают располо­жению других деталей.

Заклепочное соединение стальных листов образуется следую­щим образом: стержень 1 (рис. 18,6) заклепки вставляют в про­сверленное или продавленное в стальных листах 4 отверстие. Спе­циальной поддержкой 6 плотно прижимают закладную головку 5 заклепки и ударами молотка, кувалды или давлением клепальной машины на обжимку 2 расклепывают выступающий из листов ко­нец заклепки, образуя замыкающую головку 3.

Рис. 19. Типы заклепочных швов

По назначению заклепочные ^

с оединения делят на прочные и р _ плотные. Первые применяют в стальных конструкциях подъем- но-транспортных сооружений, в рамах, кронштейнах и т. д., вто­рые — в резервуарах, баллонах, котлах и т. д. Л

В соединениях, как правило, устанавливают несколько закле­пок, которые вместе с соединяе­мыми деталями образуют закле­почный шов.

В зависимости ОТ взаимного ^Рис- ²⁰- Однорядный заклепочный расположения склепываемых ли- ^{шов вна}*^лесткУ стов различают швы внахлестку

(рис. 19, а) с одной накладкой (рис. 19, б) и с двумя накладка- ми (рис. 19, в).

Прочность клепаного соединения обеспечивается силами трения, возникающими от плотного контакта склепываемых деталей. При­чины разрушения заклепочного шва при действии внешних сил: срез заклепки; разрыв листов по сечению, ослабленному заклепоч­ными отверстиями; вырезание заклепками торцевой кромки листа; смятие заклепки или стенки отверстий листов в местах их сопри­косновения.

Расчет заклепочного соединения должен обеспечивать равно- прочность всех элементов шва. Рассмотрим такой расчет на приме­ре однорядного шва внахлестку (рис. 20) из условий прочности за­клепок на срез.

Рабочее напряжение на срез в соединении, вызванное силой Р,

Р

^Тср_ ШЦ4 ^<[т]ср’

где Р — внешняя сила, действующая на соединение;

/ — общее число заклепок соединения;

й₀ — диаметр отверстия под заклепку (расчет ведут по диаметру не (I недо­ставленной заклепки, а по несколько большему й₀, считая, что постав­ленная заклепка при клепке полностью заполняет отверстие);

[т] _Ср — допускаемое напряжение на срез.

Пример. Проверим прочность на срез заклепочного соединения (см. рис. 20), на которое действует внешняя сила Р=8,5*10⁴ Н (Н — ньютон, еди­ница силы по Международной системе единиц). Заклепки выполнены диаметром 20 мм из стали Ст. 2.

Допускаемое напряжение [т]_Ср=100 МПа. Принимаем условно, что проч­ность остальных элементов шва обеспечивается.

По указанной формуле определяем рабочее напряжение и сравниваем его с допускаемым напряжением:

8,5-10*

т_Сп = ^! = 9-107 Па = 90 МПа < [т]_ст).

^ср 3-3,14-20²:4 ^^р

Приведенный расчет показывает, что соединение недогружено.

Соарные соединения (рис. 21). По сравнению с заклепочными сварные соединения менее трудоемки в изготовлении и более надеж­ны в эксплуатации. При замене клепаных конструкций сварными их масса уменьшается на 10—20 .%; что особенно важно в крано- строении. С помощью сварки можно реставрировать изношенные и восстанавливать поломанные детали.

Рис. 21. Типы сварных соединений 28

Сварка металлов представляет собой процесс получения неразъ­емного соединения с применением местного нагрева и использова­нием сил молекулярного сцепления. Применяемые в настоящее вре­мя способы сварки можно разделить на сварку плавлением и кон­тактную.

Сварка плавлением чаще всего имеет вид электродуговой свар­ки плавящимся электродом. Процесс сварки заключается в созда­нии электрической дуги между электродами и кромками сваривае­мых деталей. Электрод расплавляется, металл заполняет простран­ство между деталями, оплавляя при этом их кромки. В результате образуется сварной шов.

Различают три основных вида электродуговой сварки: ручную, полуавтоматическую и автоматическую. Ручную сварку применяют при изготовлении конструкций из малоуглеродистых, углеродистых, низколегированных сталей и некоторых цветных сплавов (магние­вых, алюминиевых, никелевых), а также в тех случаях, когда рас­положение сварных швов в конструкции не позволяет применить более производительную автоматическую или полуавтоматическую сварку.

Контактная сварка является одним из наиболее производитель­ных и экономичных способов соединения конструкций. Существен­ная особенность контактной сварки состоит в том, что сварные швы образуются за счет металла свариваемых деталей без затраты до­полнительных материалов, что неизбежно при остальных видах сварки (газовой, электродуговой и др.). Свариваемые детали специ­альным приспособлением плотно прижимают друг к другу и через них пропускают ток большой силы. При этом в стыке деталей уси­ленно выделяется тепло, их концы нагреваются до температуры размягчения металла. Если нагретые концы сжать, то они соеди­нятся в одно целое, т. е. сварятся.

Основные разновидности контактной сварки: стыковая, точеч­ная, роликовая, рельефная.