2.2. Конструктивні способи підвищення жорсткості

Способи підвищення жорсткості без суттєвого збільшення маси:

1) заміна згину на розтяг або стиск;

2) для деталей, які працюють на згин, необхідно раціонально розташовувати опори, з умови виключення невигідних видів навантажень;

3) збільшення моментів інерції перерізу без значного збіль-шення маси деталі;

4) підсилення деталей ребрами жорсткості, які працюють виключно на стиск;

5) підсилення прехідних ділянок деталей;

6) блокування деформацій за рахунок введення у конструкцію деталі поперечних і поздовжніх зв’язків;

7) для деталей типу диск-застосування конічних, сферичних форм; оребрення, гофрування;

8) для деталей типу «плита» - застосування сотових кон-струкцій, конструкцій коробчастих і таких, які містять виїмки.

Заміна згину розтягом-стиском.

Така заміна приводить до виникнення напружень, які однакові по всьому перерізу, і матеріал використовується пов-ністю. Межа навантаження настає тоді, коли напруження у всіх точках перерізу теоретично одночасно досягають критичного значення. Крім того, при розтягу (стиску) деформації деталі пропорційні її довжині. У випадку згину дія навантаження залежить від відстані між площиною дії згинальної сили та небезпечним перерізом. Деформації у цьому випадку пропорційні третій степені довжини.

Розглянемо приклад усунення напружень згину.

На рис. 2.1, а зображено литий кронштейн, який сприймає переважно згинальні навантаження. Якщо кронштейн виконати розкосим (рис. 2.1, б), він буде працювати на розтяг-стиск. Для більшого зміцнення конструкції стрижні кронштейну з’єднують перемичкою, наявність якої збільшує жорсткість системи (рис. 2.1, в).

Рис. 2.1. Схеми литих кронштейнів

Розглянемо тонкостінну консольну систему (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Тонкостінні системи

На рис. 2.2, а на систему діє поперечна сила Р, яка приводить до виникнення деформацій згину в усіх ділянках, які розташовані по твірній. У випадку 2.2, б навантаження сприймають бокові стінки конструкції, що розташовані паралельно площині дії згинального моменту (виділено темним), через те що їхня жорсткість у цьому напрямку у багато разів більша жорсткості стінок, які розташовані перпендикулярно площині дії моменту.

За умови конічної форми (рис. 2.2, в), стінки корпусу, які розташовані у площині дії згинального моменту, працюють наступним чином: верхні – на розтяг, нижні – на стиск. Бічні стінки згинаються. Тобто конструкція конічної форми забезпечує включення в роботу всієї стінок, що збільшує її жорсткість.

Загальна постановка задачі збільшення жорсткості: знайти точки найбільших переміщень системи, яка підлягає деформації, запобігти цьому переміщенню за рахунок введення елементів розтягу-стиску, які слід розташовувати за на-прямком переміщення.

Приклад вирішення даної задачі наведено на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схеми плоских ферм

Для збільшення жорсткості ферм до складу конструкції вводять додаткові зв’язки (розкоси). Розкіс розтягу (рис. 2.3, в) видовжується під час перекошування рами. Як ми вже знаємо жорсткість стрижня, який працює на розтяг значно вища ніж жорсткість стрижня, який працює на згин, це дає можливість значно збільшити жорсткість всієї системи. Аналогічна дія буде й для схеми (рис. 2.3, г), де встановлено розкіс стиску. Але у цьому випадку виникає повздовжній згин стислого стрижня, що робить систему менш жорсткою.

Якщо навантаження змінне і діє в обох напрямках, то застосовують розкоси перехресні (рис. 2.3, д, е).

Якщо конструкцію змінити не можливо таким чином, щоб замінити згин на розтяг (стиск), то на перший план виступає задача зменшення деформації і напружень згину.

На рис. 2.4 зображено основні схеми згину балок: консольної (а), закріпленої на кінцях (б), із жорсткім кріпленням (в).

Рис. 2.4.Схеми навантажень валів

Перевагу мають двохопорні балки. За умови однакової дов-жини, однакових перерізах і рівному навантажені максимальний згинальний момент у двохопорній балці у 4 рази менший ніж у консольній, а значить і меншими будуть напруження.

Вал-шестерня (рис. 2.4, г) встановлений консольно, на рис. 2.4, д – на двох опорах. Максимальний згинальний момент для другого варіанту буде у 2 рази меншим. Максимальний прогин двохопорного валу у 2 рази менший, ніж у консольного. Навантаження на підшипники теж менше.

На рис. 2.4, е вал закріплено в опорах із збільшеною жорсткістю опор. Жорсткість збільшено за рахунок встановлення роликових підшипників і підсилення стінок корпусу. У даному випадку максимальний згинальний момент менше у 4 рази у порівнянні із консоллю і у 2 рази у порівняні із валом, який встановлено на двох опорах у кулькових підшипниках.

Слід зауважити, що за умови використання коротких і жорстких валів підвищення жорсткості опор практично не дає виграшу, так як жорсткість валу стирає різницю між схемами валів.

За умови, що застосування консольного встановлення запобігти не вдається, то потрібно шукати шляхи зменшення недоліків такої конструкції. А саме:

- зменшення вильоту конструкції;

- збільшення жорсткості і міцності консольної частини.

На рис. 2.5 наведено існуючу (а) і покращену (б) конструкції консольного валу, де довжина консольної частини зменшена максимально. Передній підшипник, який сприймає значні навантаження підсилений.

Недоліки консольних конструкцій не зменшують область їхнього застосування. Вони широко застосовуються на практиці. Застосування консольних конструкцій дозволяє отримати компактні, прості, технологічні конструкції, зручні для збирання та монтажу. Необхідно знати їхні особливості і усувати недоліки відповідними конструктивними прийомами.

Раціональне розташування опор – один із шляхів підвищення жорсткості конструкції.

На рис. 2.6 зображено двохопорний вал, закріплений у кулькових підшипниках. Враховуючі, що прогин пропорціональний третій степені прольоту, з метою збільшення жорсткості конструкції опори доцільно наблизити (рис. 2.6, б).

Рис. 2.5. Схеми зміцнення консольних конструкцій

Рис. 2.6. Зменшення відстані між опорами

Жорсткість системи можна збільшити також за рахунок введення додаткових опор (рис. 2.7).

З метою підвищення жорсткості без збільшення маси кон-струкції потрібно підсилювати ділянки перерізу, у якому виникають найбільші напруження, та, по можливості, видаляти ненавантажені і мало навантажені ділянки. Напруження згину виникають у перерізах, які найбільше віддалені від нейтральної осі. Напруження кручення – у зовнішніх волокнах; у напрямку до центру напруження зменшуються, а у центрі вони дорівнюють нулю. Враховуючи це, доцільно розвивати зов-нішні розміри, зосереджуючи матеріал на перефірії і віддаляти його від центру.

а) б)

Рис. 2.7. Розташування опор колінчастого валу

Найбільшою жорсткістю і міцністю за умови мінімальної маси наділені пустотілі тонкостінні деталі розвинуті по перефірії типу труб, оболонок, коробів.

Головним засобом підвищення жорсткості корпусних деталей без суттєвого збільшення маси є: заокруглення переходів, надання стінкам опуклої форми, оребреня. Жорсткість корпусів можно збільшити конструктивно об’єднавши елементи корпуса в одне ціле (моноблочні конструкції).

На рис. 2.8 подано схеми збільшення жорсткості корпусів двигунів внутрішнього згоряння.

Рис. 2.8. Схеми конструктивного збільшення жорсткості двигунів внутрішнього згоряння

Жорсткість кришок, панелей та подібних їм деталей рекомендовано збільшувати наданням їм коробчастих 1 (рис. 2.9) і опуклих форм 2, відсортуванням 3 або вибиванням рельєфів 4.

Рис. 2.9. Форми кришок