4.3. Уменьшение массы деталей.

Максимального снижения массы можно добиться приданием деталям равнопрочности. Идеальный случай, когда напряжения в каждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения одинаковые, возможен только при некоторых видах нагружения, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (растяжение – сжатие, отчасти сдвиг) и когда отсутствуют значимые концентраторы напряжений.

При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. Они максимальны в крайних точках сечения, а в других могут снижаться до нуля, например, на нейтральной оси сечения, подвергаемого изгибу. В этих случаях можно только приблизиться к условию полной равнопрочности выравниванием напряжений по сечению, удалением металла из наименее напряженных участков сечения и сосредоточением его в наиболее напряженных местах – на периферии сечения.

В качестве примера рассмотрим цилиндрическую деталь, подвергаемую изгибу или кручению.

Н апряжения в массивной детали круглого сечения (нормальные напряжения при изгибе и напряжения сдвига при кручении) распределяются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения (на рис. 4.4,а эпюр напряжений для случая изгиба условно совмещен с плоскостью чертежа).

Удаление слабонагруженного металла из центра сечения, т. е. придание сечению кольцевой формы, обеспечивает более равномерное распределение напряжений в остающихся участках (рис. 4.4,б). Чем тоньше стенки кольца, т. е. чем больше отношение d/D, тем равномернее распределение напряжений. При сохранении постоянного наружного диаметра уровень напряжений в стенках, естественно, повышается. Однако небольшим увеличением наружного диаметра легко привести напряжения к прежнему уровню и даже значительно их снизить (на рис. 4.4,в и г).

Этот принцип, который можно назвать принципом равного напряжения по сечению, применим к сечениям любой формы.

Для машиностроения наибольший интерес представляют круглые профили (валы, оси и другие цилиндрические детали). При изгибе валов условие равнопрочности заключается в равенстве отношения рабочего изгибающего момента, действующего в каждом данном сечении, к моменту сопротивления данного сечения. Конструирование равнопрочных деталей практически сводится к приблизительному воспроизведению оптимальных форм, диктуемых условием равнопрочности, при всемерном уменьшении влияния всех источников концентрации напряжений.

В ыигрыш в массе от применения принципа равнопрочности зависит от типа нагружения и способа придания равнопрочности. На рис 4.5. представлены способы придания равнопрочности цилиндрической детали опертой по концам и подвергающейся изгибу поперечной силой, приложенной посередине пролета.

Большой выигрыш в массе (деталей 1 и 3) является результатом применения в данном случае наряду с принципом равнопрочности также принцип равного напряжения сечений.

Следует отметить, что при этом способе придания равнопрочности диаметр опорных подшипников увеличивается, что несколько уменьшает выигрыш в массе, но за то детали 1 и 3 гораздо жестче детали 2.

Е сли полную равнопрочность трудно обеспечить из-за сложности конфигурации детали и неопределенности действующих в ней напряжений, то ограничиваются удалением металла из явно малонапряженных участков, находящихся в стороне от силового потока.

На рис 4.6. детали 1, 2, 3, показывают последовательные этапы облегчения консольного вала шестерни, в конструкциях 4-6 пазового поводка облегчение достигнуто изменением наружной конфигурации диска поводка.

При облегчении цилиндрических деталей типа дисков, крышек, колец, а также деталей с фигурными наружными очертаниями, например в виде многоугольников, следует иметь в виду, что наибольший эффект дает снятие материала с периферии и относительно меньший на участках близких к центру, так как площади снимаемого материала на периферии значительно больше площадей близких к центру в пропорциональной зависимости D/d, а объем удаляемого материала увеличивается в квадратичной зависимости.

Массу деталей можно заметно снизить увеличением радиусов сопряжения стенок деталей, т.е. приданием им плавных очертаний.

На рис. 4.7 показаны способы облегчения сопряжения цилиндрических тел состоящих из плоской стенки и обечайки, введением галтелей и скосов на участке сопряжения, а также заменой плоской стенки конусом.

Конусообразные формы не рекомендуются для деталей, вращающихся с большой частотой, так как в данном случае центробежные силы вызывают сложный пространственный изгиб конического диска, стремясь как бы придать ему плоскую форму.

Р ис. 4.7. Снижение массы сопряжения

Лекция №10