- •Основы проектирования и конструирования деталей машин
- •1. Нилов в.А., Жилин р.А, Рукин ю.Б., 2007 Оформление. Гоувпо «Воронежский государственный технический университет», 2007 о сновные положения
- •1.1.Термины и определения. Классификация
- •1.2.Основные сведения о проектировании и конструировании
- •1.3.Стадии разработки конструкторской документации
- •1.4.Стандартизация и взаимозаменяемость деталей машин
- •2.Требования к деталям машин
- •2.1.Особенности расчета деталей машин
- •2.2.Виды нагрузок, действующих на детали машин
- •2.3.Циклы напряжений и их параметры
- •2.4.Методы определения допускаемых напряжений
- •3.Соединения. Типы соединений и их характеристика
- •3.1.Общая характеристика соединений
- •3.2.Заклепочные соединения. Общие сведения
- •3.3.Классификация заклепок и заклепочных швов
- •3.4.Расчет прочных заклепочных швов
- •3.5.Условное изображение заклепочных швов на чертеже
- •4.Сварные соединения
- •4.1.Общие сведения
- •4.2.Принцип действия дуговой сварки
- •4.3.Классификация способов сварки
- •4.4.Классификация сварных соединений и швов
- •4.5.Расчет стыковых сварных швов
- •4.6.Расчет угловых сварных швов
- •4.7.Уточненный расчет комбинированного сварного шва
- •4.8.Условное изображение сварных швов на чертеже
- •Некоторые буквенно-цифровые обозначения швов
- •5.Шпоночные и шлицевые соединения
- •5.1.Типы шпоночных соединений
- •5.2.Расчет шпоночных соединений
- •5.3.Сегментные шпонки
- •5.4.Конструкция и расчет шлицевых соединений
- •6.Соединения с натягом
- •6.1.Общие сведения
- •6.2.Расчет цилиндрических соединений с натягом
- •7.Клиновые и штифтовые соединения
- •7.1.Назначение и классификация соединений
- •7.2.Классификация
- •7.3.Расчеты на прочность
- •8.Резьбовые соединения
- •8.1.Назначение и конструкция резьбовых соединений
- •8.2.Классификация резьбовых соединений
- •8.3.Распределение нагрузки между витками резьбы
- •8.4.Виды разрушений в резьбовом соединении
- •8.5.Силы, действующие в винтовой паре
- •8.5.1.Величина окружной действующей силы(q)
- •8.5.2. Момент завинчивания гайки или винта
- •8.5.3.Момент отвинчивания винта или гайки
- •8.5.4.Расчет ненапряженных болтовых соединений
- •8.6.Расчет напряженных болтовых соединений
- •9.Передачи. Общие вопросы
- •9.1.Назначение и классификация передач
- •9.2.Классификация передач
- •9.3.Основные кинематические характеристики передач
- •9.4.Передачи с постоянным передаточным числом
- •9.5.Передачи с переменным передаточным числом
- •10.Ременные передачи
- •10.1.Общие вопросы
- •10.2.Классификация ременных передач
- •10.3.Плоскоременная передача
- •10.4.Типы приводных ремней
- •10.5.Шкивы (гост 17383-72).
- •10.6.Кинематические силовые зависимости
- •10.6.1.Относительное скольжение ремня.
- •10.6.2.Динамика ременной передачи
- •10.6.3.Напряжения в ремне
- •10.7.Расчет передач по кривым скольжения
- •10.8.Клиноременная передача
- •10.8.1.Клиновые ремни (гост 1284 – 68).
- •10.8.2.Шкивы клиноременной передачи
- •10.8.3.Расчет кинематических передач
- •11.Цепные передачи
- •11.1.Общие вопросы
- •11.2.Классификация цепных передач
- •11.3.Достоинства и недостатки цепных передач
- •11.4.Детали цепных передач
- •11.4.1.Цепи
- •11.4.2.Звездочки
- •11.5.Основные параметры цепных передач
- •11.6.Критерии работоспособности и расчета цепных передач
- •11.7.Основы работы передачи
- •11.8.Расчет передачи
- •11.9.Конструирование цепных передач
- •12.Зубчатые передачи
- •12.1.Общие сведения
- •12.2.Классификация зубчатых передач
- •12.3.Точность зубчатых передач
- •12.4.Материалы зубчатых колес
- •12.5.Методы изготовления зубчатых колес
- •12.5.1.Изготовление зубчатых колес без снятия стружки
- •12.5.2.Изготовление зубчатых колес путем снятия стружки.
- •13.Виды разрушения зубьев. Критерии работоспособности и расчета
- •13.1.Виды разрушения зубьев
- •13.2.Расчет основных геометрических параметров цилиндрических прямозубых колес
- •13.3.Расчет зубьев цилиндрических прямозубых зубчатых колес на изгиб
- •14.Расчет зубьев цилиндрических зубчатых колес на контактную прочность
- •14.1.Расчет на контактную прочность
- •14.2.Особенности расчета и конструкции косозубых и шевронных зубчатых колес
- •15.Общие сведения о конических зубчатых передачах
- •15.1.Расчет основных геометрических параметров конических прямозубых колес
- •15.2.Расчет зубьев прямозубых конических передач
- •16.Расчет допускаемых напряжений
- •16.1.Расчет допускаемых напряжений
- •16.2.Силы, действующие на валы от зубчатых колес
- •16.2.1.Прямозубые цилиндрические колеса
- •16.2.2.Косозубые цилиндрические колеса
- •16.2.3.Прямозубые конические колеса
- •16.3.Винтовые и гипоидные передачи
- •17.Червячные передачи
- •17.1.Эвольвентный червяк
- •17.2.Материалы. Критерии работоспособности и расчета червячных передач
- •17.3.Расчет основных геометрических параметров червячных передач
- •17.4.Червячные колеса
- •17.5.Силы, действующие в червячном зацеплении
- •17.6.Расчет на изгиб зубьев червячного колеса
- •17.7.Расчетная нагрузка и допускаемые напряжения
- •17.8.Тепловой расчет червячных передач
- •18.Понятие о системе допусков и посадок
- •18.1.Понятие о взаимозаменяемости
- •18.2.Допуски размеров, посадок
- •18.3.Квалитеты
- •18.4.Система отверстия и система вала
- •18.5.Предельные отклонения формы и расположения поверхностей
- •19.Зубчатые и червячные редукторы. Общие сведения
- •19.1.Зубчатые и червячные редукторы
- •19.2.Классификация редукторов
- •19.3.Принципиальная конструкция цилиндрического редуктора
- •19.4.Расчет основных конструктивных параметров редукторов
- •20.Валы и оси
- •20.1.Общие вопросы
- •20.2.Классификация валов и осей
- •20.3.Элементы вала
- •20.4.Материалы для изготовления валов и осей
- •20.5.Критерии работоспособности и расчета валов и осей
- •20.6.Расчетная схема и расчетные нагрузки
- •20.7.Расчет осей и валов на статическую прочность
- •20.8.Расчет валов на статическую прочность
- •20.9.Расчет вала на статическую прочность при совместном действии изгиба и кручения
- •20.10.Расчет осей и валов на выносливость
- •20.12.Расчет осей и валов на жесткость
- •20.13.Расчет валов на колебания
- •20.14.К определению расстоянии между опорами ведомого вала
- •20.15.Последовательность расчета пролета вала
- •21. Подшипники качения
- •21.1.Подшипники качения. Общие сведения
- •21.2.Недостатки подшипников качения
- •21.3.Классификация
- •21.4.Обозначение подшипников
- •21.5.Точность подшипников качения
- •21.6.Причины выхода подшипников из строя и критерии расчета
- •21.7.Расчет подшипников качения на долговечность
- •21.8.Определение приведенной нагрузки и подбор подшипников качения
- •21.9.Подбор подшипников качения
- •21.10.Статическая грузоподъемность подшипников
- •21.11.Распределение нагрузки между телами качения
- •21.12.Смазка подшипников качения
- •21.13.Посадки подшипников
- •21.14.Зазоры в подшипниках
- •22.Подшипники скольжения
- •22.1.Общие сведения
- •22.2.Классификация
- •22.3.Конструкции подшипников скольжения
- •22.4.Подшипниковые материалы
- •22.5.Критерии работоспособности и расчета подшипников скольжения
- •22.6.Условные расчеты подшипников
- •22.7.Тепловой расчет подшипников
- •22.8.Проектировочный расчет подшипников жидкостной смазки
- •23.Конструирование подшипниковых узлов
- •23.1.Схемы установки подшипников
- •23.2.Конструирование опор валов конических шестерен
- •23.3.Конструирование опор валов-червяков
- •23.4.Установка элементов передач на валах
- •23.5.Назначение диаметров вала
- •23.6.Длины характерных участков вала
- •23.6.1.Основные способы осевого фиксирования колес (шкивов)
- •24.Муфты
- •24.1.Муфты. Общие сведения
- •24.2.Классификация муфт
- •24.3.Подбор стандартной муфты
- •24.4.Конструкции муфт
- •24.4.1.Жесткие муфты. Вид неразъемные
- •24.4.2.Муфты, разъемные в плоскости, параллельной оси вала
- •24.4.3.Муфты, разъемные в плоскости, перпендикулярной оси вала
- •24.4.4.Компенсирующие муфты
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
8.6.Расчет напряженных болтовых соединений
Напряжённым болтовым соединением называют такое, в котором болты ставятся с предварительной затяжкой. При этом во время сборки гайки затягивают так, что в болте возникает предварительное осевое усилие. Напряжённые болтовые соединения в практике машиностроения встречаются значительно чаще, чем ненапряжённые, например, для крепления крышек цилиндров паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, для плотного соединения фланцев трубопроводов и др.
Рис. 8.45. Соединение, нагруженное отрывающими силами
Случай 1. Болт предварительно затянут и затем нагружен внешней силой.
При затягивании гайки болт упруго деформируется под действием усилия затяжки РЗ, удлиняясь на некоторую величину ℓЗБ, а стягиваемые им элементы конструкции, в свою очередь, сжимаются на величину ℓЗД. После предварительной затяжки болта на соединение начинает действовать внешняя постоянная сила Р и стержень болта будет испытывать усилие Р0. В результате болт удлиняется дополнительно на величину ℓРБ, что даст возможность сжатым элементом конструкции несколько расправится (расшириться) на величину ℓРД. Таким образом, после приложения внешней силы Р только часть её χР дополнительно к силе РЗ нагружает болт, а остальная часть Р-χР=Р(1-χ) затрачивается на частичную разгрузку (ΔℓРД) элементов конструкци от сжатия.
Величина χ, учитывающая долю внешней нагрузки Р, приходящуюся на болт, называется коэффициентом внешней нагрузки.
Задача о распределении силы P между болтом и стыком соединения является статически неопределимой. Решение её возможно с помощью условия совместности деформаций. Под действием силы P (в пределах до раскрытия стыка) болт удлиняется на столько (ΔℓРБ), на сколько (ΔℓРД) уменьшится сжатие элементов конструкции. Это условие можно записать уравнением вида:
ΔℓРБ = χР λБ = (1-χ)Р λБ, (8.1)
где λБ – коэффициент податливости болта, т.е. удлинение болта при растяжении под действием силы в 1 кгс или 1 Н величина, обратная коэффициент жёсткости;
– коэффициент податливости соединяемых болтом деталей.
Из уравнения (8.1) находим:
χР λБ = Р λд – χР λд , ,
коэффициент податливости болта равен
,
где – длина деформируемой части стержня болта, принимаемая равной толщине сжимаемых болтом соединяемых деталей;
F – площадь поперечного сечения болта;
E – модуль продольной упругости материала болта.
Рис. 8.46. Деформированное состояние резьбового соединения до затяжки (а), после затяжки (б) и после приложения внешней нагрузки (в)
Среднее, наиболее характерные значения коэффициента “χ” для соединений металлических деталей без прокладок составляют 0,2…0,3.
Рис. 8.47. Схема нагружения напряженного резьбового соединения
Условие невозможности раскрытия стыка определяется уравнением:
Р3 = К3 (1-χ)Р
где: КЗ – коэффициент затяжки болта, учитывающий величину силы РЗ.
При постоянной внешней нагрузке, в соединениях без прокладок К3 = 1,25…2. При переменной внешней нагрузке КЗ = 2…4. При условии герметичности в соединениях с прокладками КЗ = 5.
Осевая, растягивающая болт сила Р0, действующая на него после предварительной затяжки и приложения к соединению внешней силы Р, будет равна.
Р0 = РЗ + χР = КЗ(1 – χ)Р + χР
или Р0 = [KЗ(1 – χ) + χ]Р.
При отсутствии последующей затяжки болт рассчитывается с учётом крутящего момента предварительной затяжки. Расчётная сила Ррасч. определяется по формуле:
Ррасч = 1,3РЗ + χР
или Ррасч = [1,3KЗ(1 – χ) + χ]Р.
При вычислении сил Р0 и Ррасч. коэффициентом “χ” задаются в пределах, указанных выше. Затем, после определения d1, болта следует вычислить значение “χ” и сравнить его с предварительно принятым значением. Если разница между этими значениями окажется большой, то следует принять значение “χ”, близкое к расчётному, а затем болт рассчитать заново.
Случай 2. Болт подвержен действию переменных нагрузок
Болты, винты, шпильки, находящиеся под действием переменных нагрузок, рассчитываются на выносливость и становятся на рабочее место с предварительной затяжкой РЗ. В большинстве случаев переменная внешняя нагрузка на болт изменяется по отнулевому (пульсирующему) циклу. Так, например, нагружены шатунные болты.
Переменная внешняя нагрузка изменяется от 0 до Р и распределяется между стыком и болтом таким образом, что на болт приходится часть её, равная “χР”. Значит на болт действует сила Р0 = РЗ + χР.
Рис. 8.48. Схема нагружения напряженного резьбового соединения при переменных напряжениях
Напряжение начальной затяжки болта равно:
[σ]З = (0,4…0,6)σТ;
где σТ – предел текучести материала болта при растяжении.
Амплитуда напряжений цикла:
Среднее напряжение цикла:
.
Максимальное напряжение цикла:
или .
Расчёт на выносливость болтов в этом случае производится как проверочный по коэффициенту запаса прочности по амплитуде, а иногда по коэффициенту запаса прочности по максимальному напряжению.
Для проведения этого расчёта болт предварительно рассчитывается из условия статической прочности его при отсутствии последующей затяжки по формуле:
или с последующей затяжкой:
Затем последовательно определяются РЗ; Хχ; Р; σЗ. После чего болт рассчитывается на выносливость.
Так, расчёт болта на выносливость по запасу прочности по амплитуде производится по формуле:
.
Расчёт болта на выносливость по запасу прочности по максимальному напряжению осуществляется по уравнению:
где: na – коэффициент запаса прочности по амплитуде;
[na] – допускаемый коэффициент запаса прочности по амплитуде. [na] = 2,5…4;
n – действительный коэффициент запаса прочности по максимальному напряжению;
[n] – допускаемый коэффициент запаса прочности по максимальному напряжению.
ε – масштабный коэффициент, учитывающий влияние размеров детали на предел выносливости. Величина “ ” находится из графиков или таблицы;
σRP – предел выносливости материала болта при растяжении, при симметричном цикле изменения напряжений;
KБ – эффективный коэффициент концентрации напряжений. Для нарезанных болтов из углеродистой стали: KБ = 4 (при d1 = 16) и KБ = 6 (при d1 ≥ 24 мм);
σТ – предел текучести материала болта.