книги из ГПНТБ / Смирнов, В. И. Строительные машины учебник

Раздел I

ДЕТАЛИ МАШИН

Деталями машин называются изделия, выполненные из одно­ родного по наименованию и марке материала без применения сбо­ рочных операций, например: валик из одного куска металла, литой корпус, винт, гайка и т. п.

Для совместного действия отдельные детали соединяются между собой путем сборочных операций и образуют сборочные единицы. Под этим общим понятием подразумевается как в целом машина, так и ее узлы и агрегаты (муфта, редуктор, коробка передач и др.).

Большая часть узлов и агрегатов строительных машин состоит из деталей общего назначения (болты, гайки, шайбы, шпонки, оси, валы, шкивы, зубчатые колеса и т. п.). Основы конструирования и расчета их рассматриваются в настоящем разделе. Детали спе­ циального назначения (шатуны, поршни, клапаны, лопатки паро­ вых турбин и пр.) являются специфическими для отдельных видов машин и изучаются в соответствующих курсах.

Раздел «Детали машин» является связующим звеном между общеинженерными курсами (теоретическая механика, сопротивле­ ние материалов, технология металлов), на которых он непосред­ ственно базируется, и специальными.

Глава 1

СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Детали, из которых собираются узлы и агрегаты машины, образуют подвижные или неподвижные соединения. Примером подвижного соединения может служить соединение вала с его опо­ рами, а неподвижного — соединение крышки подшипника с его корпусом.

Соединения делятся на разъемные, допускающие разборку узлов машин без разрушения отдельных деталей, и неразъемные,

20

которые можно разобрать только после полного или частичного разрушения деталей, входящих в соединение.

К разъемным соединениям относятся резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, шлицевые и профильные (бесшпоночные). Неразъемными соединениями являются заклепочные, сварные, с гарантированным натягом, а также паяные и клееные. Послед­ ние изучаются в специальных курсах.

Выбор вида соединения определяется устройством и назначе­ нием деталей, а также характером нагрузки, действующей в соеди­ нении.

§ 1-1. Резьбовые соединения

ками 2. В дополнении к этому применяются шайбы 3, а также гаеч­ ные замки для стопорения резьбового соединения, например, контр­ гайка, пружинная шайба, шплинт и др.

Болты, представляющие собой стержень с резьбой для гайки на одном конце и с головкой 1 на другом конце, используются для соединения деталей относительно небольшой толщины.

Винты не имеют гайки и своей резьбой ввинчиваются в одну из скрепляемых деталей. Они в основном применяются, когда одна из деталей имеет большую толщину или нет места для расположе­ ния гайки.

Шпильки, изготавливаемые в виде стержня с резьбой на обоих цонцах' завинчиваются в одну из скрепляемых деталей, а на дру­ гой конец ее навинчивается гайка. Чаще всего с помощью их соединяются детали, требующие частой разборки и сборки.

Для закрепления машин и оборудования на фундаментах при­ меняются фундаментные болты (рис. 1-1,г).

Резьба выполняется нарезкой на цилиндрической (цилиндри­ ческая резьба) или конической (коническая резьба) поверхности канавок с поперечным сечением определенного профиля, каждая точка которого располагается на винтовой линии.

Полученные между канавками выступы называются витками резьбы. Расстояние между соседними витками носит название шага резьбы t. На высоте шага винтовой линии могут быть один, два, три и более витков. Это соответствует одно-, двух- и трехзаходной резьбе. В однозаходной резьбе шаг резьбы н шаг винтовой линии s равны между собой. В многозаходной резьбе

s =~ tz,

где г — число заходов.

В зависимости от направления подъема витка получается пра­ вая или левая резьба. Правая резьба, у которой навинчивание гайки происходит при ее вращении по часовой стргелке, получила преимущественное распространение в машиностроении.

21

По форме профиля различают треугольную, прямоугольную, трапецеидальную, упорную и круглую резьбы (рис. 1-2).

Рис. 1-1. Детали резьбового соединения:

а — болт с гайкой; б — винт; в — шпилька с гайкой; г — фундаментный болт; д — стопорение контргайкой; е — то же пружинной шайбой; ж — то же шплинтом

Основными размерами, характеризующими резьбу, являются:

—наружный (номинальный) d, внутренний d\ и средний d2 диаметры резьбы;

—шаг резьбы /;

—профильный угол а (угол между боковыми сторонами про­ филя, равный в треугольной резьбе 60° или 55°; в трапецеидальной

икругло# —30°, в упорной —27°);

—рабочая высота витка, h\

—угол подъема резьбы ф.

Резьбы, применяемые в машиностроении, в зависимости от назначения делятся на крепежные, крепежно-уплотняющие и резьбы для передачи движения.

22

сравнению с остальными резьбами сила трения. Они бывают мет­ рическими и дюймовыми.

Рис. 1-2. Виды резьб:

а — треугольная крепежная; б — треугольная крепежно-уплотняющая; в — пря­

моугольная; г — трапецеидальная; д — упорная; е — круглая

Наиболее распространенной крепежной резьбой является мет­ рическая резьба с профильным углом а, равным 60°. Все размеры этой резьбы выражаются в миллиметрах. В зависимости от шага резьба может быть крупной (основной) или мелкой. При одина­

23

мелкие резьбы обычно применяются при изготовлении тонкостен­ ных резьбовых деталей, а также в узлах машин, подверженных действию динамических нагрузок.

Дюймовая резьба имеет. профильный угол, равный 55°. Ее на­ ружный диаметр измеряется в дюймах, а остальные размеры даются в миллиметрах.

Крепежно-уплотняющие резьбы служат для создания герметич­ ности соединения. К ним относятся трубная цилиндрическая (рис. 1-2,6), трубная коническая и коническая дюймовая резьбы. Они представляют собой мелкие дюймовые резьбы, которые не имеют радиальных зазоров между соединяемыми резьбовыми дета­ лями и используются в основном для соединения труб и арматуры трубопроводов. Конические резьбы обеспечивают герметичность соединения резьбовых деталей без специальных уплотнений.

В кинематических парах для передачи движения системой «винт—гайка» используются трапецеидальная (рис. 1-2,г), упор­ ная (рис. 1-2,6), прямоугольные (рис. 1-2, в) резьбы, имеющие меньшие потери на трение, а также круглые резьбы (рис. 1-2, е).

Наибольшее распространение для передачи «винт—гайка» по­ лучила трапецеидальная резьба. Она удобна для изготовления и более прочна по сравнению с прямоугольной резьбой. Для винтов, воспринимающих большую одностороннюю нагрузку_(прессы, дом­ краты и др.), используется упорная резьба.

Основы расчета резьбовых соединений

Расчет болтов, винтов и шпилек обычно производится по проч­ ности нарезной части их стержня. При этом определяется внутрен­ ний диаметр резьбы d\. Остальные размеры, включая и размеры гайки, принимаются в зависимости от номинального диаметра резьбы d по соответствующим ГОСТ.

При действии на болт только сил растяжения (рис. 1-3, а) усло­ вие прочности болта

4Р

izd2 < К Ь

откуда

( М )

Для болтов, нагруженных осевыми растягивающим!! силами и испытывающих кручение от подтягивания гаек под нагрузкой (например, винтовые стяжки — рис. 1-3,6), расчет ведется по на­ грузке, увеличенной в 1,3 раза по сравнению с осевой силой Р:

24

При действии на болт поперечной силы (рис. 1-3, в) в зависи­ мости от установки болта в отверстии выделяются два способа расчета.

Рис. 1-3. Расчетные схемы резьбовых соединений:

а — растягивающая сила; б — растяжение и кручение; в — поперечная сила; г, д, е — определение силовых соотношений

поверхности стыка соединяемых деталей была по величине не ме­ нее внешней сдвигающей силы Р. В результате этого болт рабо­ тает на растяжение от силы Р3.

Необходимая сила затяжки болта определяется из условия

F = f P 3> P ,

откуда \

Р_

/

где / — коэффициент трения между соединяемыми деталями, для чугунных и стальных деталей принимается равным 0,15—0,20.

Расчет болта в этом случае производится с учетом 20% запаса против сдвига деталей по формуле

25

Если болт установлен в отверстие без зазора, то он рассчиты­ вается из условия прочности на срез

4Р

и на смятие

р

При определении напряжения смятия в резьбе гайки нагрузка Р относится к проекции рабочей поверхности всех витков резьбы гайки на плоскость, нормальную к направлению силы:

где 2 — число витков резьбы гайки.

Расчет кинематической пары «винт—гайка» сводится к опреде­ лению внешней силы, необходимой для преодоления сил сопротив­ ления, действующих в этой паре. Кроме того, определяется усло­ вие самоторможения пары и значение ее к. п. д.

Для определения сил, действующих в винтовой паре с прямо­ угольной или упорной резьбой, один виток резьбы разворачивается на плоскость по среднему диаметру d2 (рис. 1-3,г), а гайка изобра­ жается в виде ползуна. При заданной нагрузке на гайку Q внеш­ няя сила Р, необходимая для проворачивания гайки, определяется построением силового многоугольника сил Q, Р и R. Так как при движении тела по плоскости (в данном случае ползуна) возникает сила трения, то сила реакции R отклонится от нормали к плоскости перемещения на угол трения р и угол между силами Q и R будет равен ф+р (рис. 1-3,<3).

26

откуда момент, необходимый для навинчивания гайки или ввин­ чивания винта, нагруженных силой Q, определится следующим образом:

(например, в винтовом домкрате), т. е. чтобы поднимаемый груз не опускался самопроизвольно при остановке механизма, должно быть P'>Q. Это будет, если tg(p—ф) 0 (при р>?). Таким обра­ зом, для самоторможения винтовой пары необходимо, чтобы угол подъема резьбы ф был меньше или равен углу трения р.

Коэффициент полезного действия винтовой пары можно выра­ зить через соотношение полезной А„ и затраченной А3 работ при вращении гайки:

За один.оборот гайка поднимается на расстояние, равное шагу

Анализ формулы (1-11) показывает, что для кинематических пар «винт—гайка» целесообразно использовать резьбы с мини­ мальным значением угла трения р. При равных условиях наимень­

шее значение о имеет прямоугольная резьба, а наибольшее — треугольная.

27

§ 1-2. Шпоночные и шлицевые соединения

Рис. 1-4. Шпоночные и шлицевые соединения:

а — призматические шпонки; б — сегментная шпонка; я — кли­ новая шпонка; г — шлицевое соединение

Основные типы шпонок стандартизированы. Шпоночные соеди­ нения (рпс. 1-4) осуществляются при помощи призматических сегментных п клиновых шпонок.

Призматические шпонки (рис. 1-4, а) — врезные; примерно по­ ловина их высоты помещается в пазу вала, остальная часть — в пазу ступицы. Рабочими гранями этих шпонок являются их боко­ вые поверхности. Часто данные шпонки прикрепляются к валу. Они гарантируют передачу только крутящего момента и не препят­ ствуют перемещению детали вдоль вала.

Сегментные шпонки (рпс 1-4,6) — также врезные и подобно призматическим работают боковыми гранями. Так как данные шпонки требуют глубоких пазов в валах, что уменьшает прочность последних, их применяют для передачи относительно небольших моментов.

Клиновые шпонки (рис. 1-4, в) работают горизонтальными гра­ нями и обеспечивают напряженное соединение деталей, допускаю­ щее передачу значительного крутящего момента и односторонние осевые нагрузки. Однако их применение ограничено, так как они вызывают смещение оси ступицы относительно вала, а при корот­ ких ступицах могут вызвать перекос соединяемых деталей.

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту шпонок принимают по соответствующему ГОСТ в зависимости от

28

диаметра вала. Достаточность принятых размеров шпонок про­ веряют расчетом соединения на прочность. Так, поверочный расчет призматической шпонки производят по следующим формулам (см.

рис. 1-8,6):

где М— момент, передаваемый соединяющимися деталями;

d— диаметр вала; /р — рабочая длина шпонки;

h— рабочая высота шпонки;

b— ширина шпонки.

Шлицевые (зубчатые) соединения (рис. 1-4, г) применяются как неподвижные, служащие для неподвижного соединения ступицы с валом, так и подвижные, обеспечивающие возможность осевого перемещения ступицы (например, зубчатые колеса коробок пере­ дач автомобилей, тракторов и т. п.).

Данные соединения обеспечивают передачу больших моментов, более точное центрирование ступицы на валу, меньшее ослабление вала.

Взависимости от формы профиля шлиц различают соединения

спрямобочнымп, эвольвентными и треугольными шлицами. Кроме цилиндрических применяются также конические шлицевые соеди­ нения (конусностью 1 : 16), имеющие треугольный профиль шлиц.

Число и размеры шлиц по их поперечному сечению прини­ маются в зависимости от диаметра вала по ГОСТ. Длина шлиц определяется длиной ступицы, а если ступица подвижная — вели­ чиной хода ее перемещения, с последующим поверочным расчетом соединений на смятие:

2М ^ г ,

(1-14)

dczhlJ> % 1°см|’

где dc — средний диаметр зубчатого соединения (см. рис. 1-6); z —■число шлиц;

h — высота поверхности контакта шлиц; /р — длина поверхности контакта шлиц;

Ф— коэффициент, учитывающий неравномерность распреде­ ления нагрузки между шлицами, принимаемый рав­ ным 0,7—0,8.

Кроме рассмотренных выше соединений в ряде случаев приме­ няются клиновые и штифтовые.

29