книги из ГПНТБ / Ковалев Н.А. Теория механизмов и детали машин крат. курс учебник

В процессе начальной затяжки в стержне винта появляется напря-

последующем нагружении растягивающей силой 6ЯВвозникает допол­

которое считают допускаемым при определении [Яд], то можно полу­ чить формулу для подсчета величины допускаемой дополнительной нагрузки винта [б/5,,!:

где

ß = 12(d2/d1)2tg2(k + р)я« 0,7, а х = 6Яв/Я0.

При проверочном расчете известны бРв, ß, а согласно размеру винта и [Яд]. Поэтому из формулы (14.19) определяется х и затем Я0.

При проектном расчете из формулы (14.19) следует найти [Яд], а по нему размер винта. Для этого следует предварительно выбрать х в пределах от 0,1 до 0,3.

Пример 1. Пусть сила Q (см. рис. 14-10) равна 50 ООО расстояние между болтами равно L = 500 мм, число болтов z = 4 (по два с каждой

Согласно формулам (14.11) и (14.12)

р в = р о + 0,3-37 500 = Яо+11 200 «;

Яс = Я0 — (1 — 0,3) • 37 500 = Я0 — 26 300 н.

В тех случаях, когда требуется обеспечить герметичность соедине­ ния, величина остаточной силы Яс определяется величиной минимально необходимого для этого напряжения р на поверхности разъема. В нашем примере' это требование не поставлено. Поэтому нужно только, чтобы Яс было больше нуля, иначе между опорной плоскостью

По этой силе и следует подобрать диаметр винта. При неконтро­ лируемой силе затяжки (при затяжке обычным, а не динамометриче­

240

I

ским ключом) и болтах из стали Ст. 3 подходящий размер равен МЗО

(1РА\ = 44 200 н).

Диаметр винта получился довольно большим, такие винты трудно затягивать вручную. Поэтому теперь видно, что лучше было бы уве­ личить число винтов до шести или до восьми.

Определим силу Рс, которая еще будет прижимать плоскости разъема соединения в зоне наиболее растянутого болта после нагру­ жения кронштейна силой Q:

Рс — Ро — ~ г г Р і = 44 300 — 0,7 • 37 500 = 44 300 — 26 300 = 18 000 н. С-В! сс

При сборке соединения винт должен быть затянут так, чтобы растя­ гивающая его сила (в отсутствие нагрузки Q)

зором, материал фланцев чугун, D = 220 мм, затяжка винтов не­ контролируемая.

Решение. При затяжке одного винта М22 из стали Ст. 3 возникает сила [РА] = Р„ = 18 700 н. Следовательно, по соотношению (14.18)

[Ms] = — — — 6Л .у = 6• 935-0,11 =620 н-м.

§6. ЗАКЛЕПОЧНЫЕ И СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

За к л е п о ч н ы е с о е д и н е н и я . Появление заклепочных соединений исторически предшествовало появлению сварных. В прош­ лом заклепочные соединения широко применялись в строительных конструкциях и при изготовлении котлов и резервуаров, т. е. в тех случаях, когда требовалось соединить металлические пластины, листы или полки прокатных профилей. В настоящее время клепка вытеснена сваркой и применяется только тогда, когда материал соединяемых изделий не пригоден для электросварки. На рис. 14-17 изображено

заклепочное соединение однорядным швом встык с двумя накладками и с параллельным расположением заклепок. Такое соединение неразъемное, так как для его разборки требуется срубить заклепки. Как правило, на заклепочное соединение действуют силы (реже мо­ менты) в плоскости соединяемых пластин. В этом случае заклепочное соединение работает как соединение на винтах без разгрузочных

241

приспособлений, которое было рассмотрено в конце предыдущего параграфа.

Расклепывание головок заклепок больших диаметров производится в горячем состоянии, малых — в холодном. После этой операции в теле заклепки возникают остаточные напряжения, создающие началь­ ное натяжение и соответствующее ему давление на поверхности сопри­ косновения соединяемых деталей. Если сила трения, соответствующая этому давлению, достаточна, чтобы противодействовать силе, стремя­ щейся вызвать сдвиг соединяемых листов, то дополнительной нагрузки на тело заклепки не возникнет. При этом заклепки работают как винты, поставленные с зазором (хотя в случае заклепок зазора, конечно, нет; речь идет только об аналогии в напряженном состоянии стержня

скаемое напряжение [тср] берут равным 0,4ат. При расчете нужно принимать во внимание число склепываемых пластин. Например, при двух накладках через каждую из них передается только половина силы Piz, что нужно учитывать при пользовании форму­ лой (14.17).

Отверстия для заклепок уменьшают площадь рабочего сечения листа в отношении (t — d0)/t, где t — шаг заклепочного шва. Это приводит к неравнопрочности листа по месту, не ослабленному закле­ почным швом, и по заклепочному шву. Так как толщина листа опре­ деляется достаточной прочностью наиболее слабого места (т. е. зоны заклепочного шва), то по целому месту лист оказывается недоисполь­

в стальных металлоконструкциях сварные соединения вытеснили заклепочные.

242

Э л е к т р о с в а р н ы е с о е д и н е н и я . Электросварными на­ зывают соединения, выполненные электродуговой или контактной сваркой. Первая является весьма универсальной, вторая имеет более специальное применение. На рис. 14-18 изображены наиболее типич­ ные соединения электродуговой сваркой: стыковое (а), внахлестку (б) и тавровое (в). Сварные соединения по возможности следует конструи­ ровать с длинными и хорошо доступными швами, удобными для авто­ матической электросварки под слоем флюса. Ручная сварка дает менее однородный и менее прочный шов. Всегда следует избегать вертикальных и особенно потолочных швов, которые неудобны для наложения.

может неплохо работать при передаче статической силы, действующей вдоль шва. Если предположить, что эта сила вызывает равномерное напряжение среза в материале шва, то его легко подсчитать по соотношению

где Р — срезающая сила; 2 / — суммарная длина швов; К — катет шва, который чаще всего берут равным толщине свариваемых пластин.

Коэффициент 0,7 введен в формулу потому, что высота сечения, в котором подсчитывается тср (рис. 14-18, г), равна К cos 45° = 0,7 /<\ Такие соединения удобны для образования двутавровых и короб­ чатых профилей сварных балок и отдельных стержней рамных конст­ рукций. Они плохо работают на отрыв вследствие большой концентра­ ции напряжений в местах перехода от наплавленного валика к основ­

ному металлу.

243

приспособлений, которое было рассмотрено в конце предыдущего параграфа.

Расклепывание головок заклепок больших диаметров производится в горячем состоянии, малых — в холодном. После этой операции в теле заклепки возникают остаточные напряжения, создающие началь­ ное натяжение и соответствующее ему давление на поверхности сопри­ косновения соединяемых деталей. Если сила трения, соответствующая этому давлению, достаточна, чтобы противодействовать силе, стремя­ щейся вызвать сдвиг соединяемых листов, то дополнительной нагрузки на тело заклепки не возникнет. При этом заклепки работают как винты, поставленные с зазором (хотя в случае заклепок зазора, конечно, нет; речь идет только об аналогии в напряженном состоянии стержня

скаемое напряжение [тср] берут равным 0,4er,. При расчете нужно принимать во внимание число склепываемых пластин. Например, при двух накладках через каждую из них передается только половина силы РІг, что нужно учитывать при пользовании форму­ лой (14.17).

Отверстия для заклепок уменьшают площадь рабочего сечения листа в отношении (t — d0)/t, где t — шаг заклепочного шва. Это приводит к перавнопрочности листа по месту, не ослабленному закле­ почным швом, и по заклепочному шву. Так как толщина листа опре­ деляется достаточной прочностью наиболее слабого места (т. е. зоны заклепочного шва), то по целому месту лист оказывается недоисполь­ зованным, что приводит к непроизводительной затрате материала. По этой причине, а также вследствие технологических преимуществ в стальных металлоконструкциях сварные соединения вытеснили заклепочные.

242

Э л е к т р о с в а р н ы е с о е д и н е н и я . Электросварными на­ зывают соединения, выполненные электродуговой или контактной сваркой. Первая является весьма универсальной, вторая имеет более специальное применение. На рис. 14-18 изображены наиболее типич­ ные соединения электродуговой сваркой: стыковое (а), внахлестку (б) и тавровое (в). Сварные соединения по возможности следует конструи­ ровать с длинными и хорошо доступными швами, удобными для авто­ матической электросварки под слоем флюса. Ручная сварка дает менее однородный и менее прочный шов. Всегда следует избегать вертикальных и особенно потолочных швов, которые неудобны для наложения.

может неплохо работать при передаче статической силы, действующей вдоль шва. Если предположить, что эта сила вызывает равномерное напряжение среза в материале шва, то его легко подсчитать по соотношению

где Р — срезающая сила; 2 / — суммарная длина швов; К — катет шва, который чаще всего берут равным толщине свариваемых пластин.

Коэффициент 0,7 введен в формулу потому, что высота сечения, в котором подсчитывается тср (рис. 14-18, г), равна К cos 45° = 0,7 К.

Такие соединения удобны для образования двутавровых и короб­ чатых профилей сварных балок и отдельных стержней рамных конст­ рукций. Они плохо работают на отрыв вследствие большой концентра­ ции напряжений в местах перехода от наплавленного валика к основ­ ному металлу.

243

Соединение, показанное на рис. 14-18, б, появилось в результате подражания клепаным конструкциям. Такое соединение наименее целесообразно из-за большой неравномерности распределения напря­ жений по длине фланговых (2) швов и большой концентрации их при переходе от валика лобового (1) шва к основному металлу. Хотя харак­ тер нагружения фланговых и лобовых швов в действительности разли­ чен, принято для обоих швов вести расчет напряжений по одним и тем же формулам. Поэтому применительно к рис. 14-18, б имеем

При вибрационной нагрузке могут применяться только, стыковые соединения (см. рис. 14-18, а). Если вибрационная нагрузка состав­ ляет лишь небольшую часть от общей и направлена вдоль шва, допу­ стимы тавровые соединения (см. рис. 14-18, в). Соединения внахлестку (см. рис. 14-18, б) применяют для неответственных конструкций при статической нагрузке.

Допускаемое напряжение для материала сварного шва [тср] берут в пределах

[т-ср] ~ (0,6 -5—0,65) [сТр],

где [<Тр] — допускаемое напряжение на растяжение для основного металла.

Более подробные сведения о выполнении сварных соединений даются обычно в курсе технологии.

Ознакомившись с основными видами соединений, перейдем теперь к изучению самых распространенных в машиностроении и самых ответственных деталей — валов.

)

Г л а в а XV

ВАЛЫ И МУФТЫ

[устройства для передачи вращения вдоль пря­ молинейной оси]

§ 1. ВАЛЫ И ОСИ

О б щ и е с в е д е н и я . Валами называют детали, передающие крутящий момент вдоль своей оси вращения. Они бывают прямыми

и коленчатыми (рис. 15-1, а, г). Валы несут на себе жестко скрепленные

сними зубчатые колеса, шкивы, маховики, муфты, рабочие органы, инструмент и т. п. Они покоятся на опорах, которые удерживают их от смещения и восприни­

мать поперечные к их оси силы и предназначаются только для передачи вращения, как и подвижные муфты.

Детали, которые служат для поддержания вращающихся частей и фиксации их оси вращения и которые не передают крутящего момента, называют осями. Однако деление на валы и оси является в значитель­ ной мере условным.

Опорные части валов и осей называют цапфами. Причем различают промежуточные цапфы — шейки Ш (см. рис. 15-1, г) и концевые цапфы, или шипы, Ц (рис. 15-1, б). На рис. 15-2 показаны типовые формы цапф для подшипников скольжения (а, б, в) и для подшипников качения (г, д).

245

Чтобы было удобнее надевать детали на вал и снимать с пего, вал часто делают ступенчатым (рис. 15-1, б). Такая форма удобна также для передачи осевых усилий с деталей, распространенных на валу, непосредственно на вал, так как съемная деталь упирается в заплечик вала. Кроме того, заплечик облегчает при сборке точную установку детали на валу. Наконец, ступенчатая форма вала оказывается более благоприятной и с точки зрения использования его материала: боль­ шее сечение соответствует зоне действия максимального изгибающего момента.

Однако ступенчатая конструкция имеет и свои недостатки. Если заготовкой является прокат, а не поковка, то увеличивается объем токарной обработки и отходов в стружку. Резкие переходы диаметра вызывают большую концентрацию напряжений, сильно снижающую прочность вала, так как обычно его материал работает при знакопере­ менном напряжении изгиба. При этом не всегда возможно уменьшить

Рис. 15-3

концентрацию напряжений с помощью плавного переходного участка, так как для выхода шлифовального круга приходится предусматри­ вать канавку. На рис. 15-3 показаны целесообразные формы переход­ ных частей ступенчатых валов.

Валы обычно изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей (Ст. 5, 45, 40Х). В последнем случае часто применяют улучше­ ние. Поверхность валов должна быть сплошь обработанной (а не только в местах посадки других деталей), так как чистая обработка поверхности повышает выносливость. Валы рассчитывают на проч­ ность, деформацию (прогиб) и вибрацию.

П о р я д о к р а с ч е т а в а л а . При составлении расчетной схемы вала подшипники заменяют идеальными шарнирами, разме­ щенными в средней плоскости опоры (иногда, учитывая форму упругой линии вала, расчетную опору смещают на 2/3 длины подшипника, считая от его внешнего края). Затем, в случае статически определимых валов, находят реакции шарнирных опор, рассматривая звено, обра­ зованное валом с укрепленными на нем деталями, как твердое тело, находящееся под действием сил, возникающих в кинематических парах. Далее строят эпюры крутящих и изгибающих моментов.

Так как нагрузка имеет пространственный характер, следует сначала определить изгибающие моменты, действующие в двух взаимно

246

перпендикулярных плоскостях, для каждой плоскости отдельно. Построив суммарные эпюры изгибающих моментов от всех нагрузок для каждой плоскости, необходимо векторно сложить моменты, дей­ ствующие в перпендикулярных плоскостях, но в одном поперечном сечении вала. Затем с помощью найденных таким образом полных изгибающих и крутящих моментов находят нормальные и касательные напряжения в предполагаемых опасных сечениях и, наконец, опре­ деляют для них коэффициенты за­ паса.

Пример. На валу (рис. 15-4) на расстоянии = L = I от опор укреплено косозубое, колесо. Пусть вращающий момент М1( на выход­ ном конце вала передается так,

чтобы поперечные к оси вала силы на этом конце не возникают. В по­ люсе зацепления колес О действует сила с компонентами Рк, PR и РА.

Рассмотрим действие каждого компонента отдельно. Как видно из рис. 15-5, а, окружная сила, действующая в полюсе зацепления О,

может быть заменена статически эквивалентным комплексом: силой Рк, приложенной на оси вала в точке 02, и крутящим моментом, прило­ женным в среднем сечении вала, равным М к — Ргд; так как lt = /2, то реакции обеих опор одинаковы и равны P J 2. Эпюра изгибающих

247