8.4. Профильные соединения
пица тонкая, т. е. при Dст 1,5d ) по приближенным зависимостям, которые получены в предположении равномерного распределения напряжений на площади контакта штифта со ступицей. Тогдаусло вие прочности по напряжениям смятия имеет вид
см |
|
|
2T |
|
[ ]см, |
|
|
|
|||
dш (Dст |
d )(Dст |
|
|||
|
|
d ) |
|||
где см — расчетные действующие напряжения смятия; [ ]см — допускаемые напряжения смятия для приближенного расчета, для стальных деталей [ ]см (0,35 0,45) т . Предел текучести т определяютпо менее прочному материалу сту пицыили штифта .
Методика расчета на смятие и срез других видов штифтовых соединений аналогичнаприведенной выше .
8.4. Профильные соединения
Профильные соединения применяют для передачи вращающего момента от вала к ступице. При этом контакт вала и ступицы осуществляется по некруглой поверхности. В осевом направлении профильные соединения могут быть цилиндрическими или коническими. Конические соединения по сравнению с цилиндрическими более удобны при демонтаже, но сложнее в изготовлении и более дорогостоящие. Приповыше нныхтребованиях к надежности , переменныхи особенно реверсивных нагрузках применяют профильные соединенияс натягом . К профильным относят также соединениеквадра тного сечения, изображенное на рис. 8.6, которое используют благодаря
Рис. 8.6. Соединение ступицы с валом квадратногосечения
161
Глава8. |
Другиевиды соединений |
простоте его конструкции. Для изготовления этого вида соединений не требуются специальные дорогостоящие станки, как в случае применения равноосного профиля.
Преимущества профильных соединений: отсутствие концентраторов напряжений кручения, точное центрирование деталей соединения, повышенная надежность по критерию прочности соединения посравнению с соедине ниямис натягом .
Недостатки: сложность получения профильной поверхности (для изготовления отверстий в ступицах и шеек валов с профильными поверхностями требуются специальные станки); при передаче соединениями вращающих моментов возникают значительные распорныесилы,деформступирующиецы .
Передаваемыйсоединением вращающий момент можно определить по условию прочности на смятие поверхностей контакта. Рассмотрим в качестве примера расчет профильного соединения квадратногосечения (см. рис. 8.6). Дляуп рощениярасчета предполагаем , что соединение беззазорное и ненапряженное, а возникающие от вращающего момента T напряжения см смятия (давление) распределяются на гранях по закону треугольника (рис. 8.7). Из условия рав-
Рис. 8.7. Упрощенная расчетная схемапрофильног осоединения
162
8.4. Профильные соединения
новесия приложенного к соединению вращающего момента и момента от равнодействующих сил F смятия (давления) получаем, что максимальный вращающий момент, который может передавать это соединение,
Tmax 4 [ ]см a2 l ,
3
где 4 — число граней; [ ]см — допускаемые напряжения смятия для более слабого материала (см. табл. 6.1); a b/2 — рабочая ширинаграни ;l— рабочаядлина соединения см( .рис. 8.6).
Расчет на прочность деталей профильных соединений аналогиченпрове рке напрочность деталей соединений с натягом (см. гл. 5).
Глава9
ОСНОВЫТРИБОТЕХНИКИ
9.1. Основные понятия, термины и определения
Триботехника — прикладнойраздел триболог ии (науки о трении и об изнашивании), посвященный расчету и конструированию подвижных соединений деталей машин, называемых также подвижными сопряжениями или узлами трения. Для всех соединений подобноготипа характернонал ичиевнешнего т рения.
Внешнее трение — механическое сопротивление относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновенияповерх ностей по касательным к ним и сопровождаемое диссипацией энергии. Наличие трения в узлах машин и механизмов приводит к их изнашиванию, что является основной причиной выхода из строя большинства изделий машиностроения и важным фактором их надежности [43]. Процессы изнашивания конкретного узла трения могут протекать по разным закономерностям в зависимости от его геометрии, кинематики, динамики и др.
С позиций геометрии и кинематики один из определяющих признаков классификации узлов трения — вид трения. К двум главнымвидам трения относяттрение качения и скольжения.
Трение качения — трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по значению и направлению. Трение качения наблюдается в таких узлах, как подшипники качения, эвольвентные зубчатые передачи, направляющие качения, роликовинтовые передачи. Основным критерием работоспособностиэтих узлов является сопротивление контактной усталости рабочих поверхностей. В реальных условиях трение каченияможет сопровождаться элементами проскальзывания .
Трение скольжения — трение движения двух твердых тел, при которомск оростител в точкахкасания различныпо значениюи (или) по направлению. Этот вид трения наблюдается в таких узлах, как
164
9.1. Основные понятия, термины и определения
подшипники скольжения, шарниры цепных передач, передача винт– гайкаскольжения , шлицевыесоединения . Основные закономерности, лежащие в основе этих расчетов, изложены в п. 9.2. Одна из основныхпричин выхода из строя данных узлов скольжения заключается в изнашиваниипри скольжении.
Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и( или) формы тела. Виды изнашивания подразделяют, в зависимости от причин разрушения и последствий, ими вызываемых. Например, при качении происходит изнашивание в результате контактной усталости — выкрашивание, а при скольжении может наблюдаться изнашивание отслаиванием. Важная причина изнашивания — действие среды: при наличии твердых частиц в среде, вступающей в контакт, изнашивание называют абразивным, а при коррозионном действии среды — коррозионно-меха ническим и т. д. На действие среды могут накладываться кинематические факторы. Так, коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях называют фреттинг-коррозией.
Износ есть результат изнашивания поверхности трения, определяемый в единицах длины, объема или массы, которые устанавливают в зависимостиот методаизмерения.
Линейный износ — износ, определяемый по уменьшению размера по нормали к поверхности трения. Единицей линейного износа, какправило , служит микрометр.
Количественно изнашивание характеризуется скоростью изнашивания — отношениемзначения износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или интенсивностью изнашивания— отношением износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы. Наиболее широко распространена безразмерная формула интенсивности изнашивания, например, при накоплении износа, равного 1 мкм, на
путитрения 1 кмона равна10 |
–9. |
Под износостойкостью понимают свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивностиизнашивания
Относительная износостойкость — безразмерный показа-
тель, характеризующийсоотношение абсолютных значенийизноса двухматериалов , одиниз которых принятза эталон .
165
Глава 9. Основытриботехник и
Предельный износ — износ, соответствующий предельному состоянию изнашиваемого изделия или его составной части. По соотношению предельного износа и скорости изнашивания определяют ресурс детали, т. е. срок ееслужбы .
В процессе трения в зависимости от геометрии, кинематики и нагруженностико нтактирующих деталей, а такжеот свойств материалов этих деталей могутвозникать различные явления, оказывающие как положительное, так и отрицательное действие на функционирование деталей. К положительному действию относят приработку — процесс изменения геометрии поверхностей трения и физикохимических свойств поверхностных слоев материала (рис. 9.1, а) в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешнихусловиях в уменьшении силытрения , температуры и интенсивности изнашивания. Результаты приработки проявляются и в такихявлениях , каксмя тие и сглаживаниешероховатости поверхности , формированиеоптимальной структуры поверхностных слоев матер и- алов, повышение несущей способности сопряжения и др. Процесс приработки протекает под действием силовых факторов — нормальной нагрузки и силы трения. Изменение структуры поверхностных слоев твердого тела представлено на рис. 9.1, б. В точке А показана деформация, характеризуемая углом поворота зерна, в точке В — углом . Степень деформации оценивается по углу поворота структурных элементов (зерен металла) . При этом уровень нормальной нагрузки должен быть ограничен допускаемым для данного материала значением, определяемым для конкретных
Рис. 9.1. Структура поверхностных слоев твердого тела до трения (а) и после трения на грани заедания (б):
1 — адсорбированныйслой ; 2 — оксиды; 3 — граничная зона; 4 — зона материала с измененными физико-химическими свойствами; 5 — основной материал; 6 — поверхностный слой, включающий адсорбционные и оксидные пленки; 7, 8 — зоны, подвергшиеся сильному и умеренному деформированию соответственно; 9— зонасо структур ой, близкой к исходной
166