5.1. Общие сведения.
Соединение двух деталей можно осуществить без применения болтов, шпонок, сварных швов и т.д., для этого достаточно при сборке запрессовать одну деталь в другую (рис. 5.1.). При этом диаметр охватываемой детали (вала) делают больше, чем диаметр отверстия охватывающей детали (втулки).
Рис. 5.1.
Натягом
называют положительную разность
диаметров вала и отверстия:
(измеряется в мкм). В месте соединения
детали упруго деформируются - диаметр
посадочных (контактирующих) поверхностей
становится общим
,
на поверхностях деталей возникает
контактное давление
и соответствующие ему силы трения. Силы
трения обеспечивают неподвижность
соединения и позволяют воспринимать
вращающий момент, осевую силу и изгибающий
момент.
Нагрузочная способность соединения зависит от величины натяга, который в свою очередь зависит от величины нагрузки.
С помощью натяга можно осуществлять сборку не только цилиндрических деталей, но и призматических и конических.
Соединения с натягом применяют для установки на валы и оси зубчатых колес, шкивов, звездочек, маховиков, подшипников качения и т.д., используют при изготовлении составных коленчатых валов, червячных колес и др.
Соединения деталей с натягом относят к неразъемным соединениям условно, т.к. они допускают ограниченное число разборок и новых сборок.
Достоинства соединений с натягом:
- простота конструкции;
- хорошее восприятие больших статических и динамических нагрузок;
- хорошее центрирование соединяемых деталей;
- возможность разборки соединений (ограниченно).
Недостатки соединений с натягом:
- сложность разборки;
- возможность уменьшения натяга соединяемых деталей и повреждения их посадочных поверхностей при сборке (запрессовке), а вследствие этого – требование повышенной точности изготовления посадочных поверхностей (например, пониженная шероховатость);
- высокая концентрация напряжений у краев отверстия втулки.
По способу сборки различают соединения с натягом выполненные:
- прессованием;
- температурным деформированием (нагревом втулки либо охлаждением вала).
Прессование – достаточно распространенный и несложный способ сборки, выполняемый на прессах; однако, у данного метода есть недостатки: смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных поверхностей (а, следовательно, уменьшение натяга), возникновение неравномерных деформаций деталей по длине контакта и повреждений их торцов. Срезание и смятие шероховатостей приводят к ослаблению прочности соединения до 1,5 раз по сравнению с соединением выполненным температурным деформированием.
Сборку температурным
деформированием выполняют с
предварительным нагревом охватывающей
(втулки) или с охлаждением охватываемой
детали (вала). Температура нагрева
должна быть ниже температуры низкого
отпуска, чтобы не происходило структурных
изменений в металле, т.е. изменений
физико-механических свойств материала
(для сталей -
,
для бронз -
).
Для охлаждения вала используют твердую
углекислоту
или жидкий воздух
).
5.2. Расчет соединений с натягом.
Основной задачей расчета соединения с гарантированным натягом является выбор посадки, обеспечивающей передачу заданной нагрузки.
При определении
несущей способности соединения принимают
допущение – контактные давления
распределяются равномерно по поверхности
контакта (в действительности, контактные
давления по длине соединения распределены
неравномерно – из-за вытеснения сжатого
материала к торцам втулки (контактные
давления у торцов втулки превышают
среднее значение в 2-3 раза)).
Критерии работоспособности соединений с натягом:
- прочность
соединения - за счет неподвижности
деталей, которая обеспечивается силами
трения, возникающими на поверхности
контакта (т.е. для надежного соединения
деталей силы трения (
)
должны быть больше внешних сдвигающих
сил (осевой силы, крутящего и изгибающего
моментов);
- прочность деталей, образующих соединение, т.к. натяг может вызвать их разрушение или недопустимые деформации.
Рис. 5.2.
Рассмотрим несколько расчетных случаев:
1). Соединение нагружено осевой силой (рис. 5.2., а).
Условие прочности соединения (несдвигаемости деталей соединения):
,
где
- действующая на соединение осевая сила;
(
- нормальная сила (произведение площади
контакта на давление)) – сила трения;
- коэффициент трения (табличная величина);
- диаметр и длина посадочной поверхности
соответственно.
Выполнив соответствующие преобразования и подстановки:
;
,
получим формулу
для расчета минимального потребного
давления на поверхности контакта
:
,
где
– коэффициент запаса сцепления.
2). Соединение нагружено крутящим моментом Т (рис. 5.2.,б).
Условие прочности соединения (несдвигаемости деталей соединения):
,
где
(
– окружная сила трения) - момент трения,
- внешний крутящий момент.
Выполнив
преобразования, аналогично предыдущему
примеру, получим формулу для расчета
минимального потребного давления на
поверхности контакта
:
.
3). Соединение
нагружено осевой силой
и крутящим моментом
(рис. 5.2., в).
Условие прочности соединения (несдвигаемости деталей соединения):
,
где
(
- окружная сила).
Формула для расчета
минимального потребного давления на
поверхности контакта
:
.
Коэффициент трения
зависит от способа сборки, давления на
поверхности контакта
,
шероховатости поверхности, скорости
запрессовки, вида смазки поверхностей
при сборке и т.д.
Для стальных и чугунных деталей:
- при сборке с
запрессовкой;
- при сборке с
нагревом охватывающей детали.
Если одна из
соединяемых деталей стальная или
чугунная, а другая — латунная или
бронзовая, то рекомендуется принимать
.