Конструирование циклически нагруженных деталей

Рассмотрим ряд проверенных приёмов при конструировании деталей и узлов машин, подверженных знакопеременным нагрузкам.

1. Уменьшение концентрации напряжений. Если устранить концентра­торы напряжений полностью невозможно, то следует заменять сильные концентраторы умеренно действующими. Например, резьбовые отверстия, принадлежащие к числу наиболее сильных концентраторов, целесообразно заменять гладкими отверстиями, отрицательный эффект которых меньше и может быть ослаблен рядом мер.

Концентраторы следует удалять из наиболее напряженных участков детали и переносить, если это допускает конструкция, в зоны наименьших напряжений. С целью уменьшения номинальных напряжений целесообразно увеличивать сечения детали на участках расположения концентраторов.

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений приведены в табл. 6.5.

2. Введение галтелей. Концентрацию напряжений во входящих углах ступенчатых деталей, например ступенчатых валов, можно значительно снизить рацио­нальной формой сопряжения ступеней.

Острые входящие углы на участках перехода диаметров вала, канавки для выхода шлифовального круга, шпоночные и шлицевые пазы, прямоугольные сечения самих валов - вызывают резкую концентрацию напряжений.

Ч аще всего для снижения концентрации напряжений на участках пере­хода вводят галтели (рис. 6.6 и 6.7) и желательно с условием равнопрочности.

Рис. 6.6. Равнопрочные галт ели для различных соотношений D/d.

Рис. 6.7. Установка шариковых подшипников на валах с галтелями

Позицией 1 на рисунке обозначено дополнительное промежуточное кольцо

Таблица 6.5. Устранение и снижение концентрации напряжений

Продолжение таблицы 6.5

Продолжение таблицы 6.5

Продолжение таблицы 6.5

3. Упрочнение отверстий. Участки деталей, ослабленные отверстиями, упрочняют путём увеличения сечений в зоне расположения отверстий, скругления кромок отверстий, обжатия кромок, уплотнения стенок отверстий, обчеканки материала по периферии отверстий. На рис. 6.8 приведена последовательность операций при обработке отверстий в высоконагруженных деталях (разгрузочные отверстия дисков турбин): а) – сверление, б) – снятие фаски, в) – зенкерование, г) – развёртывание, д) – скругление кромок, е) – уплотнение галтели, ж) - прошивания отверстия шариком.

Рис. 6.8. Обработка отверстий в циклически нагруженных деталях

4. Изменение конструкции детали. При разработке конструкции детали автор сам вводит концентраторы напряжений и, пожалуй, самый эффективный приём по уменьшению этого вредного фактора – избегать его при разработке конструкции. Для примера на рис. 6.9. показана рациональная и нерациональная конструкция фланцевого вала.

Рис. 6.9. Нерациональная и рациональная конструкция шлицевого вала.

5. Устранение концентрации нагрузок. Устранение местных скачков напряжений, возникающих в точках приложения сосредоточенных нагрузок, как в циклически нагруженных деталях, так и в деталях с постоянной нагрузкой – это важное правило конструирования.

В зубчатых колёсах непрямолинейность зуба, погрешности угла наклона косых и спиральных зубьев, перекос осей колёс неизбежно вызывают сосредоточенные нагрузки на кромках и, как следствие, повышенные напряжения изгиба и смятия. Обязательно снятие фасок или введение галтелей на углах зубьев (рис. 6.10, а). Полезно увеличивать податливость путём уменьшения жёсткости обода по направлению к торцам (рис. 6.10, б).

Эффективным средством предупреждения повышенных кромочных давлений является придание зубу слегка бочкообразной формы (бомбинирование) с одновременным скруглением торцевых кромок (рис. 6.10, в) .

Рис. 6.10. Устранение концентрации нагрузок на кромках зубьев.

Этот прием обеспечивает при возможных перекосах и неточностях наиболее благоприятное расположение пятна контакта примерно по центру зуба.

6. Конструирование циклически нагруженных соединений. Соединения, передающие пульси­рующий крутящий момент или испытывающие знакопеременные радиаль­ные нагрузки, подвержены усталостным повреждениям особого вида: фрикционной коррозии, наклепу и свариванию.

Основной причиной этих дефектов являются многократно повторные деформации и микросдвиги сопряженных поверхностей в окружном и продольном направлениях, вызывающие нагрев металла.

Фрикционная коррозия - заключается в окислении поверхности металла. На стальных и чугунных поверхностях образуются окислы железа (преимущественно Fe₂O₃) в виде ржавых пятен, а при далеко зашедшей коррозии — в виде скоплений порошка коричне­вого цвета. На бронзовых поверхностях появляются зеленые пленки окислов меди, на алюминиевых — белые пленки А1₂О₃. Фрикционная коррозия, как и всякий вид коррозии, резко снижает циклическую прочность.

Соединения, работающие в тяжелых условиях, нагреваются в результате периодических деформаций до 400 — 500°С. Кратковременные пики темпе­ратуры на участках соприкосновения микронеровностей («тепловые вспышки») достигают 800—1000°С. При этом происходит локальный отпуск, размягчение и снижение прочности стали. В этих условиях возни­кает фрикционный наклеп, выражающийся в смятии поверхностей, появлении неровностей и частичном сцеплении металла сопрягающихся поверхностей. На последующей стадии соединение сваривается.

Сваривание может происходить при температуре, значительно меньшей сварочной температуры. В обычных условиях поверхность металлов покрыта прочными адсорбированными пленками смазки, окислов, влаги и паров, предотвращающими металлический контакт. Нагрев и повышен­ное давление, особенно в точках соприкосновения микронеровностей, разрушают пленки; частицы металла сближаются на расстояние, при котором возникают силы молекулярного и кристаллического взаимодей­ствия. Сначала образуются отдельные мостики, сварки, которые затем охватывают обширные участки. Сварившееся соединение невозможно разобрать без его разрушения.

Наиболее склонны к свариванию одинаковые металлы и металлы со сходным атомно-кристаллическим строением, образующие друг с другом твердые растворы замещения. Структурная неоднородность, наличие в металле нескольких фаз, особенно неметаллических (карбидов, силици­дов и др.), предотвращают сваривание. Устойчивы против сваривания закаленные стали (если не происходит отпуска стали из-за перегрева).

Главные средства предотвращения этих явлений следующие:

-уменьшение деформаций и микросдвигов сопрягающихся поверхностей (увеличение жесткости конструкции, силовая затяжка соединений, без­зазорная передача крутящего момента);

-отвод теплоты, выделяющейся при микросмещениях (применение прокладок из теплопроводных материалов, а в соединениях, работающих с зазорами, — ввод охлаждающего масла);

-установка между контактными поверхностями промежуточных бронзо­вых или латунных втулок;

-применение разделительных покрытий фосфатирование, омеднение и т. д.);

-введение твердых смазок на основе дисульфида молибдена, коллои­дального графита и др.;

-создание в поверхностных слоях структур, устойчивых против корро­зии и сваривания, посредством сульфидирования, силицирования, селенирования и др.

Главный конструктивный прием предотвращения наклепа и сва­ривания -

э то создание на сопрягающихся поверхностях натяга — радиаль­ного (по цилиндрическим поверхностям) или осевого (по торцовым поверхностям), который резко повышает жесткость узла в целом, умень­шает упругие деформации системы и эффективно тормозит взаимные смещения сопрягающихся поверхностей.

Рис. 6.11. Затяжка цилиндрических соединений.

Крепление насадных деталей без затяжки (рис. 6.11,1) или со слабой затяжкой (2) неприемлемо для силовых соединений. При осевой затяжке с упором ступицы в буртик вала (3) величина радиального натяга зависит от типа посадки ступицы на вал. Чем тяжелее условия работы, тем более тугой следует делать посадку. В концевых соединениях применяют также затяжку центральным болтом (4) или более сильную затяжку внутренней гайкой (5).

Чисто радиальный натяг обеспечивает прессовая посадка (6). Вводя в соединение конические штифты (7), можно достичь практически без­зазорной передачи крутящего момента и исключить возможность угловых микросмещений сопрягающихся поверхностей. Соединение, однако, полу­чается неразборным.

Хорошее соединение обеспечивает затяжка на конус (8). Величину радиального натяга регулируют, затягивая гайку динамометрическим клю­чом или (способ более точный) выдерживая определенное осевое переме­щение ступицы (осевой натяг).

В шлицевых соединениях со скользящей посадкой (по центрирую­щему диаметру, по рабочим граням шлицев) обязательна затяжка гайкой (9). Для неразборных или редко разбираемых соединений применяют Н7/n6 по центрирующему диаметру и F8/j_s7 по рабочим граням (10). Радиальный натяг создается при запрессовке пробки во внутреннюю полость вала (11). Соединение неразборное. В разборных конструкциях затяжку осуществляют пробкой с конической резьбой (12) или конусом, стягиваемым центральным болтом (13). В последнем случае на пробке должна быть предусмотрена резьба под съемник. Тяжелонагруженные шлицевые соединения затягивают на конусы, уста­навливаемые с одной (14) или с двух (15) сторон ступицы. При сочленении цилиндрических деталей с призматическими (например, шеек со щеками в разъемных коленчатых валах) применяют посадки прессовую (16), на конус (17), на коническую втулку (18), а также затяжку конической пробкой (19). Во избежание наклепа между сопрягающимися поверхностями устанавливают тонкостенную бронзовую или свернутую из латунной ленты втулку. Применяют также затяжку клеммами (20).В конструкции клеммных соединений необходимо обеспечивать равно­мерную затяжку по всей окружности клеммы. На рис. 6.12 показан пример ошибочной конструкции 1. Крутящий момент от шейки к щеке передают два шипа. При затяжке клеммы верхние грани шипов упираются в стенки пазов 2. Участок А А остается незатянутым; на нем неизбежно возникает наклеп. В правильной конструкции 3 шип расположен по оси симметрии клеммы. Равномерную затяжку обеспечивает также конструкция 4 с передачей крутящего момента призонным болтом, установленным в лунке шейки. По указанным выше причинам клеммная затяжка не применима для нагруженных шлицевых соединений.

Рис. 6.12. Клеммные соединения.