Тепловые деформации

В узлах, состоящих из деталей, имеющих различную рабочую температуру или изготовленных из материалов с разными коэффициентами линейного расширения, тепловые деформации могут существенно влиять на взаимное расположение деталей.

Осевые зазоры. При нагреве в сочленениях возникают термические зазоры или натяги, которые необходимо учитывать при назначении сборочных (холодных) зазоров.

П римером может служить конструкция фиксирующего подшипника скольжения (рис. 8.11, а). Пусть вал изготовлен из стали с коэффициентом линейного расширения а₁, а корпус подшипника — из сплава с коэффициентом а₂. Рабо­чие температуры соответственно равны t₁ и t₂.

Рис. 8.11. Термические торцовые зазоры.

Торцовый холодный зазор A = L_B — L_n, где L_B и L_n — соответственно длины шейки вала и подшипника.

При нагреве до рабочей температуры t₁ длина шейки вала

L'_B = = L_B [1 + а₂ (t ₁ - t₀)], длина подшипника ,

где t₀ — температура сборки.

Торцовый зазор в рабочем состоянии

∆^! = ∆ + .

Так как отношение весьма близко к единице, то можно принять

∆^! = ∆ + ∆_t, где ∆_t, — термическое изменение зазора:

∆_t= (8.22)

В зависимости от соотношения величин а₁, а₂; и t₁ ,t₂ первоначальный зазор может увеличиться или уменьшиться. Опасен последний случай, так как вал может оказаться защемленным по торцам.

Пусть корпус подшипника изготовлен из алюминиевого сплава с

а₂ = 13 • 10^-6 1/°С, а вал из стали с а₂= 11 • 10^-6 1/°С; рабочая температура корпуса 100^сС, а вала 50°С, длина шейки вала 100 мм, температура сборки 20°С и первоначальный холодный зазор 0,05 мм. Термическое изменение зазора по уравнению (8.22) ∆_t =

Горячий зазор ∆^! = ∆ + ∆_t =0,05 -0,15 = -0,1мм.

Таким образом, в соединении возникает натяг 0,1 мм; вал будет защемлен в подшипнике. Если в рабочем состоянии должен быть обеспечен минимальный зазор, допустим 0,05 мм, то первоначальный холодный зазор должен быть равен 0,05 + 0,15 = 0,2 мм.

Выбор правильных торцовых зазоров имеет особое значение для многоопорных валов с подшипниками, находящимися на большом расстоянии (один от другого (рис. 8.11, б).

Пусть передний подшипник А является фиксирующим. При нагреве картер удлиняется в направлении, указанном стрелкой. Во избежание защемления вала необходимо между щеками вала и торцами соответствующих подшипников предусмотреть зазоры ∆₁ ; ∆₂ ; ∆₃ , пропорциональные расстояниям L₁, L₂ и L₃ этих подшипников от базы. Сохраняя численные значения а₁ , а₂ , а₃, t₀, t₁ и t₂ предыдущего примера и полагая L₁ = 300, L₂ = 500 и L₃ = 700 мм, получаем следующие величины термического изменения зазоров:

∆₁ = 300 (-0,0015) = -0,45 мм; ∆₂ = 500(-0,0015) = -0,75 мм;

∆₃ = 700(-0,0015) = -1,05 мм.

При назначении конструктивных зазоров к этим величинам следует прибавить первоначальные холодные зазоры, которые устанавливают помощью размерного анализа по допускам на изготовление.

Расположение фиксирующих баз.

Фиксирующие базы следует выбирать с таким расчетом, чтобы при всех возможных температурных изменениях размеров системы точность расположения деталей не нарушалась или нарушалась бы в наименьшей мере.

Рис. 8.12. Фиксация вала конической передачи

В узле конической передачи, установленной в корпусе из легкого сплава (рис. 8.12, а), фиксирующий подшипник 1 расположен на значительном расстоянии L от центра зацепления зубчатых колес. Удлинение корпуса при нагреве вызывает смещение малого колеса передачи в направлении, указанном стрелкой. Большое колесо перемещается в том же направлении, но на меньшую величину (вследствие меньшего значения коэффициента линейного расширения стального вала). В результате зазор в зацеплений уменьшается. При известных соотношениях зубчатые колеса могут начать работать враспор.

В правильной конструкции (рис. 8.12, б) фиксирующим является задний подшипник 2, расположенный на сравнительно малом расстоянии l от центра зацепления. Смещения колес относительно друг друга при нагреве здесь гораздо меньше; кроме того, зазор в зацеплении с нагревом уве­личивается, а не уменьшается, как в предыдущем случае.

Обеспечение свободы тепловых деформаций.

Следует избегать осевой фиксации деталей в двух точках. При наличии температурных деформаций в случае такой фиксации могут появиться термические напряжения, вызван­ные торможением смежности.

Рис. 8.13. Фиксация подшипников качения

Примером ошибочной установки явл яется фиксация вала в двух под­шипниках качения одновременно (рис. 8.13, а). Если корпус подшипников выполнен из материала с иным коэффициентом линейного расширения, чем вал, а также если вал и корпус имеют различные рабочие темпера­туры, то в узле возникает зазор или натяг, вызывающий защемление подшипников. Неизбежные погрешности выполнения осевых размеров со­единения, в свою очередь, могут вызвать появление зазоров или натягов.

Вал следует фиксировать в одном подшипнике (рис.8.13,6).

Рис. 8.14. Компенсаторы термического расширения

Второй подшипник должен быть плавающим, т. е. иметь свободу перемещения в осевом направлении.

В соединениях трубопроводов, несущих горячие жидкости или газы, необходимо предусматривать компенсаторы тепловых расширений, пред­отвращающие возникновение термических усилий и деформацию трубо­проводов.

Компенсаторы типа «лира» (рис. 8.14, 1-3) имеют большие размеры. Более компактны линзовые (4-9) и особенно сильфонные компенсаторы (10-15).

Из приведенного рисунка понятно, что в соединениях, работающих при повышенных температурах, сопрягаемые детали меняют своё первоначальное положение. В ряде случаев необходим тепловой расчёт для определения их положения в пространстве при нагреве или даже корректировка формы сопрягаемых деталей.

На рис. 8.15 показано необходимое придание конусности штоков выхлопных клапанов двигателей внутреннего с горания. Так как рабочая температура верхнего конца штока ниже температуры в шейке (на участке перехода штока в головку), то диаметр верхнего конца штока должен быть (из условия постоянства зазора по длине направляющей) больше диаметра штока у шейки на величину ∆_t, где d – номинальный размер штока; а - коэффициент линейного расширения материала клапана;

∆_t - разность температур шейки и верхнего конца штока.

Рис. 8.15. Корректировка формы клапана и направляющей.

Для клапана из аустенитной стали (а= 20*10^-6 1/ ⁰С) при диаметре штока

d = 12мм и ∆_t = 200⁰ С

Корректировку можно также осуществить, выполнив отверстие клапана конически расширяющимся по направлению к головке клапана (рис. 8.15, б). И тот и другой способ облегчают самоустановку клапана в седле.