Детали машин и основы конструктирования

152

ца, ширина которых также подгоняется по месту;

•посредством регулировочного винта, который стопорит подшипник через поджимную шайбу, обеспечивающую равномерное поджатие наружного кольца (рис. 8.41б).

Еще раз отметим, что обязательной регулировке и осевой затяжке должны подвергаться радиально-упорные подшипники, у которых необходимый контакт колец с телами качения создается только в процессе монтажа подшипникового узла.

Смазывание подшипников. Оно, прежде всего, необходимо для уменьшения трения, отвода тепла и защиты от коррозии. При невысоких скоростях и температурах подшипникового узла применяют пластичные смазки. Для уменьшения потерь на трение и хорошего отвода тепла используют жидкие смазки. При особо высоких температурах применяют твердые смазки.

Смазывание подшипников жидкими смазками производят следующими способами (более подробная характеристика приведена в разделе “Смазывание”):

•смазывание окунанием в масляную ванну. Эффективно при средних скоростях, хорошо охлаждает подшипники, но велики потери на трение, связанные с перемешиванием смазки;

•смазывание разбрызгиванием из общей ванны. Брызги создают, например, расположенные на валах окунающиеся в смазку колеса. Вместе с брызгами в опоры могут попадать продукты коррозии и износа, что ухудшает работу подшипников;

•капельная смазка специальными устройствами. Применяется для быстроходных опор;

•смазывание масляным туманом, т.е. рассеянными в воздухе мелкими частицами смазки, которые вместе с воздухом продуваются сквозь опору. Применяется для особо быстроходных опор.

8.4 Несущие элементы конструкций (корпусные детали)

Основные виды и назначение несущих частей конструкций и их элементов, а также иных функционально родственных или взаимосвязанных частей, представлены на рис. 8.45

Несущие конструкции служат опорами узлов и механизмов машин, аппаратов и приборов, т.е. воспринимают действующие на них нагрузки. При этом понятие “опора” имеет широкий смысл, а конкретный вид такой “опоры” определяется условиями применения.

Для поддержания устройств или частей машин, оказывающих преимущественно нормальное давление на опорную поверхность, служат плиты. Если же действуют не только нормальные, но и сдвигающие нагрузки, то используют основания и фундаменты.

Несущие конструкции, которые наряду с опиранием обеспечивают нужное взаимное расположение (базирование) устройств или частей машин, относят к станинам либо, если это стержневая конструкция, – к рамам.

Конструкциями широкого назначения являются корпуса и крышки: они поддерживают и базируют устройства или части машин, защищают и предохраняют (изолируют) их от неблагоприятных или нежелательных воздействий со стороны внешней среды, человека, других устройств или узлов этой же системы (либо наоборот – защищают внешнюю среду от воздействия на нее устройств или машин).

Несущие элементы конструкций могут соседствовать с такими взаимосвязанными элементами, как кожухи, служащими для защиты и изоляции устройств или частей машин.

Отдельную группу конструкций, являющихся в основном частью аппаратов, составляют сосуды и контейнеры. Они служат емкостями для хранения различных веществ. Часть объема корпуса тоже может использоваться как емкость, но для жидкой смазки, откуда она подается к узлам машины. Это – картер.

Наряду с названием “корпус”, используемым в качестве обобщенного, существует ряд специальных терминов:

•коробки, применительно к корпусам прямоугольной формы;

•цилиндры, применительно к корпусам, наиболее важная часть которых имеет цилиндрическую форму.

153

Форма конструкции корпусов сильно зависит от системы их сборки и характера монтажа внутренних узлов и деталей.

Вмашине или ином устройстве, заключенном в корпус, можно выделить продольное (осевое) и поперечное (радиальное) направления осей координат. Если сборка изделия ведется перемещением деталей и узлов на их посадочные места в осевом направлении и/или корпус имеет осевые разъемы (соединения по плоскостям, перпендикулярным продольной оси корпуса, как показано на рис. 8.46а), то такая конструкция образует осевую систему сборки.

Так, в изображенной на рис. 8.46а конструкции, зубчатое колесо собирается на валу. Затем этот узел, а также вал-шестерня, осевой подачей вставляются в корпус через отверстие с одной его стороны. Накладывается отъемная крышка (1), закрепляемая винтами. Для проверки правильности зацепления колес и контроля их текущего состояния сверху предусмотрена крышка смотрового люка (2). Валы базируются по посадочным поверхностям в отверстиях корпусных деталей, а отъемная крышка относительно корпуса – посредством центрирующих элементов (на рисунке – парой штифтов).

При осевой системе сборки корпусные детали технологичны в изготовлении (имеют простые формы, обрабатываемые поверхности – замкнутые), обладают хорошей жесткостью, что

витоге позволяет получить легкую и прочную конструкцию. Недостатком является повышенная трудоемкость монтажа – сложность сборки и регулировки положения деталей.

Вконструкции с радиальной системой сборки разъем лежит в плоскости, совпадающей с осью монтируемого узла.

Так, в изображенной на рис. 8.46б конструкции, корпус состоит из верхней (4) и нижней

(3)частей с горизонтальной плоскостью разъема, совпадающей с плоскостью расположения осей валов и колес. При сборке, сначала, валы устанавливают в нижней части корпуса (3) и, затем, накрывают верхней частью корпуса (4). Обе корпусные части крепятся винтами и центрируются штифтами. Плоскости стыка частей корпусов должны быть хорошо притерты. Посадочные отверстия под подшипники валов обрабатываются “в сборе”, т.е. в предварительно собранном и взаимно отцентрированном корпусе. При уплотнении стыка применение прокладок недопустимо, так как это нарушает цилиндричность посадочных гнезд под подшипники. Для этих целей используют герметики.

Опорами передачи, изображенной на рис. 8.46б, являются подшипники скольжения с вкладышем. В опоре Б вкладыш выполнен в виде цельной втулки и установлен на валу посредством осевой сборки. В опоре А вкладыши состоят из двух половинок, которые устанавливаются посредством радиальной сборки. Поскольку на рисунке плоскость разъема корпуса совпала с плоскостью стыка половинок вкладыша, то на чертеже вкладыш не заштрихован.

С целью упрощения обработки поверхностей стыков их желательно располагать параллельно или перпендикулярно плоскости базирования детали или траектории движения инструмента. Поэтому для передачи с вертикальным расположением осей валов (рис. 8.46в) при радиальной системе сборки будет две плоскости разъема корпуса, а сам корпус – состоять из трех частей.

При радиальной системе сборки упрощается монтаж и обслуживание, но повышается трудоемкость изготовления – детали следует обрабатывать в сборе, плоскости разъема – хорошо притирать, необходимо введение в конструкцию базирующих элементов. Корпусу свойственна неодинаковая жесткость: в плоскости стыка она меньше, чем в поперечном направлении. Для повышения жесткости приходится усложнять конструкцию и вводить жесткостные элементы.

Вконструкции со смешанной (комбинированной) системой сборки (пример на рис. 8.46г)

корпус выполняется цельным с монтажным отверстием, закрываемым крышкой (5). По возможности она располагается в ненапряженной части конструкции. При сборке через монтажное отверстие опускают (в поперечном направлении) колеса и, одновременно, в корпусные отверстия заводят валы (в осевом направлении) так, чтобы они прошли сквозь отверстия в ступицах колес. При таком способе сборки изменение диаметров вала по длине должно быть монотонно возрастающим (ступенчатая конструкция вала). При невозможности выполнения

157

8.5 Соединения

Соединения позволяют собирать изделие из отдельных деталей, т.е. взаимно фиксировать их в требуемом направлении. Применение сборных конструкций удешевляет изготовление деталей: упрощаются их формы, облегчается обработка, рационально используются материалы. Но при этом увеличивается число деталей, усложняется монтаж из-за возрастания числа сборочных операций, появляется потребность в дополнительных стыках и сопряженных поверхностях, которые требуют повышенной точности обработки, возникает неблагоприятное распределение напряжений и ряд других факторов. Разбиение конструкции на детали, выбор их числа и форм определяется технологическими возможностями и минимизацией затрат на изготовление, сборку и последующее техническое обслуживание всей системы.

Общая классификация соединений приведена на рис. 8.47.

В конструкции соединяемые детали могут либо соприкасаться, либо отстоять друг от друга на некотором расстоянии. Наиболее часто контактирующие поверхности соединяемых деталей имеют цилиндрическую (как, например, в сопряжении вал-втулка) или плоскую (или слабо искривленную) формы.

При контакте по цилиндрической поверхности фиксация деталей в радиальном направлении уже обеспечивается характером сопряжения. В остальных направлениям возможна:

•фиксация в окружном направлении при допустимой подвижности в осевом направлении: шпоночное, шлицевое, профильное, штифтовое (осевая установка) и другие виды соединений;

•фиксация в осевом направлении при допустимой подвижности в окружном направлении: резьбовые, кольцами и другие виды соединений;

•полная фиксация (во всех направлениях): штифтовое (радиальная установка), клиновое, резьбовое (фланцевое), сварное, клеевое, прессовое и другие виды соединений.

При соединении деталей по плоской поверхности наиболее распространены соединения, обеспечивающие полную фиксацию, т.е. препятствующие сдвигу деталей и отрыву их друг от друга. Это – сварное, клеевое, клепаное и резьбовое соединения, а также соединения гвоздями, шурупами, шипами и еще многими другими способами. Для улучшения восприятия сдвигающих нагрузок используют комбинированные соединения, когда дополнительно вводят элементы, хорошо работающие на сдвиг, как, например, шпонки и штифты.

Не всегда детали, подлежащие соединению, непосредственно соприкасаются. В таких случаях вводят промежуточные элементы, связывающие соединяемые детали воедино:

•для соединения вращающихся деталей (валов) служат муфты. При этом часто они выполняют и ряд других вспомогательных функций;

•для соединения стационарных деталей типа труб, шлангов и т.п. применяют муфты, рукава, нипели, бугельное, фланцевое и ряд других соединений.

Взависимости от условий монтажа соединения подразделяются на разъемные и неразъемные. В отличие от неразъемных соединений разъемные позволяют многократно собирать и разбирать узлы без повреждения поверхностей деталей, однако существует вероятность непроизвольной их саморазборки в процессе эксплуатации. Поэтому в ответственных случаях разъемные соединения нуждаются в дополнительном стопорении.

По характеру взаимодействия соединяемых деталей выделяют геометрическое и силовое замыкания. Силовое замыкание, как правило, фиксирует детали посредством силы трения и конструктивно проще, но габариты такого узла получаются больше.

158

Рис.8.47 – Виды и способы соединения деталей

В каждой проектной ситуации существует много вариантов соединения деталей. Выбор же конкретного способа зависит от геометрии этих деталей, а также от технологических возможностей, связанных с возможностью изготовления деталей и соединительных элементов и сложностью последующего монтажа. Ниже приводится характеристика основных видов соединений.

159

8.5.1 Шпоночные соединения

Шпоночное соединение относится к разъемным. Его отличительной принадлежностью служит шпонка. Формы шпонок разнообразны, но, в основном, они представляют из себя призматический брус, который вставляется в пазы соединяемых деталей и препятствует их относительному смещению. Классификация шпоночных соединений представлена на рис. 8.48.

Шпоночные соединения с геометрическим замыканием звеньев фиксируют детали только в окружном направлении. Они используются при сопряжении деталей по цилиндрической (рис. 8.49), конической (рис. 8.50а,б) и торцевой (рис. 8.50в) поверхностям. Наибольшее распространение получили шпонки призматической (рис. 8.49в) и сегментной (рис. 8.51) форм. На чертежах продольное сечение шпонки, как и ребра жесткости, не штрихуется.

Возможно стандартное и нестандартное шпоночное соединение с призматическими шпонками.

Соединение считается стандартным (ГОСТ 23360) при выполнении следующих условий:

•форма шпонки должна соответствовать бруску прямоугольного сечения с плоскими, скругленными или плоско-скругленными концами (рис. 8.49в);

•каждому значению диаметра соединяемых деталей d должны соответствовать устанавливаемые стандартом размеры поперечного сечения шпонки – высота h и ширина b (рис. 8.49а);

•длина шпонки l должна соответствовать значениям из ряда нормальных линейных размеров. Обычно она выбирается из интервала, ограниченного снизу условием прочности соединения, а сверху – осевыми габаритами (шириной) втулки;

•материал шпонки должен иметь предел прочности σb > 600 МПа.

Шпоночные

соединения

Тангенциальные

Рис. 8.48 – Виды шпоночных соединений

На цилиндрической поверхности соединяемых деталей призматическая шпонка располагается вдоль образующей: частично утапливается в пазу вала, а выступающей частью входит в паз в отверстии втулки. Рабочие поверхности шпонки, фиксирующие детали и, следовательно, передающие рабочую нагрузку (крутящий момент Т), – части боковых граней (рис. 8.49а), что и создает геометрическое замыкание. В ненагруженном моментом соединении внутренние силовые факторы отсутствуют, поэтому такое шпоночное соединение также называют ненапря-

женным.

160

Между верхними гранями шпонки и паза во втулке предусматривается зазор, снимающий статическую неопределимость при сборке деталей (исключает одновременную посадку втулки по цилиндрической поверхности вала и верхней грани шпонки). Отметим также, что наличие зазора по верхней грани является графическим признаком ненапряженного шпоночного соединения, и поэтому он обязательно указывается на чертеже или эскизе (при малости зазора его изображают увеличенным).

Из условия удобства изготовления шпонки ее посадки в пазы вала и втулки назначают в системе вала, т.е. с полем допуска h на ширину шпонки. Тип посадки выбирают по рекомендациям в зависимости от характера сопряжения и условий работы. На рис. 8.49а в качестве примера приведены посадки шпонки: на вал с натягом (с целью ее плотного закрепления) и в паз втулки – с минимальным зазором (с целью хорошей центровки и возможности перемещения втулки при сборке).

Шпонки могут использоваться в качестве направляющих прямолинейного движения с одновременной передачей крутящего момента. В этом случае посадка шпонки в паз втулки назначается более свободной. Для устойчивости от выворачивания такие шпонки дополнительно притягивают к валу винтами с утопленной головкой. В ряде случаев (например, при большой длине хода) удобнее крепить шпонку ко втулке, а на валу паз изготавливать на всю длину скольжения (это – скользящие шпонки).

Для соединения вращающихся деталей, соприкасающихся торцами, применяют торцевые шпонки (рис. 8.50в). Они располагаются диаметрально в плоскости стыка и дополнительно крепятся к одной из деталей, например, винтами. Этот вид соединения достаточно компактен, но шпонка нагружается неравномерно и необходима дополнительная осевая фиксация деталей.

При установке шпонок на конических участках валов их располагают следующими способами:

•параллельно оси вала (рис. 8.52а). Этот способ технологичен, но один конец шпонки сильно выступает из паза вала, а другой – значительно утоплен, и, следовательно, шпонка нагружается неравномерно;

•параллельно образующей конуса (рис. 8.52б). Свойства такого способа противоположны предыдущему. Он применяется при длинных и крутых конусах.

Призматические шпонки вследствие низкой технологичности используются преимущественно в изделиях мелкосерийного производства. Их большим недостатком также являются ослабление валов пазами и вызываемая ими концентрация напряжений.

Пазы во втулке выполняют протягиванием (серийное производство) или долблением

а)

б) в)

Рис.8.49 – Шпоночное соединение по цилиндрической поверхности с призматической шпонкой