МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ «МЕХАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ»

Орел · 2008

Рецензент:

Доктор технических наук, профессор Орловского государственного технического университета

Савин Л.А.

Разработчики: Кандидат технических наук

Поляков Р.Н.

Кандидат технических наук

Панченко А.И.

Методические указания предназначены для подготовки и проведения лабораторных работ по разделу дисциплины «Детали машин», изучающему механические соединения, методы их проектировочного и проверочного расчета. Работы выполняются на экспериментальной установке «Механические соединения», которая позволяет проводить 6 лабораторных работ.

В задачи экспериментальных исследований входит получение студентами практических навыков выполнения операций сборки и демонтажа, настройки контрольно-измерительной системы и снятия экспериментальных показаний, определение погрешностей измерений и проведение теоретических расчетов, обобщения и анализа полученных результатов.

Предназначено студентам приборостроительных, машиностроительных и технологических специальностей при изучении дисциплины «Детали машин и основы конструирования», а также смежных с ней дисциплин «Основы проектирования машин», «Прикладная механика», «Автоматизированное проектирование машин» и др.

Материалы учебного пособия могут быть полезны слушателям курсов повышения квалификации, специалистам – расчетчикам и конструкторам, а также при самостоятельном изучении курса «Детали машин и основы конструирования».

© Савин Л.А., Поляков Р.Н., Панченко А.И.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение..............................................................................................................

4

Лабораторная работа №МС – 1

 

Определение предельных нагрузок в шпоночном соединении.....................

6

Лабораторная работа № МС – 2

 

Исследование нагрузочной способности клеммовых соединений...............

18

Лабораторная работа №МС – 3

 

Исследование трения в резьбовых соединениях.............................................

24

Лабораторная работа № МС – 4

 

Определение усилий в затянутом болтовом соединении ..............................

33

Лабораторная работа № МС – 5

 

Установление характера распределения усилий в заклепочных швах.........

41

Лабораторная работа № МС – 6

 

Установление характера распределения напряжений в сварных

 

фланговых швах .................................................................................................

50

Приложение А

 

Описание конструкции экспериментальной установки

 

«Механические соединения» ............................................................................

61

Приложение Б

 

Описание информационно-измерительной системы

 

и программного обеспечения............................................................................

73

Приложение В

 

Последовательность монтажа экспериментальной установки......................

91

Приложение Г

 

Методика обработки результатов экспериментов..........................................

112

Приложение Д

 

Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ ........................

120

3

ВВЕДЕНИЕ

Элементы конструкций механических систем, основное назначение которых состоит в объединении деталей и узлов в более крупные структурные единицы, называются соединениями. 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.

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

восевом 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 распро-

странены 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,

4

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.

Вданных методических указаниях приведены 6 лабораторных работ, которые позволяют проводить экспериментальные исследования шпоночного, клеммового, резьбового, заклепочного и сварного соединений.

Рекомендуемый объем академических часов на выполнение лабораторных работ:

лабораторная работа №1 – 4час;

лабораторная работа №2 – 4 час;

лабораторная работа №3 – 4 час;

лабораторная работа №4 – 4 час.

лабораторная работа №5– 4 час.

лабораторная работа №6– 4 час.

Подразумевается, что перед выполнением лабораторных работ студенты должны полностью пройти лекционный курс по разделу «Механические соединения» дисциплины «Детали машин».

5

Лабораторная работа МС – 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК В ШПОНОЧНОМ СОЕДИНЕНИИ

1 Цель работы

Проведение комплексного теоретического и экспериментального исследования влияния механических и геометрических параметров призматических шпонок на работоспособность шпоночных соединений.

2 Задачи исследований

1.Изучение конструктивных исполнений и теоретических основ расчета шпоночных соединений.

2.Проведение расчета предельных крутящих моментов, передаваемых призматической шпонкой из условий прочности на срез и смятие.

3.Знакомство с принципом работы экспериментальной установки и методикой измерения силовых параметров.

4.Экспериментальное определение предельных крутящих моментов для различных геометрических параметров шпонок, изготовленных из различных материалов.

5.Проведение расчетов шпоночного соединения в системе APM WinMachine (модуль APM Joint).

6.Проведение сравнительного анализа теоретических и экспериментальных результатов.

7.Определение действительного коэффициента запаса прочности экспериментальных данных.

8.Формирование отчета и выводы по результатам работы.

3 Ключевые слова и понятия

Соединения, геометрическое и силовое замыкание, разъемные соединения, шпонка, нагрузочная способность, условие прочности на «срез» и «смятие».

4 Объект исследования и оборудование

Универсальная лабораторная установка «Механические соединения», набор гаечных ключей. Контрольно-измерительная система: персональный компьютер (Windows 2000/NT/XP, LabVIEW, APM WinMachine), датчики измерения усилий.

6

5 Теоретическая часть

Шпоночное соединение относится к разъемным. Его отличительной принадлежностью служит шпонка. В общем случае шпонка представляет собой призматический брус, который вставляется в пазы соединяемых деталей и препятствует их относительному смещению. Классификация шпоночных соединений представлена на рисунке 1.1.

Шпоночные соединения

 

Ненапряженные

 

 

 

Напряженные

 

 

 

 

(геометрическое замыкание),

 

 

 

(силовое замыкание),

 

фиксация – в окружном

 

 

 

полная фиксация

 

направлении (рис. 1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Клиновые (рис. 1.5)

 

Призматические

 

Сегментные

 

 

 

 

 

 

шпонки (рис.1.3)

 

шпонки (рис. 1.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поверхность сопряжения:

Фрикционные

цилиндрическая,

коническая,

торцевая

Тангенциальные

Рисунок 1.1 – Виды шпоночных соединений

Шпоночные соединения с геометрическим замыканием звеньев фиксируют детали только в окружном направлении. Они используются при сопряжении деталей по цилиндрической (рисунок 1.2), конической (рисунок 1.3а,б) и торцевой (рисунок 1.3в) поверхностям. Наибольшее распространение получили шпонки призматической (рисунок 1.2в) и сегментной (рисунок 1.4) форм. На чертежах продольное сечение шпонки, как и ребра жесткости, не штрихуется.

Возможно стандартное и нестандартное шпоночное соединение с призматическими шпонками.

7

а)

б) в)

Рисунок 1.2 – Шпоночное соединение по цилиндрической поверхности с призматической шпонкой

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

форма шпонки должна соответствовать бруску прямоугольного сечения с плоскими, скругленными или плоско-скругленными концами (рисунок 1.2в);

каждому значению диаметра соединяемых деталей d должны соответствовать устанавливаемые стандартом размеры поперечного сечения шпонки – высота h и ширина b (рисунок 1.2а);

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.

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 (рисунок 1.2а), что и создает геометрическое замыкание. В ненагруженном моментом соединении внутренние силовые факторы отсутствуют, поэтому такое шпоночное соединение также называют ненапряженным.

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 верх-

8

ней грани является графическим признаком ненапряженного шпоночного соединения, и поэтому он обязательно указывается на чертеже или эскизе (при малости зазора его изображают увеличенным).

Рисунок 1.3– Шпоночное соединение с призматической шпонкой на цилиндрической поверхности (а), на конической поверхности (а,б)

и с торцевой шпонкой (в)

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 рисунке 3а 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).

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

параллельно оси вала (рисунок 1.3а). Этот способ технологичен, но один конец шпонки сильно выступает из паза вала, а другой – значительно утоплен, и, следовательно, шпонка нагружается неравномерно;

9

параллельно образующей конуса (рисунок 1.3б). Свойства такого способа противоположны предыдущему. Он применяется при длинных и крутых конусах.

Для соединения вращающихся деталей, соприкасающихся торцами, применяют торцевые шпонки (рисунок 1.3в). 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.

Призматические шпонки вследствие низкой технологичности используются преимущественно в изделиях мелкосерийного производства. Достоинства соединений: простота конструкции и низкая стоимость. Недостатки: вал и ступица ослаблены шпоночными пазами, в зоне которых возникает концентрация напряжений, что снижает усталостную прочность деталей соединения; трудно обеспечить взаимозаменяемость соединения из-за необходимости ручной подгонки шпонки по пазу; ненадежная работа соединения при ударных, реверсивных и циклических нагрузках.

Пазы во втулке выполняют протягиванием (серийное производство) или долблением (мелкосерийное производство и в глухих отверстиях), а на валах – фрезерованием дисковой или пальцевой фрезами. Обработка дисковой фрезой производительнее, но длина паза возрастает на длину участка врезания инструмента (рисунок 1.3б). В таких пазах устанавливают шпонки с плоскими торцами (для увеличения их полезной длины). Кроме того, в осевом направлении шпонки ни во что не упираются, что требует их дополнительной осевой фиксации посадкой или иным способом. Выполнение паза пальцевой фрезой менее производительно, но длина паза максимально приближена к длине шпонки, а его форма – форме шпонки с кругленными торцами.

В шпоночном соединении сложно обеспечить полную взаимозаменяемость, часто применяется ручная пригонка. В зависимости от способа изготовления пазов размеры шпоночного соединения наносятся по разному, особенно размер, характеризующий глубину паза.

Обычно в соединении ставят одну шпонку. Установка нескольких шпонок (редко более трех) не достаточно эффективна, поскольку теоретическое повышение нагрузочной способности (пропорционально числу шпонок) снижается из-за ослабления поперечного сечения вала, увеличения концен-

10