36.Сварные соединения:расчет и правила конструирования.

Сварные соединения стыковыми швами. Расчет сварных соединений в основном является проверочным, при этом размеры основных элементов соединения уже известны. Для выполнения проектных расчетов необходимо знать длину и высоту катета. Прочность стыковых швов определяется нормальными напряжениями в наименьшем сечении соединения. Разрушение при статическом нагружении происходит преимущественно по шву или в зоне термического влияния. Расчет сварных стыковых соединений на статическую прочность:где: нормальные напряжения растяжения; наибольшие нормальные напряжения изгиба в зоне А; наибольшие касательные напряжения кручения; допускаемое напряжение для сварного шва.При сварке плоских деталей стыковым швом условие прочности принимает вид: , где длина шва. Правила конструирования сварных соединенийПри конструировании сварных соединений следует придерживаться следующих правил :обеспечивать удобный подход электродов к сварному шву;применять наиболее простые и производительные способы сварки;избегать совмещения швов, сводить к минимуму количество наплавляемого металла;избегать сварки массивных деталей с тонкими; придавать свариваемым кромкам примерно одинаковое сечение;предусматривать взаимную фиксацию соединяемых деталей с целью устранения сварочных приспособлений;избегать трудоемкой разделки кромок; сварочные ванны образовывать путем смещения свариваемых деталей;унифицировать заготовки;при сварке тонкостенных материалов применять гнутые и штампованные элементы, увеличивающие жесткость конструкции;отдалять обработанные поверхности от сварной зоны; точные поверхности обрабатывать после сварки;при сварке деталей различного сечения предусматривать тепловые буфера, предупреждающие возникновение термических напряжений;при сварке замкнутых полостей предупреждать коробление стенок в результате образования вакуума при остывании;не соединять сваркой детали, закаленные или подвергнутые химико- темической обработке.

37. ЗАКЛЕПОЧНЫЕ И ШТИФТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Заклепочные соединения в недалеком прошлом были основным видом неразъемных соединений. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены сварными соединениями и применя­ются только там, где недопустим нагрев деталей, или при соедине­нии несвариваемых деталей. В заклепочных соединениях нагрузка передается за счет сцепления соединяемых деталей с помощью заклепок и сил трения между ними.Заклепочные соединения разделяют на:силовые, используемые преимущественно в металлических конструкциях машин, в строительных сооружениях;плотные, используемые в котлах и трубах, работающих под давлением.Заклепочное соединение осуществляется с помощью стержней-заклепок, представляющих собой специальные цилиндрические заготовки из пластических материалов (Ст 2, Ст З, сталь 10, сталь 15, латунь, медь, алюминий и др.), имеющие одну заранее изготовлен­ную (закладную) головку, вторая замыкающая головка образуется в процессе клепки. В зависимости от конструкции со­единения применяют различные виды заклепок: со сплошным стержнем; полупустотелые; пустотелые.Заклепки со сплошным стержнем применяются, в основном, в силовых и плотных швах; полупустотелые и пустотелые – в соединениях тонких листов и неметаллических деталей. Заклепочные соединения по конструкции разделяют на соединения внахлестку, соединения с одной накладкой и соединения с двумя наклад­ками.По конструкции швы разделяются на однорядные и мно­горядные с цепным или шахматным распо­ложением заклепок, а также в за­висимости от плоскостей среза -на одно- и многосрезныеРасчет заклепочных соединений. В со­ответствии с обычными условиями работы заклепочных соединений основными на­грузками для них являются продольные силы, стремящиеся сдвинуть соединяемые детали одну относительно другой. При нагружении заклепочного соединения про­дольными силами нагрузка пере­дается силами трения, которые соответ­ствуют условному напряжению заклепки на срез 80...90 МПа. Затем в работе начи­нает принимать участие тело заклепки, подвергаясь изгибу, смятию и сдвигу .Расчет заклепок в соединении, находя­щемся под действием продольной нагруз­ки, сводится по форме к расчету их на срез. Трение в стыке учитывают при выборе допускаемых напряжений среза. При цен­тральном действии нагрузки предполага­ется равномерное распределение сил между заклепками.В заклепочном соединении , допустимая нагрузка , отнесенная к одной заклепке, , где [τ]_ср— условное допускаемое напряжение за­клепки на срез; i — число срезов.При центрально действующей нагрузке F необходимое число заклепок Заклепки на смятие в односрезном или двухсрезном силовом соединении проверяют по формуле, где δ — толщина стенки соединяемых де­талей.Проверка на смятие плотных соединений не нужна, так как в них вся продольная нагрузка воспринимается силами трения в стыке.Соединяемые элементы проверяют на прочность в сечениях, ослабленных заклеп­ками:

где площадь сечения элементов с учетом ослабления диаметрами заклепок.Допускаемое напряжение для соедине­ний стальных деталей заклепками из ста­лей Ст2 и Ст З при расчете по основным нагрузкам: на срез заклепок [τ]_ср = = 140 МПа и на смятие _СМ = 28О... 320 МПа, на растяжение соединяемых элементов из стали Ст З _Р=16О МПа. При холодной клепке допускаемые на­пряжения в заклепках снижают на 30 %.Штифтовые соединенияШтифты в основном предназначены для точного взаимного фиксирования деталей, а также для передачи относительно небольших нагрузок. Штифты как крепежные детали имеют ограниченное применение. Их используют для слабонагруженных соединений, преимущественно для крепления насадных деталей на валах, а также осей в корпусах. Недостатками таких соединений являются: ослабление вала отверстием под штифт, низкая прочность соединения на срез, отсутствие затяжки соединения и нетехнологичность. Установочные штифты применяют в случаях, когда необходимо точно зафиксировать положение одной детали относительно другой, а также для восприятия поперечных сил, действующих в плоскости разъема двух деталей. По форме штифты можно разделить на: цилиндрические , конические , цилиндрические пружинные раз­резные , просеченные ци­линдрические, конические и др. . Гладкие штифты изготовляют из стали 45 и А12, штифты с канавками и пружинные — из пружинной стали.Цилиндрические штифты в отверстия ставят с натягом, они удерживаются от выпадания силами трения , а иногда концы штифтов расклепывают. Для постоянного прочно­го соединения обе детали сверлят и развер­тывают совместно под один размер. Для возможности разборки без выколачивания штифтов в соединениях на плоскости до­полнительно развертываются отверстия в одной детали. Конические штифты вы­полняют с конусностью 1:50, обеспечиваю­щей надежное самоторможение и цент­рирование деталей.

Основные виды кони­ческих штифтов: простые, забиваемые в отверстия, применяемые в сквозных отверстиях при возможности выбивания другой стороны; с резьбой для извлечения при разборке, применяемые при уста­новки в глухие отверстия.В соединениях, подверженных толчкам и ударам, и в со­единениях быстровращающихся деталей конические штифты необходимо специ­ально предохранять от ослабления натяга и выпадания. Для этого их выполняют с прорезью и разведением концов или в виде призонных болтов.Конические штифты в основном приме­няют: в соединениях деталей по пло­скостям, стягиываемым крепежными винта­ми; в соединениях по цилиндрическим и коническим поверхностям вал — ступи­ца.

38. Паянные и клеевые соединения:Соединения пайкой и склеиванием начали применяться значительно раньше сварных, так как они осуществляются без расплав­ления металла соединяемых деталей. Связь между элементами в этих соединениях обеспечивается силами молекулярного взаимодей­ствия металла соединяемых деталей с материалом припоя или клея.По конструкции паяные и клеевые соединения аналогичны свар­ным соединениям .Паяные соединенияОсобенностью паяных соединений является то, что в результате смачивания поверхностей расплавленным припоем после затвердения образуется сплав, свойства которого сущест- венно отличаются от свойств припоя.С помощью пайки соединяют как однородные, так и разнород­ные материалы (черные и цветные металлы и сплавы, стекло, кера­мика, графит и др.). Паяные соединения успешно применяются во многих отраслях машиностроения (авиация, приборостроение, ав­томобилестроение и др.). В последнее время они вытесняют другие виды соединений благодаря легкой автоматизации и механизации технологического процесса .Применение пайки вместо сварных и клепа­ных соединений повышает производительность, снижает массу и стои­мость конструкций. Наиболее производительна пайка сотовых кон­струкций погружением в ванну с расплавленным припоем, а также пайка в специальных печах с восстановительной газовой средой, пайка токами высокой частоты и др.Одним из недостатков пайки, ограничивающим ее применение для соединения крупногабаритных деталей, является необходимость соблюдения малых и равномерно распределенных зазоров, что связа­но с более точной механической обработкой соединяемых деталей.

асчет прочности паяных соединений аналогичен расчету свар­ных соединений. Допускаемые напряжения паяных соединений за­висят не только от состава припоя, но и материала соединяемых деталей. Применяют многообразные способы пайки: паяльником с периодическим подогревом или с непрерывным подогревом газом, жидким топли­вом или электрическим подогревом; газопла­менными горелками; электронагревом (преиму­щественно электросопротивлением); в жидких средах; в печах; специальные.

Клеевые соединенияСклеивание — один из эффективных способов сое­динения конструкционных материалов. Соединение осуществляется за счет сил сцепления в процессе затвердевания жидкого клея. Прочность клеевых соединений в основном зависит от материала и конструкции склеиваемых деталей, качества подго­товки поверхностей к склеиванию, правильности выбора марки клея, технологии склеивания (выдерж­ка при соответствующем давлении, температуре и др.).Сопрягаемые поверхности склеиваемых деталей должны быть хорошо подогнаны одна к другой, не иметь заусенцев и забоин, а шероховатость их должна быть не менее = 6,3...1,6 мкм (шерохова­тость увеличивает поверхность склеивания). Перед склеиванием эти поверхности тщательно обезжири­вают органическими растворителями (бензин, ацетон и др.) или водяным щелочным раствором .В зависимости от склеиваемых материалов и усло­вий работы (характер нагрузки, температура и др.) применяют различные марки клея, например: клей универсальный БФ-2 и БФ-4 (для склеивания стали, алюминиевых и медных сплавов, стекла, пластмасс, кожи как между собой, так и в любом их сочетании); клей 88 (для склеивания металлов и неметаллов, дюралюминия с кожей и резиной, дерева с резиной и других материалов); клеевые композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (для склеивания и гер­метизации неразъемных соединений из стали, алюми­ния, керамики, стекла и других материалов, обес­печивая термостойкое соединение) и др. Толщи­на клеевой прослойки рекомендуется в пределах 0,05...0,15 мм. Большая толщина прослойки в боль­шинстве случаев снижает прочность соединения.Достоинства: возможность соединения деталей из разнородных материалов, в том числе и деталей, не поддающихся сварке; герметичность; высокая коррозионная стойкость; хорошее сопротивление ус­талости. Недостатки: сравнительно низкая проч­ность и особенно при неравномерном отрыве (отдире); низкая теплостойкость (достаточная прочность сохраняется до температуры 250° С); снижение проч­ности некоторых клеевых соединений с течением времени.Клеевые соединения применяют в электропро­мышленности, авиации, мостостроении, станкострое­нии и т. д. Наибольшее распространение имеют сое­динения листового материала и тонкостенные клее­вые конструкции. Их успешно используют для уплот­нения и стопорения резьбовых соединений, при этом повышается надежность работы и отпадает необхо­димость в стопорных деталях.Для особопрочных соединений, испы­тывающих произвольную нагрузку, вклю­чая неравномерный отрыв, и вибрацион­ную нагрузку, применяют комбинирован­ные соединения- клеесварные, клеезаклепочные и клеерезьбовые.Расчет на прочность клеевых соединений аналоги­чен расчету сварных соединений. Обычно размер клеевого шва назначают в зависимости от размеров соединяемых деталей и расчет шва на прочность клеевого шва нахлесточного соединения производят по формуле, где — расчетное напряжение на срез в клеевом шве; b и l – ширина и длина клеевого шва соответственно. Допускаемое напряжение на срез шва для клея БФ-2 [] = 15...20 Н/мм², для клея БФ-4 [] = 25 ...30 Н/мм².

39. ШПОНОЧНЫЕ, ШЛИЦЕВЫЕ И ПРОФИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Шпоночные соединенияприменяют для передачи вращающе­го момента между валом и ступицей (например, ступицей зуб­чатого колеса, шкива, маховика и т. п.) с помощью специаль­ной детали— шпонки. Шпоночные соединения подразделяют наненапряженные, осуществляемые призмати­ческими или сегментными шпонками и напряжен­ные, осуществляемые клиновыми шпонками.

Различают неподвижные и подвижные шпоночные соеди­нения. В неподвижных соединениях ступица не может пере­мещаться по валу в осевом направлении, у подвижных соеди­нений ступица может перемещаться по валу во время работы.По форме торцов различают шпонки трех испол­нений. Шпонки с закругленными торцами (исполнение 1) обычно размещают на валу в пазах, обработанных концевой фрезой, плоские торцы шпонок (исполнения 2 и 3) помещают вблизи деталей (концевые шайбы, кольца и т. д.), препятствующих осевому перемещению шпо­нок.Пазы обрабатывают дисковой фре­зой, что технологичней и дает меньшую концентра­цию напряжений у вала.Соединенияпризматическимишпонка­ми имеют наибольшее распространение. Стандартизованы обыкновенные и высокие призма­тические шпонки. Последние обладают повышенной несущей способностью, их применяют, когда закреп­ляемые детали (ступицы) имеют малую длину. Момент передается узкими боковыми гранями шпо­нок.Соединениясегментнымишпонкамиявляются разновидностью соединений приз­матическими шпонками. Сегментные шпонки (пла­стины в виде сегмента), так же как и призматические, работают боковыми гранями.Глубокая посадка шпонки предохраняет ее от вы­ворачивания под нагруз­кой. Однако глубокий паз существенно осла­бляет вал, поэтому сег­ментные шпонки приме­няют для передачи не­больших вращающих моментов или лишь для фик­сации элементов соединения.Соединенияклиновымишпонками.Клино­вые шпонки представляют собой односкосные самотормозящие клинья с уклоном 1:100, которые ударами молотка забивают в пазы вала и ступицы. Рабочими поверхностями клиновых шпонок являются вер­хняя и нижняя широкие грани.Применяют в тихоходных передачах.Достоинствасоединений: простота конструкции и низкая стоимость.Недостатки: вал и ступица ослаблены шпоночными пазами, в зоне которых возникает концентрация напряжений, что сни­жает усталостную прочность деталей соединений; трудно обес­печить взаимозаменяемость соединения из-за необходимости ручной подгонки шпонки по пазу; ненадежная работа соедине­ния при ударных, реверсивных и циклических нагрузках.РасчётПри расчете приближенно принимают, что напряжения смятия распределены равномерно по поверхности контакта бо­ковых граней шпонок и шпоночных пазов, а плечо равнодей­ствующей этих напряжений приближенно принимают равным 0,5d(d— диаметр вала). Давлением на рабочих поверхностях, возникающим при посадке шпонок в паз вала с натягом, пре­небрегают. При этих упрощениях напряжения смятия на ра­бочих гранях шпонки или паза:

гдеТ— вращающий момент, Н • м; d— посадочный диаметр вала, мм; 1_р— рабочая длина шпонки, мм; k — глубина врезания шпонки в ступи­цу, мм; — допускаемые напряжения смятия, МПа; — предел текучести; S — коэффици­ент безопасности.Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h) выбирают в зависимости от диаметра d вала по ГОСТ 23360-78. Длину шпонки конструктивно принимают на 5- 10 мм меньше длины ступицы и согласовывают со стандартом.Сегментные шпонки, так же как и призматические, проверяются на смятие:

Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической ее проверяют и на срез. Условие прочности шпонки на срез:Если расчетное напряжение превышает допустимое более чем на 5%, то применяют две шпонки. Призматические шпонки устанавливают под углом 180^о , сегментные – вдоль вала в одном пазу ступицы [. Постановка нескольких шпонок сильно ослабляет вал и ступицу, а также связана с технологическими затруднениями. В таких случаях шпонки заменяют шлицевыми соединениями.

Шлицевые соединения вал — ступицапредставляют собой соединения, образуемые выступами — зубьями на ва­лу, входящими во впадины—шлицы соот­ветствующей формы в ступице. Эти соеди­нения можно представить как многошпо­ночные, у которых шпонки выполнены за одно целое с валом.Шлицевые соединения имеют по срав­нению со шпоночными следующие преиму­щества: 1.большую несущую способность при одинаковых габаритах благодаря зна­чительно большей рабочей поверхности и равномерному распределению давления по высоте зубьев; 2.большую усталостную прочность вала; 3.детали на валах лучше центрируются и имеют лучшее направле­ние при передвижении вдоль вала.

Виды шлицевых соединений: а – прямобочное; б-эвольвентное; в- треугольными шлицамиВ настоящее время наиболее распространены давно приме­няемые прямобочные шлицевые соединения (около 80%) по ГОСТу 1139-80. В поперечном сечении профиль прямобочных шлицев очерчивается окружностью выступов зубь­ев D, окружностью впадин dи прямыми, определяющими по­стоянную толщину зубьев b. Стандартом предусмотрены три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая. С переходом от легкой к средней и тяжелой сериям при одном и том же внут­реннем диаметре dувеличивают наружный диаметр Dи число зубьев z, что повышает несущую способность соединений.Легкая серия рекомендуется для неподвижных соединений, средняя – для подвижных, тяжелая – для неподвижных и подвижных при передаче больших моментов.Более перспективны соединения с эвольвентными зубьями (шлицами). Их выполняют с центрированием по боковым, ра­бочим поверхностямили по наружному диаметру. Профиль эвольвентных шлицев очерчивается, как и профиль зубьев эвольвентных зубчатых колес, окружностью вершин, окружностью впа­дин и эвольвентами с углом зацепления 30° (у зубчатых колес 20°) при уменьшенной высоте зуба h = т (у зубчатых колес h= 2,25m). Шлицевые соединения треугольного профиляприменяют редко при стесненных габаритах в радиальномна­правлении. Эти соединения центрируют по боковым сторонам зубьев. Размеры шлицев треугольного профиля установлены отраслевыми стандартами (ОСТ) и нормалями. В основном их применяют в кинематических (приборных) механизмах. Основным расчетом шлицевых соединений является расчет на смятие. Размеры шлицев выбирают в соответст­вии с ГОСТом по диаметру вала. При расчете проверяют на­пряжения смятия на рабочих поверхностях зубьев и сравнива­ют их с допускаемыми. Напряжения смятия находят в предположении равномерного распределения напряжений по рабочей поверхности зубьев. Неравномерность распределения нагрузки между зубьями из-за ошибок изготовления учитыва­ют коэффициентом k_PH. Таким образом,

где: T- передаваемый вращающий момент, коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между парами зубьев из-за ошибок изготовления по шагу (средний диаметр; h – рабочая высота зубьев; l – рабочая длина зубьев; допускаемое напряжение смятия.

Расчет на изнашивание. Для предварительных расчетов используют упрощенную формулу:

где коэффициент 0,75 приближенно учитывает неравномерность нагрузки по зубьям; допускаемые напряжения из условий ог­раничения изнашиваемости назначают в зависи­мости от вида термической обработки и твердости рабочих поверхностей соединяемых деталей.Размеры шлицевых соединений в основном опре­деляются прочностью и жесткостью валов, поэтому напряжения на рабочих поверхностях могут быть значительно ниже допускаемых. Если же расчетное значение или превышает или более чем на 5%, то увеличивают длину ступицы l или принимают другую серию и повторяют расчет.