8)Шпоночные, шлицевые, профильные соединения. Область применения. Методы расчета на прочность.

Соединение - конструктивное объединение деталей с целью получения узлов

Преимущества шпоночных соединений:

Простота изготовления

Малые габариты

Низкая стоимость

Недостатки:

Ослабление вала шпоночным пазом

Снижение выносливости вала

Нельзя использовать шпонки на полых валах

Шпоночное соединение служит для передачи крутящего момента – неподвижное, разъемное соединение

Виды:

призматические

сегментные

Порядок подбора шпонки

Выбирают поперечное сечение шпонки в зависимости от диаметра вала (по ГОСТу)

Определяют длину призматической шпонки из условия прочности на смятие

Шлицевые соединения

Шлицевые (зубчатые) соединения применяют в подвижных и неподвижных соединениях для передачи крутящего момента

Преимущества в сравнении со шпоночными соединениями:

Более высокая нагрузочная способность

Лучшее центрирование детали на валу

Меньше концентрация напряжений

Проще изготовление в массовом производстве

Высокая точность и взаимозаменяемость

Виды шлицевых соединений:

Прямоблочные

Эвольвентные

Треугольные

Порядок подбора шлицевых соединений:

Размеры зубьев выбирают по ГОСТам в зависимости от диаметра вала

Для определения нагрузочной способности проводят проверочные расчеты

Профильное соединение

Профильное соединение – неподвижное, разъемное соединение, в котором крутящий момент передается лысками

Основы расчета

Вопрос 10

Соединения деталей машин

Взаимодействие деталей между собой называют связями. Эти связи делятся на подвижные (шарниры, зубчатые зацепления, подшипники, ременные и цепные передачи) и неподвижные (заклепочные, сварные и другие). Неподвижные связи в технике называют соединениями. Соединения состоят из соединительных деталей и прилегающих частей соединяемых деталей, форма которых подчинена задаче соединения. В отдельных конструкциях специальные соединительные детали могут отсутствовать. 

Соединения по признаку возможности разборки делят на разъемные и неразъемные.

Разъемными называют соединения, которые разъединяются без повреждения деталей. К ним относятся резьбовые, шпоночные, зубчатые и профильные соединения. Основным расчетом соединений является расчет на прочность. Расчет на прочность является основным критерием для расчета всех соединении. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы прочность соединяемых и соединительных деталей была одинаковой.

Неразъемными называют соединения, разъединение которых невозможно без разрушения соединяемых деталей или соединяющего материала. К ним относят заклепочные, сварные клеевые, паяные соединения, а также соединения с натягом.

Выбор типа соединения определяет инженер.

Расчет заклепочных соединений

Неразъемные соединения деталей машин и строительных конструкций имеют две основные разновидности: заклепочные и сварные. Неразъемными эти соединения называют потому, что для их разборки необходимо разрушить соединительные элементы — заклепки, сварные швы. Сварные соединения имеют целый ряд существенных достоинств по сравнению с заклепочными и почти полностью заменили их во многих отраслях промышленности. Вопросы расчета и конструирования заклепочных и сварных соединений подробно изучаются в курсах деталей машин и стальных конструкций. Здесь ограничимся рассмотрением основных вопросов расчета заклепочных соединений для случаев, когда соединяемые элементы работают на растяжение или сжатие.

На рис.6.11,а представлено соединение двух полос внахлестку, а на рис.6.11,б — встык с одной накладкой. В том и другом случае при разрушении заклепок срез каждой из них происходит по одному поперечному сечению (отмечено волнистой линией), поэтому эти соединения называют односрезными.

а
б

Рис.6.11. Односрезные соединения

На рис.6.12,а показано соединение встык с двумя накладками, а на рис.6.12,б — прикрепление к фасонному листу узла фермы стержня, состоящего из двух равнобоких прокатных уголков. В том и другом случае срез каждой заклепки при разрушении происходит по двум поперечным сечениям, и соединение называютдвухсрезным.

а
б

Рис.6.12. Двухсрезные соединения

Расчет заклепочных соединений ведется на срез и смятие на основе допущений, указанных в предыдущем параграфе. Между склепываемыми элементами развиваются значительные силы трения, и работа заклепок на срез начинается лишь после того, как внешние силы станут больше сил трения и начнется сдвиг склепанных полос. При расчетах это обстоятельство не учитывают.

Склепываемые элементы (полосы, уголки и т. п.) рассчиты­вают на растяжение (сжатие) с учетом ослабления их поперечных сечений отверстиями для заклепок.

Расстояние е от центра первой заклепки до края полосы (рис.6.11,а) принимают обычно равным удвоенному диаметру заклепки. При таком расстоянии прочность края полосы на срез (выкалывание) обеспечена и специальный расчет не нужен.

Отверстия в склепываемых элементах имеют диаметр, на 0,5-1 мм больше, чем диаметр непоставленной заклепки. В расчетные формулы входит диаметр d отверстия, так как в выполненном соединении заклепка практически полностью заполняет отверстие.

Зависимости для проверочных расчетов имеют следующий вид:

а) на срез

(6.3)

где i — общее число заклепок, передающих заданную нагрузку  ; в конструкциях типа, представленного на рис.6.11,а и 6.12,б, — это общее число заклепок, а в соединениях встык (рис.6.11,б и 6.12,а) — это число заклепок по одну сторону стыка; к — число плоскостей среза одной заклепки: для конструк­ций по рис.6.11 —k = 1 и по рис.6.12 — k = 2;

б) на смятие

(6.4)

При односрезных соединениях (рис.6.11) вместо   надо подставлять в формулу значения меньшей из толщин склепываемых элементов, а при двухсрезных— меньшей из величин   или   (рис.6.12,а). Для соединения по рис.6.12,б под   надо понимать толщину полки уголка.

При проектировочном расчете заклепочного соединения диаметром заклепок задаются, принимая его примерно равным  . При различной толщине склепываемых элементов под   понимают меньшую из них. Затем определяют допускаемое усилие на одну заклепку:

а) из условия прочности на срез

(6.5)

б) из условия прочности на смятие

(6.6)

По меньшему из допускаемых усилий определяют требуемое число заклепок:

(6.7)

Для заклепочных соединений стальных конструкций промышленных и гражданских сооружений, а также подъемных кранов допускаемые напряжения на срез и смятие принимают по следующим данным (табл.6.1).

Таблица 6.1

Допускаемые напряжения на срез и смятие

Материал конструкции	Допускаемые напряжения, Н/мм^2
	При продавленных отверстиях		При сверленных или рассверленных отверстиях
Сталь Ст.2	100	240	140	280
Сталь Ст.3	100	280	140	320

Паяные соединения

Паяные соединения — неразъемные соединения, образуемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и присадочным материалом, называемым припоем. Припой-сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемые деталями. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей. По конструкции паяные соединения подобны сварным (рис. 16, а - в).преимущественное применение имеют соединения внахлестку. Стыковое соединение и соединение втавр применяют при малых нагрузках.

Рис.16

 

В отличие от сварки пайка позволяет соединят не только однородные, но и разнородные материалы: черные и цветные металлы, сплавы, керамику, стекло и др.

При пайке поверхности деталей очищают от окислов и обезжиривают с целью получения хорошей смачиваемости поверхности припоем качественного заполнения им зазоров. Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, электронагревом, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхности деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргон). Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении затвердевает, прочно соединении детали.

Размер зазора в стыке определяет прочность соединения. При малом зазоре лучше проявляется эффект капиллярного течения припоя, процесс растворения материалов деталей в расплавленном припое распространяется на всю толщину паяного шва (прочность образующегося раствора на 30…60% выше прочности припоя).

Размер зазора принимают 0,03…0,2 мм в зависимости припоя (легкоплавкий или тугоплавкий) и материала деталей.

Припой с температурой плавления до 400 °С называют легкоплавкими. Наиболее широкое применение имеют оловянные-свинцовые, оловянно-свинцовые сурьмянистые припои (ПОС90, ПОС61). Эти припои не следует применять для соединений, работающих при температуре свыше 100 °С или подверженных действию ударных нагрузок.

Припои с температурой плавления свыше 400 ⁰С называют тугоплавкими (серебряные или на медной основе). Припой на медной основе (ВПр1, ВПр2) отличаются повешенной хрупкостью, их применяют для соединения деталей, нагруженных статической нагрузкой. Серебряные припои (ПСр40, ПСр45) применяют для ответственных соединений. Они устойчивы против коррозии и пригодны для соединения деталей, воспринимающих ударную и вибрационную нагрузки.

Достоинством паяных соединении является возможность соединения разнородных материалов, стойкость против коррозии, возможность соединения тонкостенных деталей, герметичность, малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя. Пайка позволяет получать соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах конструкции.

Недостатком пайки по сравнению со сваркой является сравнительно невысокая прочность, необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки, а также предварительной обработки поверхностей перед пайкой.

Применение паяных соединений в машиностроении расширяется в связи с внедрением пластмасс, керамики и высокопрочных сталей, которые плохо свариваются. Пайкой соединяют листы, стержни, трубы и др. Ее широко применяют в автомобилестроении (радиаторы и др.) и самолетостроении (обшивка с сотовым промежуточным заполнением). Пайка является одни из основных видов соединений в радиоэлектронике и приборостроении.

Расчет на прочность паяных соединений производят на сдвиг методами сопротивления материалов. Надо учитывать, что в нахлесточном соединении площадь расчетного сечения равна площади контакта деталей. Для нахлесточныхсоединений деталей из низкоуглеродистой стали, полученных оловянно-свинцовыми припоями (ПОС40), допускаемое напряжение на сдвиг [ ]_с=60Н/мм².

 

 

Клеевые соединения

В настоящее время все шире применяют неразъемные соединения металлов и неметаллических материалов, получаемые склеиванием. Это соединения деталей неметаллическим веществом посредством поверхностного схватывания и межмолекулярной связи в клеящем слое. Наиболь­шее применение получили клеевые соединения внахлестку (рис.17), реже — встык. Клеевые соединения позволили расширить диапазон применения в конструкциях машин сочетанийразличных неоднородных мате­риалов — стали, чугуна, алюминия, меди, латуни, стекла, пластмасс, рези­ны, кожи и т. д.

Рис.17. Клеевое соединение внахлестку

 

 Применение универсальных клеев типа БФ, ВК, МПФ и других (в на­стоящее время употребляют более ста различных марок клеев) позволяет довести прочность клеевых соединений до 80% по отношению к прочно­сти склеиваемых материалов. Наибольшее применение в машиностроении клееные соединения, работающие на сдвиг. Оптимальная толщина слоя клея 0,05…0,15 мм.

На прочность клееных соединений влияют характер нагрузки, конструкция соединения, тип и толщина слоя клея (при увеличении толщины прочность падает), технология склеивания, и время (с течением времени прочность некоторых клеев уменьшается).

Достоинства и недостатки клеевых соединений.

Достоинства:

- простота получения неразъемного соединения и низкая стоимость работ по склеиванию;

- возможность получения неразъемного соединения разнородных ма­териалов любых толщин;

- отсутствие коробления получаемых деталей;

- герметичность и коррозионная стойкость соединения;

- возможность соединении очень тонких листовых деталей;

- значительно меньшая, чем при сварке, концентрация напряжений;

- высокое сопротивление усталости;

- малая масса.

Недостатки:

- сравнительно невысокая прочность;

- неудовлетворительная работа на неравномерный отрыв;

- уменьшение прочности соединения с течением времени  («старе­ние»); 

- низкая теплостойкость большинства марок клеев.

Область применения. Клеевые соединения широко применяют в самолетостроении, при изготовлении режущего инструмента, электро- и радиооборудования, в оптической и деревообрабатывающей промышлен­ности, строительстве, мостостроении. В настоящее время созданы некото­рые марки клеев на основе полимеров, удовлетворительно работающих при температуре до 1000°. Клеевыми соединениями создают новые конструкции (сотовые, слоистые), отдельные зубчатые колеса соединяют в общий блок, повышают прочность сопряжения зубчатых венцов со ступицами, ступиц с валами, закрепляют в корпусе неподвижное центральное зубчатое колесо планетарной передачи, наружное кольцо подшипника качения, стопорят резьбовые соединения, крепят пластинки режущего инструмента и др.

Расчет клеевых соединений на прочность. Соединения внахлестку. При действии растягивающей или сжимающей силы F (рис. 17) расчет производят на сдвиг (срез) по формуле

         ,                                                   (10)

где  и   — расчетное и допускаемое напряжения на сдвиг;  = 10 ÷ 25 МПа для карбонильного клея,  = 4,5 ÷ 7,0 МПа для клея группы БФ; F — нагрузка, действующая на соединение;  — площадь сдвига (среза).