Соединения с натягом
Общие сведения, основные виды и области применения соединений с натягом. Виды нагружений.
В цилиндрических соединениях с натягом (рисунок 1,а) нагрузки передаются за счет трения, возникающего между двумя деталями после их сборки, с упругопластическим деформированием сопряженных поверхностей при необходимой разнице посадочных размеров. Сборка осуществляется механической запрессовкой либо с помощью нагрева охватывающей или охлаждения охватываемой детали. Характерные посадки в цилиндрических соединениях с натягом: H7/р6, H7/z6, H7/s6, H7/t7, H7/u7 и т. д.
а – цилиндрическое; б – коническое; в – схема сил в коническом соединении
Рисунок 1 – Соединение с натягом:
Рекомендуемые ЕСДП посадки с натягом могут быть разделены на 3 группы. Тяжелые и особо тяжелые посадки (H/u; Н/х; H/z) имеют увеличенный натяг с большим разбросом его значений. Эти посадки рекомендуется определять опытным путем. Средние посадки H/r, H/s, H/t применяются для запрессовки втулок в шкивы и зубчатые колеса, для закрепления зубчатых колес на валах коробок скоростей, для установки бронзовых венцов червячных колес и т. п. Эти посадки могут передавать значительные нагрузки без дополнительного крепления. Легкие посадки Н/р характеризуются минимальным гарантированным натягом и применяются в соединениях тонкостенных деталей при передаче небольших нагрузок.
Цилиндрические соединения с натягом занимают промежуточное положение между разъемными и неразъемными. При определенных условиях (например, при малых натягах, характерных для посадок подшипников качения, при сборке со смазыванием маслом, подаваемым под большим давлением в зону контакта, и т. п.) повреждения сопряженных поверхностей незначительны либо вовсе не наблюдаются даже при многократных сборках и разборках. В этих случаях соединение может считаться разъемным.
По сравнению с цилиндрическими конические соединения с натягом (рисунок 1,б) имеют некоторые преимущества. Так, их неоднократная сборка и демонтаж не сопровождаются заметными повреждениями сопрягаемых поверхностей. Осевым относительным перемещением деталей соединения можно регулировать натяг, а также с большей точностью его измерять. Вместе с тем для деталей этих соединений необходима более высокая точность.
Общим недостатком соединений с натягом являются отрицательные последствия даже однократной их перегрузки. Если перегрузка сопровождается относительным смещением рабочих поверхностей, то это может вызвать их окончательное разрушение. Чтобы предотвратить такие последствия, в ряде случаев в соединении устанавливают шпонку. Однако шпоночный паз вызывает концентрацию напряжений и снижает предел выносливости вала. Этот пример еще раз свидетельствует о том, насколько важно иметь точные данные по нагрузкам, по всему их спектру. Такие данные позволяют назначать параметры соединения с натягом, обеспечивающие необходимый запас прочности, без дополнительных мер, удорожающих производство.
Еще один недостаток этих соединений – большой разброс натягов –можно исключить за счет селективной сборки, т. е. подбора деталей соединения с допусками, близкими к расчетным. Однако это возможно лишь при индивидуальном или мелкосерийном производстве. В массовом производстве следует считаться с вероятностным характером распределения посадок с натягом.
Несущая способность соединений с натягом из-за разброса натягов колеблется в широком диапазоне. Существенную роль в этом играет неопределенность коэффициента трения. Он также меняется в широких пределах в зависимости от способа сборки, материала сопрягаемых деталей, давления, физико-механического состояния поверхностей и других факторов.
Обеспечение стабильности несущей способности соединений с натягом является одной из задач современного машиностроения. Для ее решения могут быть использованы меры как конструктивного, так и технологического характера. Первые из них сводятся в основном к подбору рациональных геометрических соотношений для сопрягаемых деталей, обеспечивающих их надлежащую прочность при минимальной массе. Технологические приемы предоставляют больше возможностей для стабилизации натяга и качества соединения в целом. К ним относятся: обеспечение надлежащей чистоты и точности формы сопрягаемых поверхностей (наименьшей прочностью обладают соединения с грубообточенными посадочными поверхностями, наибольшей - со шлифованными поверхностями, причем последние более стабильны по усталостной прочности и несущей способности; так, разброс прочности при изменении параметров шероховатости в диапазоне Ra = 0,16...5 мкм составляет ~ 60 %); различные виды упрочнения поверхностей (поверхностно-пластическое деформирование, химико-термическая обработка покрытий и др.); подбор смазочного материала, препятствующего при сборке образованию задиров (лучшие масла – растительные – подсолнечное или льняное, сырое или вареное).
При расчетах различают статическую прочность соединений с натягом и их прочность при динамических нагрузках. В первом случае полагают, что напряжения в стыке деталей, вызываемые внешними нагрузками, остаются постоянными, и расчет несущей способности соединения ведут по средним значениям давления в стыке. При этом допускается локальное проскальзывание на небольших участках стыковой поверхности, прилегающих к торцам деталей соединения. Вследствие постоянного характера нагрузки такое однократное локальное скольжение не нарушает несущей способности соединения.
При переменных нагрузках критерием работоспособности соединения с натягом является отсутствие локального скольжения в стыке, поскольку, повторяясь многократно, оно приводит к расшатыванию соединения, постепенному выползанию вала из втулки, а также вызывает контактную коррозию или схватывание и изнашивание сопряженных поверхностей. Переменное нагружение соединений с натягом характерно для валов с напрессованными на них деталями, подвергающихся знакопеременным напряжениям изгиба, а также нагружаемых Крутящими моментами переменного значения со значительными перегрузками (например, при частых пусках).
Рисунок 2 – Зависимость смещения в стыке от нагрузки
Допускаемые из условия локальной неподвижности стыка нагрузки можно установить на основе зависимости смещения в стыке от нагрузки (крутящего момента Т), показанной на графике (рисунок 2). Если внешний момент не превышает значения Ту, при котором он уравновешивается силами трения в стыке, то зависимость крутящего момента Т от смещения в стыке будет описываться прямой ОА или ОА1 (при действии момента в противоположном направлении). Если момент увеличить до Тск, то первоначальное нагружение будет происходить по кривой ОАВ, а разгрузка и нагружение в обратную сторону – по прямой BB1A2, при этом в точке А2 момент равен – Ту. Участок ОВ характеризует смещение стыка вследствие нагружения моментом Тск. При дальнейшем увеличении момента связь между ним и деформацией определяется линией BL, а при разгружении – линией LNQ. Если нагружать соединение, начиная от точки Q, а затем разгружать, то получится петля гистерезиса QDLNQ.
Задача расчета при действии симметричных знакопеременных нагрузок состоит в определении момента Ту с некоторым запасом. Для переменных асимметричных нагрузок наибольший крутящий момент не должен превышать Тск. Для этих расчетов нет достаточных данных, которые можно получить на основе эксперимента. Поэтому несущую способность и прочность элементов соединения с натягом определяют исходя из постоянства нагрузки.