Основы теоретической механики

4.2 Виды нагружения

4.2.1 Растяжение-сжатие

При воздействии на тело силы, линия действия которой проходит по оси данного тела, в поперечном сечении (перпендикулярном линии действия силы) возникают напряжения, называемые напряжениями растяжения или сжатия, в зависимости от направления действия силы.

В случае растяжения-сжатия прочность тела оценивается по формуле

где  - действительные напряжения растяжения (сжатия);

- сила, действующая на тело;

- площадь поперечного сечения тела;

- допускаемые напряжения растяжения (сжатия);

- предел текучести материала;

- коэффициент запаса прочности

Для удобства представления информации на расчетной схеме напряжения представляются в виде эпюр.

Эпюра - группа условных линий, показывающих величину и направление напряжений, возникающих в рассматриваемом теле.

Если по длине тела изменяются размеры поперечного сечения или приложенная нагрузка, то изменятся и величина напряжений

Пример

Построить эпюры напряжений для бруса, изображенного на рисунке.

Решение. Для определения внутренних усилий разбиваем прямолинейный брус на участки. Границами участков являются точки продольной оси, соответствующие изменению площади поперечного сечения и точкам приложения сосредоточенных сил.

Проводим сечение I-I. Отбросим верхнюю часть бруса, ее действие заменим нормальной силой . Запишем уравнение равновесия, проектируя силы на ось бруса:

Определим напряжения на участке I:

Проводим сечение II-II. Отбросим верхнюю часть бруса, ее действие заменим нормальной силой . Запишем уравнение равновесия, проектируя силы на ось бруса:



Определим напряжения на участке II:

Проводим сечение III-III. Отбросим верхнюю часть бруса, ее действие заменим нормальной силой . Запишем уравнение равновесия, проектируя силы на ось бруса:

Определим напряжения на участке III:

Проводим сечение IV-IV. Отбросим верхнюю часть бруса, ее действие заменим нормальной силой . Запишем уравнение равновесия, проектируя силы на ось бруса:

Определим напряжения на участке IV:

4.2.2 Срез (сдвиг) и смятие

Срезом называют деформацию, представляющую собой смещение поперечных плоскостей тела под действием силы параллельной этой плоскости.

Касательные напряжения при срезе (напряжения среза) определяются по формуле

где  - действительные напряжения среза;

- допускаемые напряжения растяжения (сжатия);

Смятием называют деформацию, представляющую собой нарушение первоначальной формы поверхности под действием силы перпендикулярной к этой поверхности.

Нормальные напряжения при смятии (напряжения смятия) определяются по формуле

Пример

Определить напряжения среза и смятия для заклепки соединяющей три детали. Известны диаметр заклепки , усилие действующее на соединение

Запишем условие прочности на срез для заклепки

В соединении 3-х деталей напряжения среза возникают в двух сечениях круглой формы.

Площадь круга , подставляем ее в условие прочности, получим.

Запишем условие прочности на смятие для заклепки

В соединении 3-х деталей напряжения смятия возникают на боковых поверхностях заклепки площадь которых будет определяться:

Для верхней и нижней поверхностей:

Для средней поверхности:

Тогда напряжения смятия

Для верхней и нижней поверхностей:

Для средней поверхности:

4.2.3 Изгиб

Изгиб представляет собой такую деформацию, при которой происходит искривление оси прямого бруса или изменение кривизны кривого бруса.

Изгиб называют чистым если изгибающий момент является единственным внутренним усилием, возникающим в поперечном сечении бруса (балки).

Изгиб называют поперечным, если в поперечных сечениях бруса наряду с изгибающими моментами возникают также и поперечные силы.

При изгибе в сечении деталей возникают нормальные напряжения , которые распределяются по закону треугольника, причем в нижних волокнах - напряжения сжатия, а в верхних - напряжения растяжения (для схемы показанной на рисунке).

Напряжения изгиба определяются по формуле

На практике изгиб тела вызывает не только внешние изгибающие моменты, но и поперечные силы, действующие на тело. Для нахождения наиболее нагруженного поперечного сечения строят эпюры изгибающих моментов.

При построении эпюр изгибающих моментов используются следующие правила:

1 Тело разбивается на участки, границами которых служат точки приложения внешних сил и моментов и реакции опор;

2 Построение ведется последовательно, по участкам, путем проведения сечений, проходящих через середину участка и отбрасывания части тела лежащей за сечением. Для неотброшенной части тела составляется зависимость по которой изменяется изгибающий момент и определяется его значение в начале и конце участка;

4 Построение эпюры ведется о стороны растянутых волокон;

5 Если в рассматриваемом сечении приложен внешний момент, то на эпюре наблюдается скачек на величину этого момента.

Построение эпюр изгибающих моментов рассмотрим на примере.

Пример

Проверить на прочность балку постоянного сечения, показанную на рисунке, если известно, что осевой момент сопротивления ее сечения м³_, а допускаемые напряжения изгиба  МПа.

1 Определяем реакции опор

:

кН

:

кН

Проверка

2 Разбиваем эпюру на участки

Участок 1

Участок 2

Участок 3

Участок 4

Проверка

Наибольший момент Н·м

Определяем напряжения изгиба

4.2.4 Кручение

Кручением называют деформацию, возникающую при действии на стержень пары сил, расположенной в плоскости, перпендикулярной к его оси. Стержни круглого или кольцевого сечения, работающие на кручение, называют валами.

При кручении в сечении деталей возникают касательные напряжения , которые направлены по касательной к окружности вала

Напряжения кручения определяются по формуле

Если вал нагружен несколькими крутящими моментами, то для нахождения наиболее нагруженного поперечного сечения строят эпюры крутящих моментов.

При построении эпюр крутящих моментов принимают следующее правило знаков: если при взгляде в торец отсеченной части вала действующий в этом сечении момент оказывается направленным против хода часовой стрелки, то он считается положительным, а если по ходу часовой стрелки - отрицательным.

Пример

На валу установлено 4 диска, к которым подвешены грузы.

Проверить на прочность вал показанный на рисунке. Известен диаметр вала d = 75 мм, диаметры дисков d₁ = 200 мм, d₂ = 150 мм, d₃ = 100 мм, d₄ = 250 мм и вес грузов F₁ = 20кН, F₁ = 40кН, F₁ = 35кН, F₁ = 40 кН допускаемое напряжение не кручение  = 25 МПа

Определим крутящие моменты на валах

 кН·м

 кН·м

 кН·м

 кН·м

Строим расчетную схему и эпюру крутящих моментов

Разбиваем вал на участки

Рассматриваем участок I: Проводим сечение I-I и отсекаем правую часть

Рассматриваем участок II: Проводим сечение II-II и отсекаем правую часть

 кН·м

Рассматриваем участок III: Проводим сечение III-III и отсекаем правую часть

 кН·м

Рассматриваем участок IV: Проводим сечение IV - IV и отсекаем правую часть

 кН·м

Рассматриваем участок V: Проводим сечение V - V и отсекаем правую часть

 кН·м

По эпюре определяем наибольший момент кН·м

Записываем условие прочности



4.2.5 Контактные напряжения

где  _ удельная нагрузка;

 _ приведенный радиус кривизны;

 _ приведенный модуль упругости,

Удельная нагрузка

Приведенный радиус кривизны: ,

где  и  _ радиусы кривизны ("+" _ для внешнего касания цилиндров; "-" _ для внутреннего);

 _ приведенный модуль упругости,

5 Основные параметры механической передачи

Механической передачей называют механизм, который преобразует параметры движения двигателя в процессе передачи его от двигателя к исполнительным органам машины.

Все механические передачи разделяют на две основные группы:

- передачи, основанные на использовании трения (ременные, фрикционные);

- передачи, основанные на использовании зацепления (зубчатые, червячные, цепные, винтовые).

Передачи выполняют с постоянным или переменным (регулируемым) передаточным отношением.

Регулирование передаточного отношения может быть ступенчатым или бесступенчатым:

- ступенчатое регулирование выполняют в коробках скоростей с зубчатыми колесами, в ременных передачах со ступенчатыми шкивами и т. п.;

- бесступенчатое регулирование _ с помощью фрикционных или цепных вариаторов.

Основные параметры передач.

В каждой передаче различают два основных вала: входной и выходной, или ведущий и ведомый. Между этими валами в многоступенчатых передачах располагаются промежуточные валы.

Основные характеристики передач:

- мощность P₁ на входе и Р₂ на выходе, Вт;

- быстроходность, которая выражается частотой вращения n₁ на входе и n₂ на выходе, мин^-1, или угловыми скоростями  и , с^-1.

Эти характеристики минимально необходимы и достаточны для проведения проектного расчета любой передачи.

Кроме основных, различают производные характеристики:

- коэффициент полезного действия (КПД)

, или

где  _ мощность, потерянная в передаче;

- передаточное отношение, определяемое в направлении потока мощности,

Производные характеристики часто используют взамен основных. Например, передачу можно определять с помощью , , , .

При  > 1,  >  передача понижающая, или редуктор.

При  < 1,  <  передача повышающая, или мультипликатор.

Наибольшее распространение имеют понижающие передачи, так как частота вращения исполнительного механизма в большинстве случаев меньше частоты вращения двигателя.

При расчете передач часто используют следующие зависимости между различными параметрами:

_ выражение мощности , Вт, через окружную (тангенциальную) силу , Н, и окружную скорость , м/с, колеса, шкива, барабана и т. п.:



_ выражение вращающего момента , Нм, через мощность, Вт и угловую скорость , с^-1:

, где

- связь между вращающими моментами на ведущем и ведомом валах через передаточное отношение и КПД :

5.1 Зубчатые передачи

Принцип действия зубчатой передачи основан на зацеплении пары зубчатых колес.

Классификация:

По расположению осей валов различают:

- передачи с параллельными осями, которые выполняют с цилиндрическими колесами внешнего или внутреннего зацепления;

- передачи с пересекающимися осями _ конические колеса;



- передачи с перекрещивающимися осями - цилиндрические винтовые, конические гипоидные.

- передачи между зубчатым колесом и рейкой.

По расположению зубьев на колесах различают передачи:

- прямозубые

- косозубые.

По форме профиля зуба различают эвольвентные и круговые.

Основные преимущества зубчатых передач:

- высокая нагрузочная способность и, как следствие, малые габариты;

- большая долговечность и надежность работы;

- высокий КПД. (до 0,97...0,98 в одной ступени);

- постоянство передаточного отношения;

- возможность применения в широком диапазоне скоростей (до 150 м/с), мощностей (до десятков тысяч кВт) и передаточных отношений (до нескольких сотен и даже тысяч).

Основные недостатки:

- повышенные требования к точности изготовления;

- шум при больших скоростях;

- высокая жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.

5.2 Червячные передачи

Передача состоит из червяка и червячного колеса

Червячная передача относится к передачам зацепления с перекрещивающимися осями валов. Угол перекрещивания обычно равен 90°. Возможны и другие углы, отличные от 90°, однако такие передачи применяют редко.

Движение в червячных передачах преобразуется по принципу винтовой пары или по принципу наклонной плоскости.

Основные преимущества червячной передачи: возможность получения больших передаточных отношений в одной паре; плавность и бесшумность работы; повышенная кинематичекая точность; возможность самоторможения (при низком КПД).

Недостатки этой передачи: сравнительно низкий КПД; повышенный износ и склонность к заеданию; необходимость применения для колес дорогих антифрикционных материалов (бронза); повышенные требования к точности сборки (точное a_w, расположение оси червяка в средней плоскости колеса).

Червячные передачи дороже и сложнее зубчатых, поэтому их применяют при необходимости передачи движения между перекрещивающимися валами, а также в механизмах, где необходимы большие передаточные отношения и высокая кинематическая точность, например делительные устройства, механизмы наведения и т. п. Червячные передачи применяют в подъемно-транспортных машинах, станкостроении, автомобилестроении и др.

5.3 Ременные и цепные передачи

Ременная передача состоит из двух шкивов, закрепленных на валах, и ремня, охватывающего шкивы. Нагрузка передается силами трения, возникающими между шкивами и ремнем вследствие натяжения последнего.

В зависимости от формы поперечного сечения ремня различают:

плоскоременную, клиноременную и кругло-ременную передачи.

Оценка и применение

Основные преимущества ременной передачи:

_ возможность передачи движения на значительное расстояние (до 15 м и более);

_ плавность и бесшумность работы, обусловленные эластичностью ремня и позволяющие работать при высоких скоростях;

_ предохранение механизмов от резких колебаний нагрузки вследствие упругости ремня;

_ предохранение механизмов от перегрузки за счет возможного проскальзывания ремня;

_ простота конструкции и эксплуатации (передача не требует смазки).

Основными недостатками ременной передачи являются:

_ повышенные габариты;

_ некоторое непостоянство передаточного отношения, вызванное зависимостью скольжения ремня от нагрузки;

_ повышенная нагрузка на валы и их опоры, связанная с большим предварительным натяжением ремня (увеличение нагрузки на валы в 2...3 раза по сравнению с зубчатой передачей);

_ низкая долговечность ремней (в пределах от 1000 до 5000 ч).

Ременные передачи применяют преимущественно в тех случаях, когда по условиям конструкции валы расположены на значительных расстояниях. Мощность современных передач не превышает обычно 50 кВт. В комбинации с зубчатой передачей ременную передачу устанавливают обычно на быстроходную ступень, как менее нагруженную.

В современном машиностроении наибольшее распространение имеют клиновые ремни. Применение плоских ремней старой конструкции значительно сократилось. Плоские ремни новой конструкции (пленочные ремни из пластмасс) получают распространение в высокоскоростных передачах. Круглые ремни применяют только для малых мощностей: в приборах, машинах домашнего обихода и т. п.

Цепная передача с основана на зацеплении цепи 1 и звездочек 2.

Зубчатые цепи классифицируются:

По виду приводных цепей:

_ роликовые;

_ втулочные;

_ зубчатые цепи.

По числу рядов цепей:

_ однорядные;

_ многорядные.

По виду применяемых шарниров:

_ шарниры скольжения;

_ шарниры качения.

Преимущества передачи перед ременными:

_ возможность передавать цепью при прочих равных условиях большие нагрузки;

_ отсутствие скольжения и буксования;

_ постоянство передаточного отношения;

_ возможность работы при значительных кратковременных перегрузках;

_ не требуется предварительного натяжения цепи, в связи с чем уменьшается на грузка на валы и опоры;

_ возможность передачи мощности от одного ведущего вала нескольким ведомым.

Недостатки: Основной причиной этих недостатков является то, что цепь состоит из отдельных жестких звеньев и располагается на звездочке не по окружности, а по многоугольнику. С этим связаны износ шарниров цепи, шум и дополнительные динамические нагрузки, необходимость организации системы смазки.

Цепные передачи применяют при значительных межосевых расстояниях, а также для передачи движения от одного ведущего вала нескольким ведомым в тех случаях, когда зубчатые передачи неприменимы, а ременные недостаточно надежны.

5.4 Фрикционные передачи

Принцип действия и классификация

Работа фрикционной передачи основана на использовании сил трения, которые возникают в месте контакта двух тел вращения под действием сил прижатия . При этом должно быть

где  _ окружная сила;

 _ сила трения между катками.

Для передачи с цилиндрическими катками



где  _ коэффициент трения.

Нарушение этого условия приводит к буксованию и быстрому износу катков.

Классификация передач

По возможности регулирования передаточного отношения:

_ передачи нерегулируемые, т. е. с постоянным передаточным отношением;

_ передачи регулируемые (вариаторы), позволяющие изменять передаточное отношение.

По форме поверхности рабочих катков:

_ с цилиндрической;

_ с конической;

_ с шаровой;

_ с торовой.

По расположению валов:

_ с параллельными валами;

_ с пересекающимися валами.

Область применения

Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением применяют сравнительно редко. Их область ограничивается преимущественно кинематическими цепями приборов, от которых требуются плавность движения, бесшумность работы, безударное включение на ходу и т. п. Как силовые (не кинематические) передачи, они не могут конкурировать с зубчатыми передачами по габаритам, надежности, КПД и пр.

Фрикционные вариаторы применяют как в кинематических, так и силовых передачах в тех случаях, когда требуется бесступенчатое регулирование скорости (зубчатая передача не позволяет такого регулирования). Применение фрикционных вариаторов на практике ограничивается диапазоном малых и средних мощностей _ до 10 реже до 20 кВт. В этом диапазоне они успешно конкурируют с гидравлическими и электрическими вариаторами, отличаясь от них простотой конструкции, малыми габаритами и повышенным КПД. При больших мощностях трудно обеспечивать необходимую силу прижатия катков. Эта сила, а также соответствующие нагрузки на валы и опоры становятся слишком большими, конструкция вариатора и нажимного устройства усложняется.

Фрикционные вариаторы нашли применение в станкостроении, сварочных и литейных машинах, машинах текстильной, химической и бумажной промышленности, различных отраслях приборостроения и т. д. Фрикционные передачи любого типа неприменимы в конструкциях, от которых требуется жесткая кинематическая связь, не допускающая проскальзывания или накопления ошибок взаимного положения валов.

5.5 Передача “Винт-гайка”

Передача винт _ гайка служит для преобразования вращательного движения в поступательное.

В винтовых механизмах вращение винта или гайки осуществляют обычно с помощью маховика, шестерни и т. п. При этом передаточное отношение условно можно выразить отношением окружного перемещения маховичка к перемещению гайки (винта) :ш

где  _ диаметр маховичка (шестерни и т. п.);

 _ ход винта.

При малом и сравнительно большом можно получить очень большое i. Например, при  = 1 мм и  = 200 мм, i = 628.

Зависимость между окружной силой на маховичке и осевой силой на гайке (винте) запишем в виде

где  _ КПД винтовой пары.

При простой и компактной конструкции передачи винт _ гайка позволяет получить большой выигрыш в силе или осуществлять медленные и точные перемещения.

Основной недостаток передачи _ низкий КПД.

6 Соединения

Неподвижные связи в технике называют соединениями.

По признаку разъемности все виды соединений можно разделить на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.

Неразъемные соединения не позволяют разъединять детали без их повреждения. Применение неразъемных соединений обусловлено в основном технологическими и экономическими требованиями. К этой группе соединений относятся заклепочные, сварные и соединения с натягом.

6.1 Сварные соединения

Сварка - это соединение деталей за счет их расплавления в зоне стыка.

Виды сварки

- кузнечная (соединение деталей нагретых до высокой температуры под действием ударных нагрузок );

- дуговая металлическим электродом (расплавление металла в зоне их стыка за счет электрической дуги);

- контактная (расплавление деталей за счет пропускания тока и выделения при этои большого количества теплоты в зоне их стыка);

Виды сварных соединений

Стыковое соединение - соединение деталей, при котором они прилегают друг к другу торцами.

Соединение выполняется стыковыми сварными швами, при которых расплавление металла осуществляется на всю глубину торца.

В зависимости от толщины деталей соединение может выполняться без разделки кромок или с разделкой кромок

Стыковое соединении пластин Стыковое соединении труб

Нахлесточное соединение - соединение деталей, при котором они прилегают друг к другу широкими гранями.

Соединение выполняется угловыми сварными швами

Основными геометрическими характеристиками поперечного сечения нормального углового шва катет k и расчетная высота _ .

В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы:

1 _ нормальные k = k₁;

2 _ улучшенные (k / k₁ = 1:1,5; 1:2);

3 - вогнутые;

4 _ выпуклые.

В зависимости от расположения различают швы лобовые, фланговые

Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый - napaллельно линии действия нагружающей силы. Обычно применяют комбинированное соединение фланговыми и лобовыми швами.

Фланговый шов Лобовой шов Комбинированное соединение

Тавровое соединение. Соединяемые детали в зоне сварных швов перпендикулярны (наиболее частый случай) или наклонны друг к другу. Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок или угловыми швами без разделки кромок. При нагружении изгибающим моментом и силой прочность соединения определяют по формулам:

6.2 Резьбовые соединения

Классификация резьб

Резьба _ выступы, образованные на основной поверхности винтов или гаек и расположенные по винтовой линии.

По форме основной поверхности различают цилиндрические и конические резьбы.

По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы.

По числу заходов различают однозаходную, двухзаходную и т. д. резьбы.

По форме профиля:

метрическая с треугольным профилем _ основная крепежная резьба;

трубная _ треугольная со скругленными вершинами и впадинами;

круглая;

резьба винтов для дерева;

прямоугольная;

трапецеидальная симметричная;

упорная.

Классификация соединений

Соединение болтом или винтом с гайкой - болтовое соединение

Соединение болтом или винтом, завернутым в резьбовое отверстие - винтовое соединение

Соединение шпилькой

а) соединение болтовое

б) соединение винтовое

в) соединение шпилькой

Детали, образующие резьбовые соединения

Болты

По форме стержня болты изготавливают для постановки в отверстие с зазором и без зазора.

болты, предназначенные для болт, устанавливаемый в отверстия

постановки в отверстия деталей с зазором. деталей без зазора

Гайки

Гайки различают по форме и по размерам:

Гайки шестигранные с нормальным и уменьшенным размером под ключ, высокие и низкие.

Гайки прорезные и гайки корончатые с прорезью под шплинты. Применяются для стопорения соединения

Гайки круглые с прорезями под ключ применяются, главным образом, для закрепления деталей на валах.

а) гайки шестигранные	в) гайки корончатые
б) гайки шестигранные прорезные	г) гайки круглые шлицевые

Шайбы

Все типы шайб можно разделить на две основные группы:

а) шайбы подкладные;

б) шайбы стопорные.

Шайба простая ставится под гайку или головку винта с целью предохранения, чистых поверхностей деталей от повреждения при завинчивании гайки (винта) и уменьшения смятия деталей гайкой, если деталь изготовлена из менее прочного материала.

Шайбы косые используются для устранения изгиба стержня болта при опоре гайки на полки прокатных профилей.

Шайба сферическая в комплекте с шайбой конической обеспечивают самоустановку гаек (головок болтов), и поэтому осевая нагрузка распределяется строго по оси стержня болта.

Шайбы пружинные применяют для стопорения гайки или головки винта относительно корпуса (предохранение резьбовых соединений от самоотвинчивания).

Шайбы стопорные многолапчатые служат для закрепления круглых гаек относительно вала. Внутренний выступ входит в паз на валу, один из наружных выступов загибается в шлиц гайки.

Шайбы стопорные с лапкой (применяют для закрепления гайки или головки винта относительно корпуса, путем, пластических деформаций: шайбу загибают на деталь и на грань гайки или головки винта.

Шайбы стопорные вырубные с внутренними зубьями

а) простая	б) косая
в) сферическая	г) коническая
д) пружинная	е) многолапчатая
ж) с лапкой	з) вырубная с наружными зубьями

6.3 Соединение посадкой с натягом

Соединение двух деталей по круговой цилиндрической поверхности можно осуществить непосредственно без применения болтов, шпонок и т. д. Для этого достаточно при изготовлении деталей обеспечить натяг посадки, а при сборке запрессовать одну деталь в другую.

Натягом N называют положительную разность диаметров вала d отверстия: N = B - A. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр d посадочных поверхностей становится общим. При этом на поверхности посадки возникают удельное давление р и соответствующие ему силы трения. Силы трения обеспечивают неподвижность соединения и позволяют воспринимать как крутящие, так и осевые нагрузки. Защемление вала во втулке позволяет, кроме того, нагружать соединение изгибающим моментом.

Нагрузочная способность соединения прежде всего зависит от натяга, величину которого устанавливают в соответствии с нагрузкой. Практически натяг очень невелик, он измеряется микрометрами и не может быть выполнен точно. Неизбежные погрешности производства приводят к рассеиванию натяга, а следовательно, и к рассеиванию нагрузочной способности соединения. Рассеивание натяга регламентируется стандартом допусков и посадок.

Основные понятия о натяге рассматриваются на примере сопряжения вал-втулка.

Различают размеры:

- номинальный (D - для отверстия, d - для вала);

- действительный - отличается от номинального на величину погрешности при изготовлении;

- предельные (допустимые) - наибольший D_max, d_max и наименьший D_min, d_min; они ограничивают допустимую ошибку изготовления

Допуск (T) - разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами.

,

Допуск стандартизирован и обозначается латинскими буквами:

Посадка определяет характер сопряжения. Различают посадки с зазором, натягом и переходные. Обычно допуск отверстия принимают по (Н), а различные посадки образуют, выбирая допуски вала.

Основные посадки на чертеже: , ,,,,,

Способы сборки

Сборку соединения выполняют одним из трех способов: прессованием, нагревом втулки, охлаждением вала.

Прессование - распространенный и несложный способ сборки. Однако этому способу свойственны недостатки: смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных поверхностей, возможность неравномерных деформаций деталей и повреждения их торцов. Шабровка и смятие шероховатостей приводят к ослаблению прочности соединения до полутора раз по сравнению со сборкой нагревом или охлаждением. Для облегчения сборки и уменьшения шабровки концу вала и краю отверстия рекомендуют придавать коническую форму (рис. 7.2).

Шабровка поверхностей контакта устраняется полностью при сборке по методу нагревания втулки (до 200…400°С) или охлаждения вала (твердая углекислота -79°С, жидкий воздух -196°С). Недостатком метода нагревания является возможность изменения структуры металла появление окалины и коробления. Метод охлаждения свободен от этих недостатков, однако требует наличия дорогого криогенного оборудования.

6.3 Шпоночные и шлицевые соединения

Шпоночные и зубчатые соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т. д. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом.



Для образования шпоночного соединения на валу и в ступице выполняются пазы, в которые помещается специальная деталь, называемая шпонкой.

Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. Шпонки стандартизированы. У стандартных шпонок ГОСТ 23360-78 размеры и зависят от диаметра вала.

Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы. Размеры зубчатых соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Зубья на валах получают фрезерованием, строганием или накатыванием. Зубья в отверстиях образуют протягиванием или долблением.

По форме профиля различают зубья прямобочные, эвольвентные и треугольные.

Треугольные зубчатые (шлицевые) соединения применяются главным образом для неподвижных соединений при передаче небольших крутящих моментов.

Профиль зуба в плоскости, перпендикулярной оси соединения _ треугольник, биссектриса угла, при вершине которого проходит через центр сечения. Чаще всего эти соединения используют с целью избежать прессовых посадок, применение которых по каким-либо причинам нежелательно, а также при тонкостенных втулках. Соединения этого типа не стандартизованы.

Соединения с прямобочными зубьями являются наиболее часто применяемыми.

Соединения с эвольвентными зубьями предпочтительны при больших диаметрах валов, когда для нарезания зубьев в отверстии и на валу могут быть использованы весьма совершенные технологические способы, применяемые для зубчатых колес.

6.4 Заклёпочные соединения

Образуются с помощью специальных деталей - заклёпок. Заклёпка имеет грибообразную форму и выпускается с одной головкой (закладной) вставляется в совместно просверленные детали, а затем хвостовик ударами молотка или пресса расклёпывается, образуя вторую головку (замыкающую). При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение.

Достоинства заклёпочного соединения:

+ соединяют не свариваемые детали;

+ не дают температурных деформаций;

+ детали при разборке не разрушаются.

Недостатки заклёпочного соединения:

` детали ослаблены отверстиями;

` высокий шум и ударные нагрузки при изготовлении;

` повышенный расход материала.

Заклёпки изготавливают из сравнительно мягких материалов: Ст2, Ст3, Ст10, Ст15, латунь, медь, алюминий.

Заклёпки стандартизованы и выпускаются в разных модификациях.

и Сплошные с полукруглой головкой (а) ГОСТ 10299-80, 14797-85 для силовых и плотных швов;

и Сплошные с плоской головкой (б) ГОСТ 14801-85 для коррозионных сред;

и Сплошные с потайной головкой (в) ГОСТ 10300-80, 14798-85 для уменьшения аэро- и гидросопротивления (самолёты, катера);

и Полупустотелые (г,д,е) ГОСТ 12641-80, 12643-80 и пустотелые (ж,з,и) ГОСТ 12638-80, 12640-80 для соединения тонких листов и неметаллических деталей без больших нагрузок.

7 Общемашиностроительные детали

7.1 Классификация валов и осей.

На валах и осях размещают вращающиеся детали: зубчатые колеса, шкивы, барабаны и т. п. Вал отличается от оси тем, что передает вращающий момент от одной детали к другой, а ось не передает. Вал всегда вращается, а ось может быть вращающейся или невращающейся.

Различают валы прямые, коленчатые и гибкие.

Прямой вал

Коленчатый вал Гибкий вал

Наибольшее распространение имеют прямые валы.

Коленчатые валы применяют в поршневых машинах.

Гибкие валы допускают передачу вращения при больших перегибах (например, в зубоврачебных бормашинах).

Коленчатые и гибкие валы относят к специальным деталям и не изучают в настоящем курсе.

По конструкции различают валы и оси гладкие и фасонные или ступенчатые а также сплошные и полые.

Образование ступеней связано с закреплением деталей на валу или самого вала в осевом направлении, а также с возможностью монтажа детали при посадках с натягом. Полыми валы изготовляют для уменьшения массы или в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло и пр.

Прямые валы изготовляют преимущественно из углеродистых и легированных сталей. Чаще других применяют сталь Ст5 для валов без термообработки; сталь 45 или 40Х для валов с термообработкой (улучшение); сталь 20 или 20Х для быстроходных валов на подшипниках скольжения, у которых цапфы цементируют для повышения износостойкости.

7.2 Подшипники

Подшипники служат опорами для валов и вращающихся осей. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и сохраняют заданное положение оси вращения вала. Во избежание снижения КПД механизма потери в подшипниках должны быть минимальными.

Подшипники классифицируют по виду трения и воспринимаемой нагрузке.

По виду трения различают:

- подшипники скольжения

- подшипники качения.

По воспринимаемой нагрузке различают подшипники:

радиальные - воспринимают радиальные нагрузки;

упорные - воспринимают осевые нагрузки;

радиально-упорные и упорно-радиальные - воспринимают радиальные и осевые нагрузки.

Подшипники скольжения.

Опорный участок вала называют цапфой. Форма рабочей поверхности подшипника скольжения, так же как и форма цапфы вала, может быть

- цилиндрической;

- плоской;

- конической;

- шаровой;

Цапфу, передающую радиальную нагрузку, называют:

шипом, если она расположена на конце вала

шейкой при расположении в середине вала.

Цапфу, передающую осевую нагрузку, называют пятой, а опору (подшипника) _ подпятником.

Подпятники работают обычно в паре с радиальными подшипниками. Большинство радиальных подшипников могут воспринимать также и небольшие осевые нагрузки (фиксируют вал в осевом направлении). Для этого вал изготовляют ступенчатым с галтелями, а кромки подшипника закругляют.

Основным элементом в подшипнике является вкладыш с тонким слоем антифрикционного материала на опорной поверхности. Вкладыш устанавливают в специальном корпусе подшипника 2 или непосредственно в корпусе машины.

Область применения подшипников скольжения:

- разъемные подшипники, необходимые по условиям сборки, например для коленчатых валов;

- высокоскоростные подшипники (v > 30 м/с), в условиях работы которых долговечность подшипников качения резко сокращается (вибрации, шум, большие инерционные нагрузки на тела качения);

- подшипники прецизионных машин, от которых требуется особо точное направление валов и возможность регулировки зазоров;

- подшипники, работающие в особых условиях (воде, агрессивных средах и т. п.), в которых подшипники качения неработоспособны из-за коррозии;

- подшипники дешевых тихоходных механизмов и некоторые другие.

Подшипники качения

Преимущества:

_ меньше зависят от смазки

_ упрощаются система смазки и обслуживания подшипника

_ уменьшается возможность разрушения при кратковременных перебоях в смазке

_ конструкция подшипников качения позволяет изготовлять их в массовых количествах как стандартную продукцию, что значительно снижает стоимость производства.

Недостатки:

_ отсутствие разъемных конструкций

_ сравнительно большие радиальные габариты

_ ограниченная быстроходность

_ низкую работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках и при работе в агрессивных средах.

Основные типы подшипников качения:

По форме тел качения

_ шариковые

_ роликовые

Радиальные шариковые подшипники _ наиболее простые и дешевые, допускают небольшие перекосы вала (до 0,25°) и могут воспринимать осевые нагрузки, но меньшие радиальных.

Радиальные роликовые подшипники допускают значительно большие нагрузки, чем шариковые, не воспринимают осевые нагрузки и плохо работают при перекосах вала.

В роликовых цилиндрических и конических подшипниках с бочкообразными роликами концентрация нагрузки от неизбежного перекоса вала существенно снижается. Аналогичное сравнение можно провести и между радиально-упорными шариковыми и роликовыми подшипниками.

Самоустанавливающиеся шариковые и роликовые подшипники применяют в тех случаях, когда допускают значительный перекос вала (до 2…3°), имеют сферическую поверхность наружного кольца и ролики бочкообразной формы. Эти подшипники допускают небольшие осевые нагрузки.

Игольчатые подшипники позволяет уменьшить габариты (диаметр) при значительных нагрузках, воспринимают только осевые нагрузки и плохо работают при перекосе оси.

7.3 Муфты

Муфтами _ устройства, которые служат для соединения концов валов, стержней, труб, электрических проводов и т. д.

В механике изучают муфты предназначенные для соединения концов валов.

Потребность в соединении валов связана с тем, что большинство машин компонуют из ряда отдельных частей с входными и выходными валами, которые соединяют с помощью муфт. Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт. Их используют для включения и выключения исполнительного механизма (управляемые муфты); предохранения машины от перегрузки (предохранительные муфты); компенсации вредного влияния несоосности валов (компенсирующие муфты); уменьшения динамических нагрузок (упругие муфты) и т. д.

В современном машиностроении применяют большое количество муфт, различающихся по принципу действия и управления, назначению и конструкции. Классификация муфт по этим признакам представлена ниже в виде схемы.

В курсе «Техническая механика» изучают только механические муфты.

Широко применяемые муфты стандартизованы. Основной паспортной характеристикой муфты является величина вращающего момента, на передачу которого она рас считана.

Муфты глухие

Глухие муфты образуют жесткое и неподвижное соединение валов (глухое соединение). Они не компенсируют ошибки изготовления и монтажа, требуют точной центровки валов.

Муфты компенсирующие жесткие



Предназначены для компенсации несоосности валов. Вследствие погрешностей изготовления и монтажа всегда имеется некоторая неточность взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального расположения валов:

_ продольное смещение (может быть вызвано также температурным удлинением валов);

_ радиальное смещение или эксцентриситет;

_ угловое смещение или перекос.

Муфты компенсирующие упругие

Предназначены для компенсации динамических нагрузок. Включают в себя упругий элемент, который позволяет компенсировать несоосность валов; изменить жесткость системы в целях устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся нагрузке; снизить ударные перегрузки.

Размещено на Allbest.ru