Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование кронштейнов узлов навески управляющих поверхностей



План

кронштейн навеска симметричный силовой

Назначение и конструктивные особенности кронштейнов навески

Кронштейн, устанавливаемый на стенке

Пример расчета и силовая схема несимметричного кронштейна

Пример расчета, силовая схема и варианты выполнения симметричного кронштейна



1. Назначение и конструктивные особенности кронштейнов навески

Управляющие поверхности самолета: рули, элероны, триммеры, гасители подъемной силы, некоторые виды механизации крыла: щитки, закрылки, а также створки люка шасси, грузовых люков и другие элементы соединяются с неподвижными частями конструкции самолета при помощи узлов навески, основными элементами которых являются кронштейны.

Форма кронштейнов зависит от того, к каким силовым элементам конструкции они крепятся. Так, кронштейн, который устанавливается на плоской стенке, как правило, выполняется плоским. Часто кронштейны устанавливаются на двухпоясных плоских балках типа лонжеронов или нервюры. В этом случае кронштейн может быть выполнен или в виде трехзвенной фермы, или в виде плоской, зашитой стенкой рамы.

Кронштейны, устанавливаемые на плоской стенке, представляют собой обычно узлы подвески рулей, закрепляемые между хвостиками двух нервюр (рис. 16.1). Эти кронштейны способны воспринимать только нагрузку, действующую в их плоскости, работая при этом на изгиб и срез. Их изготавливают штамповкой из материалов АК4, АК6, Д16. Кронштейны имеют постоянную толщину 6. Кронштейны крепятся к стенке нервюры с помощью заклепок, при расчете которых необходимо учитывать дополнительные срезающие усилия от внецентренного приложения нагрузки. Чтобы избежать эксцентриситета при передаче сил, снижающего сопротивление усталости конструкции, соединение следует делать двухсрезным, устанавливая кронштейн между двумя стенками.



2. Кронштейн, устанавливаемый на стенке

Размеры сечения кронштейна выбирают из условия совместного действия изгибающего момента и перерезывающей силы

где = - напряжение от действия изгибающего момента в текущем сечении; H_i, - высота сечения, расположенного на расстоянии х от оси проушины; Р_х - изгибающий момент в сечении; = Р/(H_i) - касательные напряжения в сечении; j_i - момент инерции сечения.

Рис. 16.1 Кронштейн, устанавливаемый на стенке

В зоне крепления к стенке опасным будет сечение А-А (см. рис. 16.1). воспринимающее полную нагрузку и ослабленное отверстиями под заклепки. После сечения A-A нагрузка на кронштейн уменьшается по мере ее передачи на стенку.

Число заклепок, крепящих кронштейн к стенке, и соответственно конфигурация его законцовки выбираются в соответствии с действующей нагрузкой. При этом надо стремиться так располагать заклепки, чтобы плечо от центра жесткости до действующей силы было минимальным. Нежелательно ставить заклепки на оси кронштейна между центром жесткости и точкой приложения силы Р, так как на эту заклепку будет действовать сумма сил: часть силы Pi и часть силы Р_кр крутящего момента, и она всегда будет перегружена (на рисунке точка С). Для лучшего восприятия изгибающего момента (при минимальной массе) желательно по возможности увеличивать высоту кронштейна h_i.

3. Пример расчета и силовая схема несимметричного кронштейна

Кронштейн, устанавливаемый на двухпоясной плоской балке типа лонжерона или стенки крыла или оперения, можно рассматривать как плоскую двухпоясную раму, зашитую тонкой стенкой. В общем случае задача определения усилий в элементах кронштейна является статически неопределенной, так как наряду со сдвигом стенки пояса работают на изгиб. Поскольку изгиб всегда связан с увеличением массы, желательно разгрузить пояса, догрузив перерезывающей силой стенку. Как правило, база крепления кронштейна В ограничена расстоянием между поясами балки, на которой он устанавливается (рис. 16.2), расстояние до оси проушины кронштейна I также задано положением оси вращения отклоняемой поверхности.

Представим кронштейн в виде рамы AECD, закрепленной на двух опорах, которыми являются болты крепления подошвы кронштейна. Определим реакцию опор в точках A и С

Х_A=Х_C=; Y_A=P

Рассмотрим равновесие элемента длиной х (см. рис. 16.2, б). Сумма моментов относительно точки D' будет равна нулю.

М_D- = X_а (В - xtg ) +X_C xtg - Y_Aх - N_AEH_xcosa =0,

где а и - углы наклона поясов рамы.

Рис. 16.2 Схема расчета несимметричного кронштейна.

при

при

Определим усилие в стойке АС, рассматривая равновесие узлов A и С относительно оси Оу:

(16.3)

Определяем потребные площади сечений элементов

(16.4)

при х = 0

(16.5)

при х = 0

(16.7)

Если оси поясов кронштейна (см. рис. 16.2) проходят через ось проушины, т. е. l = L, то



= 0, т. е. стенки не требуется.

При проектировании кронштейна чаще всего его рассматривают как двухпоясную плоскую балку. При этом принимают, что изгибающий момент полностью воспринимается поясами, а перерезывающая сила - стенкой.

4. Пример расчета, силовая схема и варианты выполнения симметричного кронштейна

Рис. 16.3 Параметры симметричного кронштейна

Рассмотрим симметричный кронштейн. Возможны три варианта выполнения его конструкции. В первом варианте проушина кронштейна несколько вытянута и средние линии поясов кронштейна пересекаются на расстоянии а₁ от оси подшипника (рис. 16.3). Обычно такую конструкцию применяют при большом угле наклона поясов. Во втором варианте оси пересекаются вне кронштейна на расстоянии a₂ от центра проушины или точки приложения силы. В третьем варианте оси пересекаются в центре подшипника.

Изгибающий момент, действующий в сечении, расположенном на расстоянии х от оси подшипника, для всех трех вариантов будет M_x = Px. Напряжение, вызываемое изгибающим моментом в сечении, будет

где j_i = 2+ 2F_пi (H_i/2)²; b_i - ширина пояса в сечении х, _i; - толщина пояса; H_i, - расстояние между центрами тяжести поясов кронштейна в сечении х; F_пi - площадь пояса в сечении F_ni = _ib_i .

Так как толщина пояса, как правило, мала, то первый член в выражении момента инерции пренебрежимо мал по сравнению со вторым, поэтому в проектировочных расчетах его можно не учитывать. Тогда получаем

(16.11)

где N_xi = М_х/H_i - сила, приложенная к центру тяжести пояса, действующая параллельно оси кронштейна.

Определим значения сил N_xi для рассматриваемых трех вариантов

(16.12)



Рис. 16. 4 Силы, действующие на элементы симметричного кронштейна

где H₁ = 2 (х - a₁) tg a₁ ; H₂ = 2 (х - a₂)tga₂; H₀ = 2xtga₀. Подставив значения H_i в уравнения (16.12), получаем

где ₀, ₁ и ₂ - соответственно углы наклона средней линии поясов по отношению к оси кронштейна. Проанализировав выражения (16.13) и (16.14), можно установить, что значение N_x в первом варианте с ростом х будет убывать, во втором варианте увеличиваться. При х = l

N_x0= N_x1 = N_x2= ,

так как В = 2 tg₁ (l - a₁) = 2 tg ₂ (l + a₂) = 2l tg₀.

При расчете кронштейна в первом приближении можно принять, что пояса работают на осевые усилия N_x. В этом случае стенка должна рассчитываться на сдвиг от полной силы Р.

Для более точного расчета сечений поясов надо учитывать усилия, действующие вдоль оси пояса (рис. 16.4), равные N'_xi = N_xi/cosa_i. Тогда при расчете стенки кронштейна приходится учитывать ее разгрузку вертикальными составляющими N_yi = = N_xitg a_i. Полная сдвигающая стенку сила будет

Q_i=P- 2N_xitga_i = Р - 2N'_xisina_i, (16.16)

при а = a₀ Q₀=P-, т. е. нагрузка на стенку отсутствует, и кронштейн будет чисто ферменной конструкции.

Определим площади сечений поясов для трех вариантов конструкций кронштейн

при х = l

Потребная площадь стенки кронштейна определится как



Так как величина х/(х- а₁) с ростом значения х уменьшается, то площадь сечения стенки в варианте 1 будет увеличиваться к основанию кронштейна. В варианте 2 потребное сечение стенки, наоборот, будет уменьшаться к основанию кронштейна.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Для всех трех вариантов исполнения кронштейнов в корневом сечении площади поясов близки по размерам и отличаются только величиной 1/cos a_i;

2. Если оси поясов пересекаются в центре подшипника, то сечение поясов остается постоянным по всей длине кронштейна и равным

.

3. Если оси поясов кронштейна пересекаются до оси подшипника, то площади сечений поясов увеличиваются от корневого сечения в направлении к подшипнику и имеют минимальное значение F_{П min} =

Сечение стенки кронштейна увеличивается в направлении к основанию кронштейна.

4. Если оси поясов кронштейна пересекаются за подшипником, то их сечения увеличиваются в направлении от подшипника к основанию, имея максимальное значение F_Пmах = .

Сечение стенки кронштейна увеличивается по мере приближения к подшипнику.

5. Если оси поясов кронштейна пересекаются в центре подшипника, то потребная толщина стенки _ст = 0 и кронштейн превращается в чисто форменную конструкцию. Сжатый пояс фермы следует проверять на общую потерю устойчивости от действия силы

6. Кронштейн, выполненный по варианту 1, имеет наибольшую массу. В связи с этим кронштейны, имеющие большое основание и малую длину, целесообразно заменять форменной конструкцией с пересечением осей поясов в центре подшипника.

Пояса кронштейнов во всех трех вариантах необходимо рассчитать на местную потерю устойчивости, принимая площадь --сечения пояса F_П = b, где b - ширина пояса; - толщина пояса.

Из соображения технологичности толщину пояса делают постоянной, а площадь сечения меняют путем изменения его ширины. Так как в вариантах 1 и 2 сопряжение пояса со стенкой имеет тавровое сечение, а для ферменного варианта сечение пояса выбирают в виде тавра, то при расчете на местную потерю устойчивости пояса лапку пояса шириной b/2 рассматривают как пластину, заделанную с одной стороны. В этом случае напряжение местной потери устойчивости будет иметь вид

где k - коэффициент, определяемый по справочнику в зависимости от формы сечения и вида заделки.

Если напряжение _м превышает предел пропорциональности, то напряжение '_м определяют по эмпирической формуле

(16.22)

где =_в/_м.

Для ферменного кронштейна сжатый пояс необходимо проверить на общую потерю устойчивости по выражению

где i - радиус инерции, с - коэффициент заделки, или, если _кр превышает предел пропорциональности, то

где =_в/_кр.

На основании проведенных расчетов запишем порядок проектирования кронштейна (алгоритм проектирования).

Заданы: Р - нагрузка на кронштейн, приложенная на оси вращения управляемой поверхности; l - расстояние от точки приложения нагрузки до плоскости крепления кронштейна на двухпоясной балке; B_max - возможная максимальная ширина основания кронштейна из условия подхода при установке его между поясами балки.

Ширину В выбирает сам проектант, но с целью уменьшения массы желательно разносить пояса кронштейна возможно дальше, т. е. до значения В_mах. Кронштейн чаще всего выполняется штамповкой из материалов АК4, АК6, АК8. Малонагруженные кронштейны изготавливают литьем из алюминиевого сплава АЛ9 или магниевых сплавов.

1. По заданной силе подбирают подшипник. Обычно в кронштейнах узлов подвески рулей используются радиальные сферические шарикоподшипники с выступающим внутренним кольцом. Такой подшипник допускает незначительное ориентирование, исключающее заклинивание узлов навески руля при деформациях киля или стабилизатора. Подшипник, устанавливаемый в проушину кронштейна, подбирается по заданной нагрузке по каталогу авиационных подшипников. Подшипник запрессовывается в проушине по соответствующей посадке и кернится или развальцовывается.

Толщина проушины должна быть равна а = а_П + 2с, где а_П - ширина внешней обоймы подшипника; с - расстояние от края проушины до внешней обоймы подшипника.

Величина с стандартизована и зависит от наружного диаметра подшипника. Например, для подшипников диаметром 20 ... 30 мм с = 0,2 мм; для подшипников диаметром 30 ... 40 мм с = 0,25 мм.

2. Определяют размеры проушины. Расчет ее ведется не на смятие, а на разрыв, так как соединение подшипника с проушиной неподвижное и _см = (1…1,3) _В. Из-за значительной толщины проушины а, обусловленной шириной подшипника, размер ее перемычки t получается обычно малым. Поэтому допустимую величину перемычки выбирают из условия ее прочности при запрессовке подшипника. Диаметр болта, соединяющего кронштейны навески узлов, определяют по внутреннему диаметру подшипника. Обычно применяются стандартные болты для шарнирных соединений.

3. Определяют конфигурацию кронштейна. Из основания, ограниченного размером B_max (рис. 16.5), проводят касательные к проушине. Они будут являться границей поясов кронштейна. Касательные продолжают до пересечения с осью кронштейна. Так как толщина поясов мала, то можно условно принять, что расстояние от точки пересечения касательных до оси подшипника и является размером а₂, а образованный ими с осью угол и есть угол а₂. Если толщина поясов будет значительной, то положение точки О₂ можно будет в дальнейшем уточнить.

Рис. 16.5 Основные элементы симметричного кронштейна

4. Определяют площадь сечения поясов кронштейна. Для этого замеряют размер а₂ определяют значение tg а₂ =; по тангенсу находят угол а₂, sinа₂ и cosа₂. Ширину кронштейна до сечения х = (0,8 ... 1) D принимают постоянной, равной толщине проушины а.В этом сечении кронштейн переходит в двутавр и имеет минимальную площадь сечения пояса, определяемую выражением

Так как F_п =b, а b_Д = а, то = F_ПD/a = const.

Из условия технологичности толщина пояса кронштейна остается постоянной по его длине. Ширина пояса определяется выражением



Зная действующую силу Р и задаваясь материалом кронштейна _в, определяют b_D и b_mах.

Если полученная ширина b_max конструктивно не увязывается с размерами подошвы кронштейна, то несколько изменяют толщину пояса . После этого определяют потребные сечения пояса по длине кронштейна по выражению

Для данной конфигурации кронштейна при найденных значениях sin a₂ и a₂

Используя табл. 16.1 значений х/(х+а₂) для известного a₂, или графики, приведенные на рис. 6, находят изменение площади сечения пояса по длине кронштейна.



Рис. 16.6 Зависимость х/(х +а₂) от х

Таблица 16.1

а:
X	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80	90	100
10	0,365	0,286	0,250	0,223	0,200	0,182	0,167	0,154	0,143	0,133	0,125	0,118	0,110	0,100	-
20	0,500	0,445	0,400	0,364	0,333	0,307	0,286	0,266	0,250	0,237	0,222	0,211	0,200	0,182	0,167
30	0,600	0,544	0,500	0,461	0,427	0,400	0,375	0,353	0,333	0,316	0,300	0,286	0,273	0,250	0,230
40	0,666	0,615	0,572	0,532	0,500	0,470	0,444	0,421	0,400	0,381	0,364	0,348	0,334	0,308	0,286
50	0,715	0,666	0,625	0,588	0,556	0,525	0,500	0,476	0,455	0,436	0,416	0,400	0,385	0,358	0,333
60	0,750	0,706	0,666	0,630	0,600	0,571	0,545	0,522	0,500	0,480	0,461	0,445	0,428	0,400	0,375
70	0,778	0,736	0,700	0,666	0,636	0,608	0,584	0,560	0,538	0,518	0,500	0,483	0,466	0,437	0,411
80	0,800	0,762	0,730	0,696	0,667	0,640	0,615	0.593	0,571	0,551	0,533	0,516	0,500	0,470	0,444
90	0,820	0,784	0,750	0,720	0,691	0,666	0,644	0,620	0,600	0,580	0,562	0,545	0,528	0,500	0,474
100	0,833	0,800	0,770	0,742	0,715	0,690	0,668	0,645	0,625	0,607	0,590	0,572	0,555	0,526	0,500
110	0,846	0,814	0,786	0,759	0,733	0,709	0,688	0,667	0,647	0,629	0,611	0,595	0,579	0,550	0,524
120	0,857	0,828	0,799	0,774	0,750	0,727	0,706	0,686	0,667	0,649	0,632	0,615	0,600	0,571	0,545
130	0,867	0,839	0,813	0,788	0,765	0,743	0,722	0,703	0,684	0,667	0,650	0,634	0,619	0,590	0,565
140	0,875	0,848	0,824	0,799	0,778	0,757	0,737	0,718	0,700	0,683	0,667	0,651	0,636	0,609	0,583
150	0,882	0,857	0,833	0,811	0,789	0,769	0,750	0,732	0,714	0,698	0,682	0,667	0,652	0,625	0,600
160	0,889	0,865	0,842	0,821	0,800	0,780	0,762	0,744	0,727	0,711	0,696	0,681	0,667	0,640	0,615
170	0,895	0,872	0,850	0,829	0,810	0,791	0,773	0,756	0,739	0,723	0,708	0,694	0,680	0,654	0,629
180	0,900	0,878	0,857	0,837	0,180	0,799	0,783	0,766	0,749	0,735	0,720	0,706	0,692	0,667	0,643
190	0,905	0,884	0,864	0,844	0,826	0,809	0,791	0,776	0,760	0,745	0,731	0,717	0,703	0,679	0,655
200	0,909	0,889	0,869	0,851	0,833	0,816	0,800	0,784	0,769	0,755	0,741	0,727	0,714	0,689	0,667

Анализируя график изменения х/(х + а₂) вдоль кронштейна, можно отметить, что для заданного йа он повторяет характер изменения площади пояса и соответственно его ширины. Характерно малое изменение потребной ширины пояса примерно до половины длины кронштейна. Причем чем больше длина, тем монотоннее убывает потребная ширина пояса в направлении к оси подшипника. С увеличением значения а₂ кривая х/(х + а₂) становится все более пологой. Вблизи от подшипника наблюдается достаточно резкое изменение (уменьшение) потребной ширины пояса.

Рис. 16.7 Конфигурации поясов симметричных кронштейнов для трех расчетных случаев: а - оси поясов пересекаются в центре проушины; б - оси поясов пересекаются перед центром проушины; в - оси поясов пересекаются за центром проушины

На рис. 16.7 показаны конфигурации поясов кронштейнов для трех расчетных случаев а₂ == 40 мм, а₁= 10 мм, а₀ = 0, l = 150мм, В = 100мм, tgа₂ = 0,263; sin a₂ = 0,255;P = 1000 даН; _в = 40 даН/мм². Расчет этих поясов дается в приложении 4.

Проектируемый кронштейн с соотношением (b/)_mах проверяют на местную потерю устойчивости, после чего считают пояса кронштейна спроектированными.

5. Определяют потребную толщину стенки кронштейна _cт. Площадь сечения стенки задается выражением

Рис. 16.8. Установка кронштейна

на стенку

Сечение стенки увеличивается по мере приближения к проушине. Из соображения технологичности стенку выполняют постоянной толщины бет, равной значению в сечении, близком к х = D, _ст = F_cтх/H_x. Пользуясь табл. 16.1, находят F_cтх для нескольких сечений. Зная _ст. вычисляют потребную высоту стенки по длине кронштейна. Лишний материал стенки убирают с помощью вырезов. В зоне основания кронштейна оставляют перемычку площадью

Эта перемычка необходима для восприятия вертикальной составляющей сил в зоне крепления пояса кронштейна.

6. Рассчитывают болты крепления кронштейна. Болты подбирают из условия работы на разрыв и срез. Для уменьшения нагрузки на болты их следует размещать как можно дальше от оси кронштейна, располагая на уровне поясов. Ширину основания, на которой располагаются болты (рис. 16.8), желательно брать как можно меньшей для уменьшения влияния местного изгиба основания под каждым болтом. При этом минимальное расстояние от стенки кронштейна до оси болта определяется из условия возможности подхода гаечным ключом. Если для передачи осевой и перерезывающей сил достаточно крайних болтов, то целесообразно убрать среднюю часть основания (заштрихованная область на рис. 16.9). Этим облегчают сборку и уменьшают поверхность основания, которую надо обрабатывать для точного прилегания ее к стенке.

Рис. 16.9 Основание кронштейна Рис. 16.10 Схема расчета болтов крепления кронштейна

Растягивающие усилия, приходящиеся на все болты:

где n - число болтов сверху или снизу, Н_б - расстояние между верхними болтами.

Усилие среза, воспринимаемое болтом:

где 2n - полное число болтов.

По каждому усилию по ГОСТу подбирают диаметр болта. Из двух диаметров выбирают наибольший и для него определяют суммарное действующее напряжение от среза и растяжения

Рассчитывают толщину основания кронштейна.

Основание кронштейна надо рассчитать на смятие под болтами и на местный изгиб под отдельным болтом. Из условия смятия толщина основания

где Р_б.срmax - наибольшее срезающее усилие, действующее на болт; d_б - диаметр болта; _см= 1,3_в - напряжение смятия основания.

Так как толщина основания (или бобышки на основании под болты) постоянна, то расчет ее проводим по наиболее нагруженному болту.

Из условия изгиба (рис. 16.10)

(16.23)

где W = J/у - момент сопротивления, или, если c₁> с:

(16.24)

Ключевые слова и выражения.

Кронштейны навески, стыковые узлы, качалки, эксцентриситет приложения нагрузки, центр жесткости кронштейна, базы крепления кронштейна, пояс кронштейна, стенка кронштейна, симметричный и несимметричный кронштейны, потребная ширина пояса кронштейна, местная потеря устойчивости.

Контрольные вопросы.

Где применяются узлы навески?

От чего зависит форма кронштейна?

Как избегают эксцентриситета при передаче сил в кронштейне?

Как размещают заклепки при креплении кронштейна к стенке?

Какие существуют варианты выполнения симметричного кронштейна?

Какие выводы можно сделать при сравнении трех вариантов симметричных подшипников?

Опишите порядок проектирования кронштейна.



Литература

Войт Е.С., Ендогур А.И., Мелик-Саркисян З.А., Алявдин И.М. Проектирование конструкций самолетов. М.: Машиностроение, 1987. стр. 71-84.

Размещено на Allbest.ru