Прочность сварного соединения по напряжениям среза при указаных

16 17 18 19 20 21 22

Прочность сварного соединения по напряжениям среза при указаных

нагружении и размерах обеспечена.

Видеофильмы:http://www.youtube.com/watch?v=…

1…Czpff43CBFY-Сварка алюминия.

2…cWZvggtrdUM-Электросварка электродная.

3…Fm8zMDPf1jc-Сварка трением карданного вала.

Вопросы для самоподготовки:

1.Физическая сущность образования сварных соединений?

2.Конструктивные разновидности сварных соединений?

3.Достоинства и недостатки сварных соединений?

4.Критерии прочностного расчета сварных соединений встык? внахлест?

5.Наиболее перспективные виды сварки в приборостроении?

6.7. Соединения с гарантированным натягом

В конструкциях многих устройств применяются неподвижные соединения деталей по цилиндрическому или коническому сопряжению, когда одна из де-талей наружной поверхностью (назовем ее валом) входит в отверстие второй детали (назовем ее втулкой) – установка подшипников на валы, крепление дере-вянных элементов гвоздями, крепление токосъемников к клеммам аккумуля-торов и др. Такие соединения характеризуются тем, что наружный диаметр вала d_в несколько больше диаметра отверстия втулки d_о на величину натяга õ_н, т.е.

δ_н = d_в - d_о > 0, (6.7.1)

где d_в и d_о – первоначальные диаметры вала и отверстия втулки по середине их поля допуска – рис.6.7.1,а.

Такие соединения называют соединения с гарантированным натягом. Да-

лее рассмотрим расчет необходимого натяга, обеспечивающего неподвижность соединения при его нагружении, и выбора величины допусков на диаметр вала и отверстия с цилиндрическим сопряжением.

а б в

Рис.6.7.1.Схема цилиндрического соединения вал – втулка с гарантирован-

ным натягом: а – детали соединения до сборки; б, в – после сборки

После сборки деталей соединения вследствие упругих и пластических де- формаций сопрягаемых поверхностей их диаметр сопряжения становится об-

щим и равным d. При этом на сопрягаемых поверхностях возникает давление р

(рис.6.7.1, б, в) и соответствующие ему силы трения сцепления, что обеспечи-

вает неподвижность соединения при нагружении осевой силой s_o и крутящим моментом М_кр. Нагрузочная способность соединения зависит, главным обра-зом, от величины õ_н, физико-механических свойств материалов деталей, размеров соединения и, в некоторой степени, способа сборки соединения.

Условие относительной неподвижности деталей соединения при нагруже-нии их осевой силой s_o и крутящим моментом М_кр:

s_o ≤ π · d · p · ι · ƒ / k_н (6.7.2)

и М_кр ≤ π · d² · p · ι · ƒ / (2·k_н), (6.7.3)

где π • d • ι – площадь сопряжения, мм²;

р – давление на сопрягаемых поверхностях, н/мм²;

ƒ – коэффициент трения сцепления пары соединения (при горячей

сборке ƒ ≈ 0,14, при сборке прессованием ƒ ≈ 0,10);

k_н = 2…6 – коэффициент надежности неподвижности соединения (k_н =

2…3, если сдвиг деталей соединения может ухудшить его работоспо-

собность; k_н = 3…4, если сдвиг деталей соединения может привести к

потери работоспособности какого-либо устройства; k_н = 4…6, если

сдвиг деталей соединения может быть опасен для людей).

При совместном действии осевой и окружной силы F_t (F_t =М_кр/d) условие неподвижности деталей выглядит следующим образом:

√ s_o² + F_t² ≤ 1,4 π • d • p • ι• ƒ / k_н. (6.7.4)

Откуда при заданных нагружении и геометрических параметрах соедине-ния давление в сопряжении:

p ≥ k_н √ s_o² + F_t² /(1,4 π • d • p • ι• ƒ). (6.7.5)

С другой стороны согласно теореме Лямэ давление в сопряжении связано с натягом δ_н:

δ_н

р = , (6.7.6)

d (С₁/Е₁ + С₂/Е₂)

где Е₁ и Е₂ – модули упругости материалов вала и втулки (для стальных

деталей Е = 2,1•10⁵ н/мм², для бронз и латуней Е = 1,1•10⁵ н/мм², для чугу-

нов Е = 1,4•10⁵ н/мм², для алюминиевых сплавов Е = 0,8 •10⁵ н/мм²);

С₁ и С₂–коэффициенты жесткости сечений соответственно вала и втулки.

d² + d₁² d₂² + d ²

При этом С₁ = – μ₁ и С₂ = + μ₂, (6.7.7)

d² – d₁² d₂² – d ²

где μ₁ и μ₂ – коэффициенты Пуассона материалов соответственно вала

и втулки (для сталей μ = 0,3, для медных сплавов μ = 0,33, для

чугунов μ = 0,25, для алюминиевых сплавов μ = 0,35).

Необходимый натяг можно определить из выражения (6.7.6):

δ_н = р• d (С₁/ Е₁ + С₂/ Е₂). (6.7.8)

По найденному согласно формулы (6.7.8) расчетному натягу подбирают минимальный по таблицам допусков натяг õ_т посадки сопряжения:

а) при сборке соединения запрессовкой

õ_т = d_в_min – d_о_max = õ + 1,2 (R_z_в + R_z_о); (6.7.9)

б) при сборке соединения нагревом втулки

õ_т = d_в_min – d_о_max = õ, (6.7.10)

где R_z_в и R_z_о – параметры шероховатости поверхностей соответственно

вала и отверстия втулки в мм.

Можно решать и обратную задачу – задаться посадкой с гарантированным натягом, а затем рассчитать допускаемые величины сдвигающей и окружной силы (крутящего момента), действующих на детали соединения.

В производстве применяются несколько способов сборки соединений с га- рантированным натягом:

1.Запрессовкой вала в отверстие втулки (или, наоборот, втулки на вал) вручную

или под прессом.

2.Нагревом втулки (как правило, в масле) до температуры, когда диаметр отвер-

стия втулки увеличится на величину свободного «одевания» втулки на вал

(≈ на 0,03…0,05 мм).

3.Охлаждением вала (например, жидким азотом или воздухом) до температуры,

когда диаметр вала станет меньше диаметра отверстия втулки с последующей установкой вала в отверстие втулки или, наоборот, втулки на вал.

4.Одновременным охлаждением вала и нагревом втулки для обеспечения доста-

точного зазора в сопряжении под сборку и последующим «одеванием» де-

талей соединения.

Наибольшее применение находят первые два способа сборки – прессовани-ем и нагревом втулки. При прессовании частично срезаются микронеровности сопрягаемых поверхностей, что несколько снижает прочность соединения, но, в ряде случаев, является почти единственно возможным – при сборке соедине-ния вручную в мало приспособленных условиях, в сложных узлах с предварительным заполнением полостей смазочными материалами, если нагрев втулки может вызвать нежелательную деформацию других деталей, уже имею-щихся в узле и др. При разборке и повторной сборке прочность соединения может уменьшиться (особенно, если сопрягаемые поверхности не закалены). В условиях серийного и массового производства чаще всего используется сборка нагревом втулки (реже охлаждением вала в виду сложности технологии, напри-мер, охлаждения жидким воздухом или азотом при –190˚С). Одновременно технология сборки нагревом втулки и охлаждением вала в виду сложности и дороговизны почти не применяется. При охлаждении нагретой втулки или на-греве охлажденного вала до эксплуатационной температуры соединения умень-

шается диаметр отверстия втулки и увеличивается диаметр вала, что и обеспе-чивает возникновение давления в сопряжении и сил трения сцепления. «Темпе-ратурные» технологии обеспечивают наибольшую стабильность прочности соединений (особенно при необходимости эпизодической сборке – разборке соединения), хотя и дорогостоящие.

Разность температур (при «температурной» сборке соединения), обеспечи-вающая зазор сопряжения, можно найти по формуле:

õ_т + Δ_з

Δt_сб = , (6.7.11)

α • d

где õ_т– табличный натяг, найденный согласно формул (6.7.9) и (6.7.10) мм;

Δ_з – гарантированный зазор для свободной сборки деталей соединения

нагревом или охлаждением (0,03…0,05 мм);

d – номинальный диаметр посадки, мм;

α = температурный коэффициент линейного расширения нагреваемой

или охлаждаемой детали (для стальных деталей α = 12•10^-6 град^-1,

чугунных – α = 10,5•10^-6 град^-1, бронзовых – α = 17•10^-6 град^-1,

латунных – α = 18•10^-6 град^-1, алюминиевых – α = 23•10^-6 град^-1).

Применяются и весьма надежные конические соединения с натягом (осевой силой S_o), допускающие неограниченное число повторных сборок и разборок. Конусность сопрягаемых поверхностей чаще всего 1:50* (запрессовкой) или 1:10* (при натяге гайкой) и отношением ι/d = 0,6…1,5.

*Увеличение диаметра конуса на длине 50 мм = 1 мм или на длине 10 мм = 1 мм).

Пример. Найти температуру нагрева насаживаемой на вал стальной втулки, обеспечивающей гарантированный зазор при сборке соединения Δ_з = 0,05 мм. Расчетный (табличный) натяг с сопряжении õ_т = 0,02 мм, номинальный размер сопряжения d = 30 мм, температура соединения до сборки t_н =20˚С. Температурный коэффициент линейного расширения нагреваемой втулки α = 12•10^-6 град^-1.

Согласно формулы (6.7.11) разность температур до и при сборке с нагревом втулки:

õ_т + Δ_з 0,02 + 0,05

Δt_сб = = = 233,3˚С.