Критерии работоспособности деталей машин

Критерии работоспособности деталей машин

Работоспособность деталей оценивают по одному или нескольким критериям, в ы-

бор которых обусловлен условиями работы и характером возможного разрушения.

Основными критериями работоспособности деталей машин являются:

– прочность,

– жесткость,

– износостойкость,

– теплостойкость,

– виброустойчивость.

Прочность. Важнейшим критерием работоспособности всех деталей является проч-

ность, т.е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Методы расчетов на прочность изучают в курсе механики материалов. В расчетах на прочность большоезначение имеет правильное определение расчетных нагрузок и допускаемых напряжений.

Повысить прочность можно путем выбора рациональной формы поперечного сечения

детали, устранением концентраторов напряжений, введением поверхностного упрочнения,

обеспечением нагружения детали только напряжениями сжатия или растяжения (устранением напряжений изгиба).

Жесткость. Жесткостью называют способность детали сопротивляться изменению

формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием при определении их размеров. Например, жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, зубчатых, червячных передач. Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Рациональное расположение опор,применение рационального профиля повышает жесткость конструкции. В уточненных расчетах прочности и жесткости деталей используют различные методы решения задач теории упругости.

Износостойкость. Износостойкостью называют свойство материала оказывать со-

противление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств материала, термообработки

и шероховатости поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, смазки, режима работы и прочее. Износ (результат изнашивания) снижает прочность деталей, изменяет характер сопряжения, увеличивает зазоры в подвижных соединениях, вызывает шум.

Расчеты деталей на износостойкость ведут по допускаемым давлениям [ p], установ-

ленным практикой (расчеты шлицевых соединений, подшипников скольжения). Применение в конструкциях уплотняющих устройств, защищающих детали от попадания абразивных частиц, повышение твердости и равномерное распределение давлений по поверхности контакта, разделение трущихся поверхностей смазочным материалом увеличивает их износостойкость.

Исследованиями контактного взаимодействия твердых тел при относительном смеще-

нии занимается новая наука триботехника.

Теплостойкость. Теплостойкостью называют способность конструкции работать в

пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей во

время работы – явление вредное и опасное, так как при этом снижается их прочность, ухудшаются свойства смазочного материала, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заклиниванию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы проводят тепловые расчеты (расчеты червячных и волновых передач, подшипниковскольжения).

Виброустойчивость. Виброустойчивостью называют способность конструкции ра-

ботать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, вызывают дополнительные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания. Расчеты на виброустойчивость выполняют для машины в целом.

 

СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Способы соединения деталей при сборке машин, приборов и различных механизмов

весьма разнообразны. Все соединения можно разделить на две основные группы:

– неразъемные;

– разъемные.

Неразъемные соединения не допускают разборки собранных деталей и применяются

для упрощения технологии изготовления деталей или для сокращения расхода дефицитных

материалов. В таких соединениях взаимное расположение деталей в сборочной единице остается неизменным.

К неразъемным относятся соединения:

– заклепочные;

– сварные;

– пайкой;

– склеиванием;

– прессовые (отнесены к группе неразъемных условно, так как они позволяют произво-

дить повторную сборку и разборку; частично происходит повреждение спрягаемых поверхностей из-за использования значительных усилий).

Разъемные соединения допускают разборку соединенных деталей без разрушения дета-

лей и скрепляющих элементов. Эти соединения применяют по технологическим, конструктивным и эксплуатационным соображениям.

К разъемным соединениям относятся:

– резьбовые;

– клеммовые;

– шпоночные;

– шлицевые;

– штифтовые;

– профильные.

К соединениям предъявляются следующие основные требования:

– статическая и усталостная прочность;

– равнопрочность самого соединения с материалом соединяемых деталей;

– жесткость;

– плотность;

– сохранение физических и химических свойств материала в местах соединения;

– универсальность способа, то есть применимость способа для соединения деталей раз-

личной формы и размеров, изготовленных из разнообразных материалов.

Разъемные соединения должны допускать многократные сборки и разборки без допол-

нительных технологических операций.

Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность.

РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

4.1 Основные понятия и определения

Резьбовое соединение – разъемное соединение с помощью резьбовых крепежных деталей – винтов, болтов, шпилек, гаек или резьбы, нанесенной непосредственно на соединяемые детали.

Резьба образуется путем нанесения на поверхность деталей винтовых канавок с сечени-

ем согласно профилю резьбы. Образованные таким образом выступы носят название витков.

Термин резьба произошел от технологического процесса ее изготовления – нарезания.

Термин винт применяется как общий (болты, шпильки) или как частный (винт, ввин-

чиваемый в деталь).

Гайка – это деталь с резьбовым отверстием, навинчиваемая на винт и имеющая форму,

приспособленную для захвата ключом или ручкой.

Широкое применение резьбовых соединений определяется:

– возможностью создания больших осевых сил (ввиду клинового действия резьбы, а

также большого отношения длины ключа к радиусу резьбы);

– возможностью фиксирования зажима в любом положении благодаря самоторможе-

нию;

– удобными формами и малыми габаритами;

– простотой и возможностью точного изготовления.

Достоинства резьбовых соединений:

– высокая несущая способность и надежность;

– удобство сборки и разборки;

– наличие большой номенклатуры резьбовых деталей, приспособленных к различным

эксплуатационным условиям;

– относительно малая стоимость, обусловленная стандартизацией и применением вы-

сокопроизводительных процессов изготовления.

Недостатки резьбовых соединений:

– наличие значительного количества концентраторов напряжений на поверхностях

резьбовых деталей, что делает их уязвимыми при нагружениях, вызывающих переменные

напряжения;

– нетехнологичность некоторых конструкций резьбовых деталей.

Методы изготовления резьбы

Различают способы:

– нарезкой вручную метчиками (плашками). Малопроизводительный способ; применя-

ют в основном в индивидуальном производстве и при ремонтных работах;

– нарезкой на токарно-винторезных или специальных станках;

– методом фрезерования на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для

нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы (ходовые и грузовые винты, резьбы на валах);

– методом накатки на специальных резьбонакатных станках-автоматах. Этим высоко-

производительным и дешевым методом изготавливают стандартные крепежные детали (болты, винты);

– методом отливки. Изготавливают резьбы на литых деталях из пластмассы, чугуна,

металлокерамики;

– методом выдавливания. Изготавливают резьбу на тонкостенных давленых и штампо-

ванных изделиях из жести, пластмассы.

Теория винтовой пары

Винтовая пара – кинематическая пара первого рода, у которой взаимодействуют сопряженные поверхности основного профиля винта и гайки.

Кинематика винтовой пары устанавливает зависимость между вращательным движением одного звена и поступательным движением другого (рисунок 4.19).

Зависимость между вращением маховика 1 и поступательным движением винта 2 выражается передаточным отношениемi vм / vп, (4.2)

где vм – окружная скорость маховика;

vп – поступательная скорость винта.

При вращении маховика с окружной скоростью 1 с-1, поступательная скорость винтабудет численно равна ходу резьбы Ph, а передаточное отношение

Составим уравнение моментов относительно оси винта. Пусть под воздействием момента T происходит равномерный подъем (опускание) винта. Действие гайки заменим равномерно распределенной по рабочей поверхности витков резьбы нагрузкой g, которая вызывает распределенные силы трения gт, препятствующие вращению винта.

Изменение направления сил трения и знаков в уравнениях (4.8) и (4.9) в случае опуска-

ния винта очевидно, т.к. при этом изменяется направление окружных сил Ft и сил трения

На развертке винтовой поверхности стрелками показано направление относительногодвижения витков винта и гайки при подъеме v1 и опускании v2.

Из (4.14) и (4.15) видно, что КПД винтовой пары неодинаков при подъеме и опускании

винта и возрастает с увеличением угла подъема резьбы . Чрезмерное увеличение угла ,однако, приводит к возрастанию окружного усилия.

Значения параметров резьбы, при которых достигается максимум КПД, можно определить, приравняв нулю первую производную выражения (4.14). Угол подъема ходовых винтоввыполнять более 45нецелесообразно.

Использование, на практике, угла подъема резьбы 25 применяют редко, т.к. даль-

нейшее увеличение незначительно.

Пути увеличения КПД винтовой пары:

– применение смазочных материалов;;

– электролитическая обработка трущихся поверхностей различными материалами

(кадмий, цинк, медь, серебро);

– нанесение антифрикционных оксидных пленок;

– применение шариковых винтовых пар.

Все способы для снижения трения в резьбе.

В процессе работы винт не только растягивается силой Fв, но и закручивается момен-

том T, преодолевающим силы трения в резьбе. Это момент сопротивления в резьбе Tр. В

нашем случае T Tр.

Винтовая пара работает в условиях, когда момент на ключе Tк преодолевает не толькомомент сопротивления в резьбе Tр, но и на торце гайки или опорной шайбы Tт (крепежныерезьбы, домкраты). В данном случае (рисунок 4.21, а)

к р т T T T. (4.17)

КЛЕММОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Клеммовое соединение представляет собой фрикционное (т.е. основанное на действии сил трения) соединение, в котором необходимое нормальное давление создается затяжкой винтов.

Применяют: для закрепления на валах и других круглых стержнях деталей типа кривошипов, шкивов, установочных колец, при необходимости последующих перестановок.

Достоинства:

– возможность их осуществления без шпонок, что допускает установку деталей в любом положении по длине гладкого участка зажимаемого стержня;

– большое удобство сборки и ремонта соединения, для сложных механизмов.

Недостаток – небольшая надежность, особенно при переменных нагрузках, т.к. скрепление соединяемых деталей осуществляется за счет сил трения.

Силу затяжки Fз болта (рисунок 5.1) определим следующим образом.

 

ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

6.1 Общие сведения

Шпонки предназначены для передачи крутящего момента от вала к ступице детали

(зубчатого колеса, шкива и т.п.) или, наоборот, от ступицы к валу.

Основные типы шпонок стандартизированы.

Различают:

– ненапряженные шпоночные соединения (осуществляют с помощью призматических и

сегментных шпонок);

– напряженные шпоночные соединения (осуществляют посредством клиновых шпо-

нок).

Достоинства:

– простота конструкции;

– невысокая стоимость изготовления;

– легкость монтажа и демонтажа.

Недостатки:

– невысокая нагрузочная способность;

– в большинстве случаев необходима ручная подгонка при установке шпонки в паз ва-

ла;

– шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали (не только

уменьшение сечения, но и значительная концентрация напряжений).

ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

7.1 Общие сведения

Шлицевое соединение образуют выступы (зубья) на валу (рисунок 7.1), входящие в со-

ответствующие впадины (шлицы) в ступице.

Рабочими поверхностями являются боковые стороны выступов. Выступы на валу вы-

полняют фрезерованием, строганием или накатыванием в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Впадины в отверстии ступицы изготавливают протягиванием или долблением.

Шлицевое соединение представляет собой фактически многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом.

Назначение шлицевых соединений – передача вращающего момента между валом и

ступицей.

Шлицевые соединения стандартизированы.

Достоинства (по сравнению со шпоночными):

– способность точно центрировать соединяемые детали или точно выдерживать направление при их относительном осевом перемещении.

– меньшее число деталей соединения.

– большая несущая способность вследствие большей суммарной площади контакта.

– взаимозаменяемость (нет необходимости в ручной подгонке).

– большое сопротивление усталости вследствие меньшей глубины впадины и меньшейпоэтому концентрации напряжений, особенно для эвольвентных шлицев.

Недостатки:

– более сложная технология изготовления;

– более высокая стоимость.

В зависимости от формы профиля зубьев различают соединения с:

– прямобочными;

– эвольвентными;

– треугольными шлицами.

Шлицевые соединения бывают:

– неподвижные – для неподвижного соединения ступицы и вала;

– подвижные, обеспечивающие возможность осевого перемещения ступицы по валу

(зубчатого колеса, коробок передач станка, автомобилей).

 

 

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

9.1 Общие сведения

Сварные соединения – наиболее распространенный тип неразъемных соединений. Их

получают формированием межатомных связей в свариваемых деталях путем местного нагрева в зоне их соединения до жидкого состояния или путем пластического деформирования

деталей в зоне стыков с нагревом или без нагрева (сварка взрывом).

Сварное соединение получают путем местного нагрева:

– с расплавлением металла без приложения силы (электродуговая, газовая, электроннолучевая);

– без расплавления металла и с приложением силы (контактная).

Достоинства сварных соединений.

1. Малая масса. По сравнению с заклепочными соединениями экономия металла со-

ставляет 15-20 %. По сравнению с литыми стальными конструкциями экономия по массе составляет до 30 %.

2. Малая стоимость. Стоимость сварной конструкции из проката примерно в 2 раза ниже стоимости литья и поковок.

3. Экономичность процесса сварки, возможность его автоматизации. Это связано с малой трудоемкостью процесса, сравнительной простотой и дешевизной оборудования.

4. Плотность и герметичность соединения.

5. Возможность получения конструкций очень больших размеров.

Недостатки сварных соединений.

1. Возможность получения скрытых дефектов сварного шва (трещины, непровары,

шлаковые включения).

2. Трудность контроля качества сварного шва.

3. Коробление деталей из-за неравномерности нагрева в процессе сварки.

4. Невысокая прочность при переменных режимах нагружения. Сварной шов является сильным концентратором напряжений.

Угольно-дуговая сварка впервые предложена Н.И. Бенардосом в 1882 г. Н.Г. Славянов

в 1888 г. предложил сварку металлическим электродом.

Применение. В машиностроении сварку применяют для получения заготовок деталей из проката в мелкосерийном и единичном производстве. Сварными выполняют станины, рамы, корпуса судов, кузова автомобилей, обшивку железнодорожных вагонов, трубопроводы,мосты, антенны радиотелескопов.

Наибольшее распространение получили соединения электродуговой и газовой сваркой.

Хорошо свариваются низко- и среднеуглеродистые стали. Высокоуглеродистые стали, чугуны и сплавы цветных металлов свариваются хуже.

По конструктивным признакам (по взаимному расположению соединяемых элементов) сварные соединения разделяют на:

– стыковые – свариваемые элементы примыкают торцовыми поверхностями и являются продолжением один другого (рисунок 9.1, а);

– нахлесточные – боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают друг друга (рисунок 9.1, б);

– тавровые – торец одного элемента примыкает под углом (90 ) и приварен к боковой поверхности другого элемента (рисунок 9.1, в);

– угловые – соединяемые элементы приваривают по кромкам один к другому (

В зависимости от типа сварного шва различают сварные соединения:

– со стыковыми швами;

– с угловыми швами.

Исходное условие проектирования сварного соединения – обеспечение равнопрочности сварного шва и соединяемых элементов.

Сварные стыковые соединения.

Если стыковое соединение образуют два металлических листа, то их сближают до соприкосновения по торцам и сваривают.

При автоматической сварке в зависимости от толщины деталей сварку выполняютодносторонним (рисунок 9.2, а) или двусторонним (рисунок 9.2, б) швами. При толщинах до 15 мм сварку выполняют без специальной подготовки кромок. При большей толщинелистов предварительно выполняют специальную подготовку кромок (рисунок 9.3).

При ручной сварке без подготовки кромок сваривают листы толщиной до 8 мм. Шов

накладывают с одной стороны (при 3 мм) или с двух сторон (3 8 мм).

В районе сварного шва из-за высокой местной температуры может произойти изменение физических, химических, структурных свойств основного металла и, как следствие, понижение его механических характеристик – появляется так называемая зона термическоговлияния (рисунок 9.4). Поэтому разрушение сварного соединения происходит обычно в зоне влияния, т.е. вблизи сварного шва.

Стыковое соединение выполняется из листов, полос, труб, уголков, швеллеров и др.

ПАЯНЫЕ И КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

10.1 Паяные соединения

10.1.1 Общие сведения.

Пайка – способ соединения элементов конструкций межатомными связями между материалами соединяемых деталей и присадочным материалом, называемым припоем.

Припой – сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в рас-

плавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями с последующей его кристаллизацией. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей.

Отличие пайки от сварки – отсутствие расплавления или высокотемпературного нагрева материала соединяемых деталей.

Достоинства.

1. Возможность соединения не только однородных, но и разнородных материалов (стали со сплавами цветных металлов; металлы с графитом, фарфором; керамика с полупроводниками).

2. Возможность соединения тонкостенных элементов, в которых применение сварки

невозможно из-за опасности прожога.

3. Возможность изготовления конструкций из тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, тантала, вольфрама), плохо поддающихся сварке.

4. Возможность распайки (разборки) без разрушения конструкций.

5. Малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя.

6. Возможность получения соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах

конструкции.

7. Возможность соединения за один прием в единое целое множества элементов, со-

ставляющих изделие.

Недостатки.

1. Необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми

деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки.

2. Необходимость тщательной очистки поверхностей перед пайкой.

Способы пайки.

Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, ТВЧ, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргона).

При пайке с нагревом ТВЧ или в термической печи припой укладывают в процессе

предварительной сборки деталей в месте шва в виде проволочных контуров, фольговых прокладок, лент или паст в смеси с флюсом.

Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении кристаллизуется, прочно соединяя детали.

Конструкции паяных соединений.

Паяные силовые соединения выполняют стыковыми (рисунок 10.1, а), нахлесточными

(рисунок 10.1, б) и тавровыми (рисунок 10.1, в).

Паяные соединения предпочтительно выполнять нахлесточными, наиболее полно ис-

пользующими площадь сопряжения соединяемых деталей. Площадь перекрытия назначают так, чтобы прочность паяного соединения была равна прочности целой детали (условие равнопрочности). Стыковые и тавровые соединения имеют ограниченную площадь контакта.

Для увеличения площади применяют косостыковые соединения, однако при этом трудно с высокой точностью обеспечить требуемое взаимное расположение соединяемых деталей.

Стыковые и тавровые соединения применяют при действии небольших статических нагрузок.

На практике применяют также телескопические (рисунок 10.2, а), соприкасающиеся

(рисунок 10.2, б и в) соединения, фальцевый замок (рисунок 10.2, г).

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

Клеевые соединения.

Клеевыми называют неразъемные соединения элементов конструкций неметалличе-

ским веществом, образующим между ними тонкую прослойку, посредством поверхностного схватывания и межмолекулярных связей в клеящем слое.

Достоинства.

1. Возможность соединения деталей из однородных или неоднородных материалов,

существенно отличающихся по физико-механическим свойствам.

2. Возможность соединения элементов конструкций небольшой толщины.

3. Малая концентрация напряжений и высокое сопротивление усталости.

4. Хорошие тепло-, звуко- и электроизолирующие свойства.

5. Возможность получения изделий сложной формы, с плавными обводами, без выступающих частей.

6. Малая масса самой клеевой прослойки.

Недостатки.

1. Нестабильность физико-механических и электрических свойств во времени (старение).

2. Ухудшение механических характеристик при низких и высоких температурах, воз-

действии биосреды, химических реагентов.

3. Необходимость тщательной подготовки поверхностей под склеивание.

4. Длительное время отверждения.

5. Сравнительно невысокая прочность

9.2.2 Конструкции клеевых соединений.

При проектировании клеевых соединений учитывают, что клеевые швы обладают высокой прочностью при сдвиге и невысокой при отрыве.

Нахлесточные соединения наиболее распространены (рисунок 10.5, а).

Они хорошо работают при сдвиге и сжатии и являются самыми простыми и дешевыми в производстве. Проектировать соединение нужно так, чтобы внешние силы действовали только в плоскости клеевого слоя. Площадь клеевого соединения лучше увеличивать увеличением его ширины, а не удлинением нахлестки, что объясняется неравномерностью распределения напряжений по длине соединения. Благоприятное влияние на прочность соединения оказывают скосы кромок.

Соединениям с накладками (рисунок 10.5, б) присущи неравномерность распределе-

ния напряжений по длине стыка и возникновение отрывающих напряжений по длине стыка и возникновение отрывающих напряжений у концов накладок. Соединения с односторонней накладкой применяют в таких конструкциях, где одна сторона должна быть ровной. Для увеличения прочности применяют две накладки, края скашивают (рисунок 10.5, в).

Стыковые соединения рационально применять при больших площадяхсоединения

Наибольшую прочность имеет усовое соединение, выполненное по косому срезу (рисунок10.6, а). Шпунтовые (рисунок 10.6, б), шиповые и зубчато-шиповые соединения применяют в основном для соединения деревянных деталей.

В тавровых соединениях для увеличения прочности следует увеличить площадь

склеивания (рисунок 10.7), сделать скосы у кромок клеевого шва.

Условия для получения качественного клеевого соединения:

– коэффициенты линейного и объемного расширения склеиваемых материалов и клея

равны или близки друг к другу;

– конструкция деталей допускает двусторонний подход к клеевым швам и позволяет

создать требуемое при склеивании технологическое давление;

– зазоры в клеевых соединениях между поверхностями, прижатыми друг к другу с оп-

тимальным давлением, не превышают 0,1 мм;

– предусмотрена защита кромок клеевых швов от проникновения влаги (лаками, крас-

ками, замазками).

ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В настоящее время заклепочные соединения находят применение в судостроении, са-

молетостроении, машиностроении и др. Сооружениях, где по тем или иным причинам применение сварки исключается.

Заклепка – стержень круглого сечения с головками на концах, одну из которых, назы-

ваемую закладной, выполняют на заготовке заранее, а вторую, называемую замыкающей,формируют при клепке.

Заклепочное соединение получают следующим образом. В отверстие соединяемых де-

талей вставляют заклепки. Под закладную головку устанавливается инструмент-поддержка.

Выступающий конец заклепки (l1 1,5dз) осаживают обжимкой в замыкающую головкуспец. клепальной машиной или вручную.

Клепка производится в холодную (для стальных заклепок Pр P / z. мм) или с нагревом1000 – 1100 С при dз 12 мм.

Заклепки из цветных металлов и сплавов осаживают без нагрева.

Диаметры отверстий под заклепки dотв:

Достоинства заклепочных соединений:

– высокая прочность и надежность соединения;

– удобство контроля качества клепки;

– повышенная сопротивляемость ударным и вибрационным нагрузкам;

– возможность соединения деталей из трудносвариваемых металлов.

Недостатки:

– сравнительно высокая стоимость и трудоемкость получения заклепочного соединения;

– повышенный расход материала (увеличение толщины соединяемых деталей из-за ослабления отверстиями, необходимость применения накладок);

– невозможность соединения деталей сложной конфигурации.

Кратко обоснуем перечисленные недостатки. Разметка, сверление, нагрев заклепок, закладка и клепка делают процесс трудоемким, а с учетом применения дорогостоящего оборудования (станки, прессы, клепальные машины) – дорогостоящим. Ослабление деталей отверстиями под заклепки требует увеличения площади сечения основного материала, применение накладок для получения соединений, большая масса заклепок приводят к повышенному расходу материала для заклепочного соединения.

Область применения:

– в конструкциях, воспринимающих большие вибрационные и ударные нагрузки;

– при изготовлении конструкций из трудносвариваемых материалов (дюралюминий);

– в конструкциях с повышенными требованиями к надежности соединения.

11.1 Классификация заклепочных швов.

Конструктивные разновидности заклепок и их материалы

Заклепочные швы делят:

а) по назначению:

1) прочные швы (мостовые и крановые фермы, самолеты), обеспечивающие проч-

ность соединения;

2) плотные швы (газопроводы, резервуары), обеспечивающие прочность и герме-

тичность;

б) в зависимости от взаимного расположения склепываемых деталей:

1) швы встык с одной или двумя накладками;

2) швы внахлестку;

в) по числу рядов заклепок:

1) однорядные;

2) многорядные (двух-, трех- и не более 6 рядов);

г) по расположению заклепок в рядах:

1) швы параллельные;

2) швы шахматные;

д) по условиям работы (по числу плоскостей среза):

1) односрезные швы – с одной плоскостью среза каждой заклепки;

2) многосрезные.

Типы заклепок.

Выбор формы закладной головки зависит от назначения заклепочного шва.

1. Заклепки с полукруглой головкой (в швах, требующих большой прочности и плотности) (рисунок 11.1).

2. Заклепки с потайной и полупотайной головкой (используют в том случае, когда вы-

ступающие закладные головки заклепок мешают перемещению каких-либо деталей или вслучае больших гидродинамических и аэродинамических сопротивлений (судостроение, самолетостроение)).

3. Заклепки с бочкообразной головкой (при омывании заклепок горячими газами (топка

парового котла) в коррозионной среде).

4. Заклепки с широкой головкой (для соединения тонколистовых (до 1,5 мм) материа-

лов).

5. Трубчатые заклепки (в слабонагруженных металлических соединениях, в соединениях неметаллических материалов).

Материал заклепок.

Изготавливают из малоуглеродистых сталей 10 (Ст2), 15 (Ст3), легированной стали

12Х18Н9Т, меди М3, латуни Л63, алюминиевых сплавов АД1, Д18, Амг5 и др.

Требования, предъявляемые к материалу заклепок:

– высокая пластичность;

– однородность с основным материалом (для предотвращения появления электрокоррозии);

– одинаковый коэффициент линейного расширения (во избежание дополнительных

температурных напряжений).

Критерии работоспособности деталей машин

Работоспособность деталей оценивают по одному или нескольким критериям, в ы-

бор которых обусловлен условиями работы и характером возможного разрушения.

Основными критериями работоспособности деталей машин являются:

– прочность,

– жесткость,

– износостойкость,

– теплостойкость,

– виброустойчивость.

Прочность. Важнейшим критерием работоспособности всех деталей является проч-

ность, т.е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Методы расчетов на прочность изучают в курсе механики материалов. В расчетах на прочность большоезначение имеет правильное определение расчетных нагрузок и допускаемых напряжений.

Повысить прочность можно путем выбора рациональной формы поперечного сечения

детали, устранением концентраторов напряжений, введением поверхностного упрочнения,

обеспечением нагружения детали только напряжениями сжатия или растяжения (устранением напряжений изгиба).

Жесткость. Жесткостью называют способность детали сопротивляться изменению

формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием при определении их размеров. Например, жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, зубчатых, червячных передач. Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Рациональное расположение опор,применение рационального профиля повышает жесткость конструкции. В уточненных расчетах прочности и жесткости деталей используют различные методы решения задач теории упругости.

Износостойкость. Износостойкостью называют свойство материала оказывать со-

противление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств материала, термообработки

и шероховатости поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, смазки, режима работы и прочее. Износ (результат изнашивания) снижает прочность деталей, изменяет характер сопряжения, увеличивает зазоры в подвижных соединениях, вызывает шум.

Расчеты деталей на износостойкость ведут по допускаемым давлениям [ p], установ-

ленным практикой (расчеты шлицевых соединений, подшипников скольжения). Применение в конструкциях уплотняющих устройств, защищающих детали от попадания абразивных частиц, повышение твердости и равномерное распределение давлений по поверхности контакта, разделение трущихся поверхностей смазочным материалом увеличивает их износостойкость.

Исследованиями контактного взаимодействия твердых тел при относительном смеще-

нии занимается новая наука триботехника.

Теплостойкость. Теплостойкостью называют способность конструкции работать в

пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей во

время работы – явление вредное и опасное, так как при этом снижается их прочность, ухудшаются свойства смазочного материала, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заклиниванию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы проводят тепловые расчеты (расчеты червячных и волновых передач, подшипниковскольжения).

Виброустойчивость. Виброустойчивостью называют способность конструкции ра-

ботать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, вызывают дополнительные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания. Расчеты на виброустойчивость выполняют для машины в целом.

 

СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Способы соединения деталей при сборке машин, приборов и различных механизмов

весьма разнообразны. Все соединения можно разделить на две основные группы:

– неразъемные;

– разъемные.

Неразъемные соединения не допускают разборки собранных деталей и применяются

для упрощения технологии изготовления деталей или для сокращения расхода дефицитных

материалов. В таких соединениях взаимное расположение деталей в сборочной единице остается неизменным.

К неразъемным относятся соединения:

– заклепочные;

– сварные;

– пайкой;

– склеиванием;

– прессовые (отнесены к группе неразъемных условно, так как они позволяют произво-

дить повторную сборку и разборку; частично происходит повреждение спрягаемых поверхностей из-за использования значительных усилий).

Разъемные соединения допускают разборку соединенных деталей без разрушения дета-

лей и скрепляющих элементов. Эти соединения применяют по технологическим, конструктивным и эксплуатационным соображениям.

К разъемным соединениям относятся:

– резьбовые;

– клеммовые;

– шпоночные;

– шлицевые;

– штифтовые;

– профильные.

К соединениям предъявляются следующие основные требования:

– статическая и усталостная прочность;

– равнопрочность самого соединения с материалом соединяемых деталей;

– жесткость;

– плотность;

– сохранение физических и химических свойств мате