Эвольвентные шлицевые соединения

Профиль боковой поверхности шлица очерчивается эвольвентой: при этом следует обратить внимание на отличие профиля шлица от профиля зуба зубчатой передачи – угол профиля шлица составляет 30^о (20^о у зуба в зубчатой передаче), а высота шлица уменьшена до (0,9…1,0)m, что определено отсутствием перекатывания зубьев (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Эвольвентное шлицевое соединение

Центрирование эвольвентного шлицевого соединения осуществляют: либо по наружному диаметру D, либо по внутреннему d, либо по боковой поверхности.

ГОСТ 6033-80 распространяется на шлицевые соединения с эвольвентным профилем зубьев, расположенных параллельно оси соединения, с углом профиля 30^о. Он устанавливает исходный контур, форму зубьев, номинальные диаметры, модули (m = 0,5…10 мм) и число зубьев (Z = 6…82), номинальные размеры и измеряемые величины при центрировании по боковым поверхностям зубьев, а также допуски и посадки. Стандарт не распространяется на шлицевые соединения, которые отличаются от регламентируемых номинальными размерами и видом центрирования.

Соединения с эвольвентными зубьями, по сравнению с прямобочными, более технологичны и точны в изготовлении (за счет возможности использования апробированного оборудования для производства зубьев в зубчатых передачах и возможности изготовления меньшим комплектом более простых фрез) и имеют более высокую прочность (за счет большего числа зубьев и скругления впадин у основания зубьев, что способствует утолщению зуба и снижает концентрацию напряжений у основания).

2.1.10. Расчёт на прочность шлицевых соединений

Расчет носит проверочный характер. Нагрузкой шлицевого соединения является передаваемый с вала на втулку и с втулки на вал крутящийся момент. Выход из строя шлицевых соединений возможен по смятию боковой поверхности шлица. Расчет соединения поясняет рис. 2.13.

Условие прочности на смятие:

, (2.7)

, (2.8)

Рис. 2.13. Расчетная схема шлицевого соединения

Расчет шлицевого соединения проводится с учетом следующих зависимостей:

Окружное усилие, действующее на один шлиц:

, (2.9)

где – для прямобочных и треугольных шлицевых соединений;

– для эвольвентных шлицевых соединений;

Z_p = Z – при центрировании по «b»;

Z_p = 0,75Z – при центрировании по диаметрам;

; .

Следует иметь в виду, что распределение контактных напряжений по высоте зуба, жестко связанного с валом, значительно равномернее, чем в шпоночных соединениях, но большое число зубьев обусловливает некоторую неравномерность распределения нагрузки между зубьями. Кроме этого, в результате деформации зубьев при закручивании вала, как и в шпоночных соединениях, существует неравномерность распределения нагрузки по длине зубьев.

Допускаемые напряжения можно принимать такими же, как и для ненапряженных шпоночных соединений.

Штифтовые соединения

Штифтовые соединения (рис. 2.14) используют в малонагруженных соединениях.

Рис. 2.14. Штифтовое соединение

Возможно как радиальное, так и осевое расположение штифтов (рис. 2.15)

Рис. 2.15. Радиальное и осевое расположение штифтов

Наряду с гладкими, часто для увеличения сил трения с сопрягаемыми поверхностями, используют штифты с насеченными канавками, вальцованные, резьбовые, а также выполняют разведение концов штифтов (рис. 2.16.).

Основные типы штифтов стандартизованы. Штифты цилиндрические и конические незакаленные изготавливаются соответственно согласно ГОСТ 3128-70 и ГОСТ 3129-70, цилиндрические и конические штифты с внутренней резьбой – ГОСТ 12207-79 и ГОСТ 9464-79. Незакаленные штифты изготавливают из стали марки 45, но по согласованию допускаются и другие марки материалов. Закаленные штифты изготавливают из углеродистых качественных или легированных сталей. Соединения деталей производят по переходным посадкам.

Расчет проводят по формулам, справедливым для заклепочного соединения.

а) б) в) г)

Рис. 2.16. Разведение концов штифтов

Сварные соединения

Сварные соединения – неразъемные соединения, использующие действие межатомных связей граничных слоев материала свариваемых деталей либо при их локальном или общем нагреве до расплавленного состояния и последующем остывании (сварка плавлением), либо при совместном пластическом деформировании нагретых или холодных стыков деталей (сварка давлением).

В настоящее время разработаны способы и осуществляется сварка всех конструкционных сталей, включая высоколегированные, цветных металлов и их сплавов, многих видов пластмасс.

Сварные соединения прочны, просты в исполнении, экономичны, наиболее точно воспроизводят форму проектируемого изделия, не внося в конструкцию дополнительных элементов и не утяжеляя ее.

К недостаткам сварных соединений относятся:

· наличие концентрации напряжений в месте расположения сварного шва, что особенно опасно в условиях переменного приложения нагрузки и при ударах;

· изменение механических свойств материала деталей вследствие нагрева в процессе сварки;

· возникновение остаточных деформаций из-за неравномерного прогрева материала деталей;

· вероятность скрытых дефектов (непровар, трещины, посторонние включения);

· сложность и высокая стоимость контроля качества сварного шва.

Классификация способов сварки (в настоящее время их известно около 70) осуществляется по различным признакам:

· по виду достижения деформации частей свариваемых деталей (плавлением – газовая, дуговая, электрошлаковая, плазменная; давлением без нагрева – холодная, взрывом; давлением с предварительным нагревом – контактная, кузнечная);

· по виду используемого источника энергии (электрическая, газовая, электронно-лучевая;

· по техническим признакам осуществления (способу защиты металла от окисления в зоне сварки – сварка под флюсом, в среде инертных газов; степени механизации сварки – ручная, полуавтоматическая, автоматическая; типу электрода – обыкновенного качества, повышенного).

Широко применяется в практике газовая сварка и электрическая – дуговая и контактная (стыковая, точечная, шовная) (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Схемы газовой (а), дуговой (б) и контактной сварки (в и г)

Характерная черта газовой сварки (плавный и медленный нагрев металла) определяет ее применение для сварки деталей малых толщин (обычно до 10 мм) из малоуглеродистых и легированных сталей, легко деформируемых цветных металлов и их сплавов, чугуна, неметаллических подверженных короблению деталей. Сварка происходит за счет плавления материала деталей и присадочного прутка под действием струи газового пламени высокой температуры, получающейся при сжигании ацетилено-кислородной, бензино-кисло­род­ной или водородно-кислородной смеси.

Электродуговая сварка основана на использовании электрической дуги, которая плавит металл деталей и стержень плавящегося электрода (электрод может быть и неплавящимся, например, из графита), образуя сварочную ванну. Сварка осуществляется следующим образом: к одному полюсу источника тока подсоединяется гибким проводом держатель электрода, к другому – свариваемое изделие. При прикосновении электрода к изделию зажигается дуга. При этом способе особенно необходима защита места сварки, поскольку при взаимодействии кислорода и азота воздуха с расплавленным металлом образуются окислы и нитриды, которые значительно снижают прочность сварного соединения.

Электрическая контактная сварка имеет второе название – сварка сопротивлением, так как электрический ток пропускают через место сварки, оказывающее наибольшее омическое сопротивление прохождению тока. Из-за этого и выделение теплоты в месте сварки наибольшее. Разогретые и обычно оплавленные детали далее сдавливаются усилием F – образуется сварное соединение. Сварка может быть точечной (электродами служат стержни) и шовной (электроды – вращающиеся диски). Электрическая контактная сварка допускает большую степень механизации и широко используется при сваривании деталей автомобилей, самолетов, в электронной и радиотехнической промышленности.

Типы сварных соединений

В зависимости от расположения свариваемых деталей различают соединения:

· стыковые;

· нахлесточные;

· тавровые;

· угловые;

· соединения точечной сваркой.

Разрушение изделия обычно происходит не по самому шву, а в переходной зоне – между швом и не изменённым по структуре материалом, так называемой зоне термического влияния. Сварные швы рекомендуют выполнять разнесёнными с концентраторами напряжений, так как швы сами являются источниками таковых. С целью снижения концентраций напряжений швы часто подвергают дополнительной механической обработке, удаляя наплавленный неоднородный верхний слой.

Стыковые соединения производят по торцам деталей (рис. 2.18). По прочности оно близко к прочности основного металла.

В зависимости от толщины свариваемых деталей сварку производят в один или два приема (односторонним или двухсторонним швом) и по-разному обрабатывают кромки деталей.

Без разделки односторонним швом с отбортовкой кромок соединяются листы тощиной s не более 4 мм (рис. 2.19а), двухсторонним – детали до 5 мм (рис. 2.19 б).

Рис. 2.19. Разделка кромок и производство сварки в один или два приема в зависимости от толщины свариваемых деталей

Рис. 2.18. Стыковое соединение

Y-образная разделка. Сварка двух­сто­ронним швом применяется при толщине деталей s = 3–60 мм (рис. 2.19 в).

X-образная разделка. Сварка двух­сто­­ронним швом применяется при толщине деталей s = 8–120 мм (рис. 2.19 д). Для такой разделки характерна разная толщина проплавления, что ухудшает качество шва.

U-образная разделка. Сварка применяется при S = 15–100 мм (рис. 2.19. г). Разделка по сравнению с другими более трудоёмкая и дорогая, но она обеспечивает почти одинаковую толщину проплавления и, следовательно, более качественное соединение. Сварка выполняется двухсторонним швом.

Двухсторонним швом производят сварку деталей, из которых одна с двумя скосами кромки, толщиной s = 8–100 мм (рис. 2.19 е).

При нахлесточном соединение детали лежат внахлест, т. е. частично перекрывают друг друга (рис. 2.20). Соединения выполняются валиковыми (угловыми) швами, которые имеют форму, близкую к равнобедренному треугольнику с катетами k и высотой h = k sin 45^о= 0,7 k. Из технологических соображений выбирают k=3 мм и более, обычно k = s.

Рис. 2.20. Нахлесточное соединение

В зависимости от расположения швов относительно внешней силы различают:

- фланговые, когда сила параллельна шву (рис. 2.21 а),

- лобовые, когда сила перпендикулярна шву (рис. 2.21 б),

- косые, когда сила наклонна относительно шва (рис. 2.21 в),

- комбинированные – выполнены произвольной комбинацией указанных выше швов (рис. 2.21 г).

Рис. 2.21. Виды швов в нахлесточном соединении

Тавровые соединения состоят из деталей, расположенных перпендикулярно по отношению друг к другу (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Тавровые соединения

Угловые соединения представляют собой разновидность тавровых, соединение деталей выполняется по боковым кромкам (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Угловые соединения

2.2.2. Расчёт на прочность стыковых сварных соединений

Это наиболее распространенная и экономичная конструкция. Стыковые сварные соединения (рис. 2.24) рассчитываются на те же напряжения, что и материал детали, расположенный вне зоны термического влияния сварного шва (структура материала, расположенного в зоне термического влияния, изменена в сторону ухудшения механических свойств).

Рис.2.24. Расчетная схема стыкового сварного соединения

Условие прочности шва:

, (2.10)

где – допускаемое напряжение на растяжение материала сварного шва, МПа;

А_ш – площадь опасного сечения шва, мм².

, (2.11)

, (2.12)

, (2.13)

где h – толщина наплавленного металла, мм.

Для снижения концентрации напряжений необходимо выполнить условие , поэтому соединения часто подвергают механической обработке (зачищают) и в расчётах после этого принимают ,

,

,

,

где – допустимое напряжение на растяжение для материала соединяемых деталей при статических нагрузках; – коэффициент пропорциональности, зависящий от вида сварного соединения, метода сварки и качества электрода (табл. 2.4); – коэффициент, учитывающий характер прикладываемой к сварному соединению нагрузки (см. табл. 2.5).

Таблица 2.4

Значения коэффициентов пропорциональности при допускаемых

напряжениях для сварных швов при статической нагрузке

Способ сварки и качество электрода	Значения коэффициентов К пропорциональности при допускаемых напряжениях для сварных швов
, МПа	, МПа	, МПа
Сварка ручная автоматическая электродами повышенного качества Э42А, Э50А, в защитной газовой среде, контактная стыковая			0,65
Сварка ручная электродами Обычного качества Э42, Э50. Газовая сварка	0,9		0,6
Контактная точечная	-	-	0,5

, (2.14)

где K_σ – эффективный коэффициент концентрации напряжений, выбираемый по таблице 2.5 в зависимости от вида сварного соединения; – коэффициент, учитывающий характер нагрузки.

. (2.15)