Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
«Кафедра «Конструирование машин и технологии обработки материалов»
ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Методические материалы и указания к лабораторным работам
Часть II
Пермь 2013 г.
Составитель: канд. техн. наук, профессор каф. КМиТОМ, А.И. Дегтярев, канд. техн. наук, профессор каф. КМиТОМ, Б.П. Свешников, канд. техн. наук, доцент каф. КМиТОМ, В.А. Москалев.
УДК 621.81.
Рецензенты: докт. техн. наук И.К. Березин, канд. техн. наук, доцент Б.Д. Мажов.
Детали машин и основы конструирования: метод. указания /сост. А.И. Дегтярев, Б.П. Свешников, В.А. Москалев.- ПНИПУ. Пермь, 2013. – 86.
В методических указаниях даны сведения о классификации, конструкции, материалах, основах расчета резьбовых и сварных соединений, используемых в машиностроении. Указана методика определения моментов трения в подшипниках качения в зависимости от режимов смазки.
Методические указания предназначены для студентов всех специальностей при выполнении лабораторного практикума по деталям машин и основам конструирования.
УДК 621.81.
© ФГБОУ ВПО
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет», 2013.
СОДЕРЖАНИЕ
|
Лабораторная работа №1 «Резьбовые соединения» |
4 |
|
Лабораторная работа №2 «Расчет и конструирование резьбовых соединений» |
35 |
|
Лабораторная работа №3 «Конструкции и расчет сварных соединений» |
59 |
|
Лабораторная работа №4 «Определение моментов трения в подшипниках качения в зависимости от режимов смазки» |
74 |
Резьбовые соединения
Цель работы - ознакомиться с назначением, конструкцией и особенностями применения резьбовых соединений.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Резьбовыми соединениями называют разъемные соединения деталей с помощью резьбы или резьбовых деталей (болт, винт, шпилька, гайка).
Резьба образуется путем нанесения на поверхность деталей вин товых канавок с сечением согласно профилю резьбы. Образованные таким образом выступы называют витками. Резьбу получают резанием, накатыванием, литьем и прессованием. Резьба бывает наружная и внутренняя. Она может быть нане сена на цилиндрической или конической поверхности, иметь правое или левое направление.
Если на поверхность детали наносят один винтовой выступ, резьбу называют однозаходной. При двух, трех и более винтовых выступах резьбу называют двух-, трех-, многозаходной.
Основные достоинства резьбовых соединений: высокая нагрузоч ная способность и надежность; удобство сборки и разборки; возмож ность точной установки соединяемых деталей при любом положении в пространстве; возможность фиксирования зажима в любом положе нии благодаря самоторможению; небольшие габариты и масса; большая номенклатура резьбовых деталей, приспособленных к различным эксплуатационным условиям.
Основной недостаток резьбовых соединений - высокая концент рация напряжений, что снижает их выносливость при действии пере менных напряжений.
За счет применения резьб с мелким шагом можно снизить вес конструкции. Эти резьбы применяются в динамически нагруженных деталях, в полых тонкостенных деталях, в деталях, где резьба применяется для регулировки.
У резьб с крупным шагом статическая несущая способность вы ше, чем у резьб с мелким шагом, влияние на прочность погрешностей изготовления и износа меньше.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗЬБЫ.
ТИПЫ РЕЗЬБ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Параметры резьбы
Резьбы определяются следующими основными параметрами:
- наружный (номинальный) диаметр резьбы d - диаметр цилинд ра, описанного относительно вершин наружной резьбы (или впадин внутренней резьбы);
- внутренний диаметр d1 - диаметр цилиндра, вписанного в верши ны внутренней резьбы (или впадины наружной резьбы);
- средний диаметр d2 - диаметр воображаемого цилиндра, поверх ность которого пересекает витки резьбы таким образом, что ширины впадин равны;
- шаг резьбы Р - расстояние между параллельными сторонами двух рядом лежащих витков, измеренное вдоль оси, Ph - ход резьбы, т.е. расстояние между одноименными сторонами одного и того же витка в осевом направлении;
- угол профиля α - угол между боковыми сторонами профиля, из меренный в осевой плоскости;
- угол наклона сторон профиля β - угол между стороной профи ля и перпендикуляром к оси резьбы. Для резьб с симметричным профи лем β = 0,5 α. Для резьб с асимметричным профилем (упорной или конической) угол наклона каждой стороны определяется незави симо;
- высота исходного треугольника Н - высота остроугольного профиля, полученного при продолжении боковых сторон профиля до их пересечения. Рабочая высота профиля Н1 - высота плоскосрезанно го теоретического профиля, равная полуразности наружного и внутрен него диаметров. Для метрических резьб Н = -0,866025 Р , Н1 = 0,54126 Р .
- угол подъема резьбы (винтовой линии)
,
где n0 - число заходов.
Для однозаходных резьб Рh = Р.
Типы резьб и их применение
По назначению резьбы делят на крепежные, ходовые, крепежно-уплотнительные.
Крепежные резьбы предназначены для скрепления деталей, их выполняют, как правило, треугольного профиля. Они имеют повышен ное трение, обеспечивающее меньшую опасность ослабления затяну той резьбы,
Крепежно-уплотнительные резьбы служат как для скрепления деталей, так и для предохранения от вытекания жидкостей. Про филь треугольный, но без радиальных зазоров и с плавными закруг лениями.
Ходовые резьбы служат для передачи движения (в ходовых и грузовых винтах). Для уменьшения трения эти резьбы выполняют трапецеидальными с симметричным и с несимметричным профилем (упорные). Применяют также резьбы с прямоугольным профилем.
МЕТРИЧЕСКАЯ РЕЗЬБА (рис. 1, а) является основной треуголь ной резьбой. Относится к крепежным резьбам. Имеет угол профиля α = 60°. ГОСТ устанавливает диаметры в диапазоне 0,25 ...600 мм и шаги 0,075 ... 6 мм. Метрические резьбы могут иметь крупный шаг (при диаметрах 0,25 ... 68 мм) и мелкий шаг (при диаметрах 1 ... 600 мм).
С уменьшением шага Р при данном наружном диаметре увеличи вается внутренний диаметр d1 и, следовательно, увеличивается площадь сечения и прочность нарезанного стержня.
ТРАПЕЦЕИДАЛЬНАЯ РЕЗЬБА (рис. 1, б) является резьбой для пе редачи движения (в ходовых и грузовых винтах). Трапецеидальная резьба имеет угол профиля α = 30°, Н = 0,5 Р. Она имеет меньшие потери на трение, чем треугольная резьба. Эта резьба стандарти зирована в диапазоне диаметров от 8 до 640 мм, выполняется с мел кими, средними я крупными шагами.
УПОРНАЯ РЕЗЬБА (рис. 1, в) относится также к резьбам для передачи движения, используется для витков с большой односторон ней осевой нагрузкой. Профиль витков - несимметричный трапецеи дальный. Угол наклона рабочей стороны профиля для повышения КПД, выбран равным 3°. Угол наклона нерабочей стороны профиля 30°, Н = 0,75 Р.
ТРУБНАЯ РЕЗЬБА (рис.1, г) служит для соединения труб и ар матуры трубопроводов; представляет собой мелкую дюймовую резьбу, в которой вместо шага задается число ниток на дюйм, а угол про филя равен α = 55°, Наружный диаметр измеряют в дюймах (1" = 25,4 мм), шаг задается числом ниток винтовой линии на 1" длины нарезанного стержня. Дюймовая резьба по номинальному диаметру изменяется в пределах 3/16 - 4", а число ниток на 1'' - в пределах 24-3. Резьбу выполняют с закруглениями профиля и без зазоров по выступам и впадинам для улучшения уплотнений. Трубная резьба крепежно-уплотнительная. За основной (номинальный) размер, характеризующий резь бы и указываемый в обозначении резьбы, принят условный внутренний диаметр трубы (проход в свету).
Рис. 1. Типы резьб и их основные параметры.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Наибольшее распространение среди резьбовых деталей имеют крепежные болты, винты, шпильки, гайки. Болт (рис. 2, а) и винт (рис. 2, б) - стержень с головкой и одним резьбовым концом. Шпилька (рис. 2, в) имеет два резьбовых конца.
Выбор типа соединения определяется прочностью материала соединяемых деталей, частотой сборки и разборки соединения в эксплуатации, а также особенностями конструкции и технологии изготовления соединяемых деталей.
а б в г
Рис. 2. Основные типы крепежных соединений.
Болты применяют для скрепления деталей небольшой толщины при наличии места для расположения головки болта и гайки, а так же для скрепления деталей из материалов, не обеспечивающих дос таточную прочность и долговечность резьбы. Их также можно приме нять при частом завинчивании и отвинчивании. Болты не требуют нарезания резьбы в детали. Возможна установка болтов без зазора. Их устанавливают в отверстия из-под развертки, как правило, с натягом (посадки H7/k6; H7/p6 ; H7/js6 ; Н9/f8; H8/u8). Увеличение натяга способствует повышению долговечности соединений при действии переменных нагрузок. Соединения с натягом более дорого стоящие и могут приводить к повреждению стенок отверстий (рис. 2, г).
Соединения винтом и шпилькой применяют для скрепления дета лей при наличии доступа монтажного инструмента с одной стороны (к гайке). При этом шпильки используют обычно для соединения деталей корпусов из материалов с невысокой прочностью (чугуна, алюминиевых и магниевых сплавов), а винты - для соединения дета лей корпусов из высокопрочных материалов (сталей и сплавов). В силовых конструкциях предпочтение отдают соединениям шпильками.
Для предотвращения повреждения поверхностей соединяемых деталей при завинчивании гаек под них подкладывают шайбы.
КОНСТРУКЦИИ ВИНТОВ
Стержни болтов (винтов) отличаются конструктивным разно образием. Наиболее распространенной является форма болта, пред ставленная на рис. 3,а. Болт (рис. 3, б) в отличие от предыдуще го имеет диаметр стержня несколько больше наружного диаметра резьбы. Такие болты устанавливают в отверстия корпусов без за зора. В ряде ответственных соединений для увеличения податли вости применяют полые болты (рис. 3,в) и болты со стержнем умень шенного сечения (рис. 3, г и д), имеющие центрирующие пояски под головкой (рис. 3, г) или посередине (рис. 3, д). Такие болты луч ше воспринимают переменные и ударные нагрузки.
Рис. 3. Конструкции болтов.
Для фиксирования деталей на валах и осях применяют устано вочные винты с резьбой по всей длине стержня и упорным наконечником (рис. 3, е - и).
По форме головки (рис. 4) винты подразделяют на захватываемые инструментом снаружи головки; захватываемые инструментом изнутри и с торца головки; препятствующие провороту.
Рис . 4. Конструкции винтов.
Головки с наружным захватом допускают наибольшую силу затяж ки, но требуют много места для поворота ключа. Наибольшее рас пространение получили шестигранные головки (рис. 4, а). В условиях частого завинчивания и отвинчивания применяют квадратные головки (рис. 4, е). Они допускают передачу больших моментов.
В условиях стесненных габаритов применяют винты с головками, имеющими на поверхности шлицы треугольного профиля (рис. 4, з). Эти головки требуют специальных торцовых ключей.
Головки с внутренним и торцовым захватом можно устанавли вать в углублениях на деталях, что способствует уменьшению габа ритов конструкций. Такие головки в зависимости от типа ключей выполняют с внутренним шестигранником под ключ (рис. 4, ж); со шлицами под обычную отвертку (рис. 4, б, д, в); с крестообразной шлицей (рис. 4, г).
Преимуществом винтов с внутренним шестигранником является то, что максимальный момент затяжки, допускаемый ключом, соот ветствует прочности винтов и поэтому при завертывании их нельзя оборвать. Головки под обычную отвертку применяют для винтов малых размеров и для малых сил затяжки.
Головки с крестообразным шлицем можно применять для цилинд рических и потайных головок.
ФУНДАМЕНТНЫЕ БОЛТЫ (рис. 5) служат для закрепления машин на фундаменте и выполняются в виде длинных стержней с резьбой на конце.
Рас. 5. Конструкции фундаментных болтов.
Болты для оборудования, не подлежащего перестановке, залива ют цементным раствором или зачеканивают сырым цементным порошком.
Ранее преимущественно применяли болты с отогнутым концом (рис. 5, а) для лучшего сцепления с фундаментом.
В настоящее время широко применяют прямые болты из армату ры периодического профиля (рис. 5, б) и конические болты (рис. 5, в).
Для переставляемого оборудования при больших динамических нагрузках применяют анкерные болты (рис. 5, г), захватывающие своими головками анкерные плиты, которые заливают в фундамент. Эти болты допускают возможность их выемки без разрушения фунда мента.
Для переставляемого оборудования используют также болты с цангами (рис. 5, д). Цанга состоит из нескольких конических секторов, соединенных между собой упругим кольцом или проволокой. При затя гивании болтов цанга расклинивается.
КОНСТРУКЦИИ ШПИЛЕК
Шпильки (рис. 6) применяют в тех случаях, когда в конст рукции соединения нет места для головки болта или невозможно просверлить сквозное отверстие под болт. Шпильку используют также в тех случаях, когда материал соединяемых деталей не обес печивает достаточной долговечности резьб при частых сборках и разборках (аллюминиевые или магниевые сплавы, серый чугун). По садку шпилек в глухие отверстия корпуса можно осуществлять по сбегу резьбы, с упором в дно отверстия или на опорный буртик. В основном используют метрическую резьбу с полем допуска 6d; 6е.
Рис. 6. Конструкции шпилек.
Конструкции жесткой шпильки (рис. 6, а) со стержнем диамет ром, равным диаметру резьбы, применяют только для коротких шпи лек. К недостаткам такой шпильки относят жесткость и большую массу.
Для увеличения сопротивления усталости шпильки в соедине ниях, подверженных повышенным циклическим нагрузкам, вводят разгружающие выточки и шейки (рис. 6, б) на участках перехода от резьбы к гладкой части стержня. С этой же целью можно при менять полые шпильки (рис. 6, д).
Часто применяют облегченные шпильки (рис. 6, в) с уменьшен ным диаметром стержня, равным внутреннему диаметру резьбы или меньшим его. Их преимущества заключаются в равнопрочности шпиль ки в нарезанной и гладкой частях, податливости, меньшей массе.
При завертывании шпильки в корпус из низкопрочного мате риала необходимо в шпильке создать рабочее напряжение большее, чем в корпусе. Это достигается использованием конструкции шпильки (рис. 6, г), завертываемой с упором в торец корпуса.
КОНСТРУКЦИИ ГАЕК И ШАЙБ
Основным типом гаек являются шестигранные (рас. 7,а). Высо та нормальных гаек 0,8 d. При частом завинчивании и отвинчивании и больших силах применяют высокие (высота 1,2d) и особо высо кие (высота 1,6d) гайки.
Рис. 7. Конструкции гаек и шайб.
Гайки, подлежащие стопорению с помощью шплинтов, выполняют корончатыми или прорезными, обычно с увеличенной общей высотой (рис. 7, б).
В случае опасности вытекания жидкости применяют герметизи рующие гайки (рис. 7, в).
В условиях относительно малых нагрузок преимущественно для фиксирования подшипников на валах применяют круглые установоч ные гайки со шлицами (рис. 7, г).
Гайки, часто завинчиваемые и отвинчиваемые при малой потреб ной силе затяжки, выполняют в виде барашка (рис. 7, д) или с на каткой (рис. 7, е).
Шайбы (рис. 7, ж) предназначены для предохранения при затяжке болтов или гаек от повреждений чисто обработанных участков поверх ностей соединяемых деталей и обеспечения правильной установки го ловки болта или гайки при не перпендикулярной поверхности детали относительно стержня болта.
Изготовляемые по ГОСТ 11371-78 круглые шайбы (в виде сплош ного кругового кольца) выпускают в двух исполнениях: исполнение 1 - без фасок и исполнение 2-е фаской.
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СТОПОРЕНИЯ РЕЗЬБ
При действии переменной нагрузки, вибрациях, сотрясениях возможно самоотвинчивание резьбовых деталей. Для предупреждения этого явления применяют стопорящие устройства (рис. 8), работа которых основана на создании дополнительного трения, использо вании специальных запирающих элементов - шплинтов, шайб, приме нении пластического деформирования или приварки после затяжки.
На рис. 8, а представлен способ стопорения резьбы контргай кой, т.е. второй гайкой. После затягивания контргайка воспринима ет основную осевую нагрузку, а сила затяжки и сила трения в резьбе основной гайки ослабляется. Существуют самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы в результате пластического обжатия (после нарезания резьбы) верхней части гайки на эллипс (рис. 8, б) или при выполнении нескольких радиальных прорезей на круг (рис. 8, в). Самоконтрящиеся гайки выполняют также с завальцованными пластмассовыми (полиамидными) стопорными кольцами (рис. 8, г). Резьба в кольцах образуется при навинчивании на винт, причем обеспечиваются большие нормальные силы и силы трения между вин том и кольцом. Вместо кольца можно применять пробку из полиамида (рис. 8, д). Способность стопорения при этом сохраняется после большого числа сборок и разборок.
Рис. 8. Конструкции стопорящих устройств.
Широко употребляют пружинные шайбы (рис. 8, ж), обеспечиваю щие вследствие упругости шайбы сохранение сил трения в резьбе при колебаниях осевой нагрузки. Недостатком этих шайб является некоторое смещение нагрузки. Данного недостатка лишены осесимметричные пружинные шайбы с несколькими отогнутыми усиками (рис. 8, з).
В конструкциях, подверженных спокойной нагрузке, применяют стопорение резьбы посредством специального винта через медную или свинцовую прокладку (рис. 8,и).
На рис. 9 представлены способы стопорения специальными эле ментами.
На рис. 9, а показано стопорение шплинтом (стержнем, согну тым из проволоки полукруглого сечения). Выпадению шплинта в одну сторону препятствует петля на сгибе, а в другую - разведенные концы. Сила затяжки в этом случае должна регулироваться ступен чато.
Рис. 9. Способы стопорения специальными элементами.
Стопорения гайки или головки винта по отношению к детали можно достичь стопорными шайбами (рис. 9, б) с лапками, одну из которых отгибают по грани, а две других - по грани гайки.
Для стопорения гаек со шлицами, употребляемых при регулиров ке и креплении подшипников качения на валу, применяют стопорные шайбы с лапками (рис. 9, в).
Гайки и головки болтов в групповых соединениях можно сто порить обвязкой проволокой через отверстия с натяжением прово локи в сторону затягивания резьбы (рис. 9, г).
При очень редкой разборке возможно стопорение пайкой. Если соединение совсем не требует разборки в эксплуатации, применяют стопорение пластическим деформированием или приваркой, которая превращает соединение в неразъемное.
ТОЧНОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ ДЕТАЛЕЙ, ОБОЗНАЧЕНИЕ ДОПУСКОВ И ПОСАДОК РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Допуски для диаметров резьбы болтов и гаек определяют е зависимости от степени точности. Для диаметров болта приняты следующие степени точности: d - 4, 6, 8; d2 – 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10*. Для диа метров гайки: D1 - 4, 5, 6, 7, 8; D2 -. 4, 5, 6, 7, 8, 9* (знаком * отмечены степени точности только для резьб на деталях из пластмасс).
Допуски диаметров d1 и D не устанавливаются.
Обозначение поля допуска диаметра резьбы состоит из цифры, показывающей степень точности, и буквы, означающей основное от клонение.
Пример обозначения полей допусков резьбы с крупным шагом: болт М10-6d, гайка М10-6Н; резьбы с мелким шагом: болт М10х1-6d; гайка М10х1-6Н.
Посадки резьбовых деталей обозначают дробью, в числителе ко торой указывают обозначение поля допуска гайки, а в знаменателе - обозначение поля допуска болта. Пример: М10-6Н/6d; М10 1-6Н/6d.
В зависимости от требований, предъявляемых к точности резь бовых соединений, поля допусков резьбы болтов в гаек установлены в трех условных классах точности (знаком * отмечены поля допусков предпочтительного применения).
|
Класс |
Точный |
Средний |
Грубый |
|
Болт |
4h |
6h; 6g*; 6е; 6d |
8h; 8d* |
|
Гайка |
4Н; 5Н* |
5Н6Н; 6H*; 6G |
7Н*; 7G |
(В случае двойного обозначения поля допуска первое относится к среднему диаметру, а второе - к наружному для винтов или внутрен нему для гаек. Пример: М12-5Н6Н).
КЛАССЫ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛЫ РЕЗЬБОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
Стальные болты, винты и шпильки изготовляют 12 классов проч ности: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 10.9; 12.9, 14.9. Класс прочности обозначается двумя числами. Первое число, умноженное на 100, определяет величину минимального значения предела проч ности в МПа; второе число, деленное на 10, определяет отношение предела текучести к пределу прочности; произведение двух чисел, умноженное на 10, определяет величину предела текучести в МПа.
Для гаек установлены классы прочности: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14. Число, обозначающее класс прочности, умноженное на 100, дает пре дельное напряжение в МПа (табл. 1).
Таблица 1
Механические характеристики углеродистых и легированных сталей (при нормальной температуре) применяемых для изготовления болтов, винтов и гаек
|
Болты |
Гайки |
||||
|
класс проч ности |
марка стали |
класс проч ности |
марка стали |
МПа |
|
|
3,6 |
СтЗкп, СтЗсп, 10, 10кп |
4 |
СтЗкп, СтЗсп |
300…400 |
200 |
|
4,6 |
20 |
5 |
10, 10кп, 20 |
400…550 |
240 |
|
4,8 |
10, 10кп |
320 |
|||
|
5,6 |
30, 35 |
300 |
|||
|
5,8 |
10**, 10кп** ,20, 20кп, СтЗсп, СтЗкп |
6 |
Ст5, 15, 15кп, 35 |
500…700 |
400 |
|
6,6 |
35, 45, 40Г |
360 |
|||
|
6,8 |
20, 20кп |
8 |
20, 20кп, 35, |
600…800 |
480 |
|
6,9 |
20, 20кп |
45 |
540 |
||
|
8,8 |
35***, 35Х, 38ХА, 45Г |
10 |
35Х, 39ХА |
800…1000 |
640 |
|
10,9 |
40Г2, 40Х, 30ГСА, 16ХСШ |
12 |
40Х, ЗСХГСА, 16ХС |
1000…1200 |
900 |
|
12,9 |
ЗОХГСА |
14 |
ЗОХГСА |
1200…1400 |
1080 |
|
14,9 |
40ХН2МА |
40ХН2МА |
1400…1600 |
1260 |
Углеродистую сталь обыкновенного качества применяют для не ответственных или малоответственных крепежных резьбовых деталей без термообработки. Сильно напряженные винты из легированных ста лей, а также среднеуглеродистой качественной стали подвергают улучшению или закалке.
Повышение прочности и значительное снижение масс резьбовых соединений достигается при изготовлении крепежных резьбовых де талей из титановых сплавов (ВТ14, ВТ16).
При ограниченных габаритах выбирают резьбовые детали высоких классов прочности, что приводит к снижению массы узла. При возмож ности возникновения перекосов опорных поверхностей применяют бол ты из стали повышенной пластичности.
Для крепежных деталей предусмотрены в зависимости от темпе ратур эксплуатации, покрытия и оксидные пленки (табл.2).
Таблица 2
Виды покрытий крепежных деталей
|
Обоз-на-чение |
Покрытие |
Рабочая температура t, °С |
Обоз-на-чение |
Покрытие |
Рабочая темпера тура t, °С |
|
00 |
Без покрытия |
07 |
Оловянное |
150 |
|
|
01 |
Цинковое с хроматированием |
300 |
08 |
Медное |
600 |
|
02 |
Кадмиевое с хроматированием |
200 |
09 |
Цинковое |
200 |
|
03 |
Многослойное медь-никель |
600 |
10 |
Оксидное анодизацион-ное с хрома-тированием |
200 |
|
05 |
Оксидное |
200 |
12 |
Серебряное |
600 |
|
06 |
Фосфатное |
200 |
13 |
Никелевое |
900 |
Толщину покрытий устанавливают в зависимости от шага резь бы в пределах от 3 до 12 мкм.
СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Обозначение деталей
Обозначение крепежных деталей на чертежах и в других конст рукторских документах устанавливает ГОСТ 1759.0-87. Запись условно го обозначения крепежной детали выполняют в следующем порядке:
1 - наименование детали; 2 - вид исполнения (исполнение 1 не указывают); 3 - диаметр резьбы; 4 - шаг резьбы (указывают только мелкий шаг); 5- поле допуска (для класса точности 3 не указывают); 6 - длина стержня (для гаек этот показатель опус кают); 7 - класс или группа прочности; 8 - указание о примене нии спокойной стали; 9 - вид покрытия (вид покрытия 00, т.е. без покрытия, в обозначении не указывают); 10 - толщина покрытия; 11 - номер стандарта на изделие.
Пример условного обозначения болта с шестигранной головкой исполнения 2, повышенной точности, с диаметром резьбы d = 12 мм, мелким шагом резьбы 1,25 мм и полем допуска 6d, длиной l = 60 мм, класса прочности 10.9 из стали 40Х, с покрытием цинковым с хроматированием, толщиной 6 мкм:
Болт 2 М12 х 1.25 – 6d х 60.10.9.40Х.016 ГОСТ 7805-70.
Обозначение стандартизированной резьбы
1. МЕТРИЧЕСКАЯ РЕЗЬБА (ГОСТ 9150-2002).
В условное обозначение входит буква М, значение наружного диаметра (мм), поле допуска, а также значение шага (для резьб с мелким шагом) и длина свинчивания (мм), если она отличается от нормальной.
Обозначение поля допуска резьб состоит из обозначения поля допуска среднего диаметра, помещаемого на первом месте, и обозначения поля допуска диаметра выступов. Если поле допуска диаметра выступов совпадает с полем допуска среднего диаметра, то его в обозначении поля допуска резьбы не повторяют.
Наибольшее распространение имеют поля допусков: для на ружной резьбы – 6d и 8d, для внутренней - 6Н и 7Н.
Примеры условного обозначения резьбы:
- наружный диаметр 12 мм, с крупным шагом, с полем допуска 6d: М12-6d;
- внутренний диаметр 12 мм, с шагом 1 мм, с полем допуска 6Н, левой (обозначается LH), с длиной свинчивания 11 мм: М12х1LН-6Н-11;
- внутренний диаметр 12 мм, с крупным шагом, с полем допус ка среднего диаметра 5Н и нолем допуска внутреннего диаметра 6Н: М12-5Н6Н.
2. ТРАПЕЦЕИДАЛЬНАЯ РЕЗЬБА (ГОСТ 9484-81 и ГОСТ 24739-81).
В обозначение входят буквы Tr, наружный диаметр (мм), шаг (мм) и поле допуска.
В тех случаях, когда поле допуска наружного (внутреннего) диаметра отлично от поля допуска среднего диаметра, то его дополнительно указывают в обозначении поля допуска резьбы. Для многозаходных резьб в скобках проставляют условное обозна чение шага - буква Р и значение шага (мм).
Примеры условного обозначения резьбы:
- номинальный диаметр 40 мм, однозаходная с шагом 6 мм, наружной: Тr 40х6-7е.
- номинальный диаметр 40 мм, трехзаходная с шагом 6 мм, внутренней, левой, со значением хода 18 мм: Tr 40х18(Р6)LН-8Н.
3. ТРУБНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ РЕЗЬБА (ГОСТ 6357-81).
В условное обозначение входит буква G , номинальный диаметр резьбы (дюймы) а класс точности среднего диаметра. Для трубной цилиндрической резьбы установлены два класса точности - А и В.
Пример условного обозначения трубной цилиндрической резь бы с размером резьбы 1 класса точности А, левой: G-1 LH-A.
4. УПОРНАЯ РЕЗЬБА (ГОСТ 10177-82).
В условное обозначение входит буква S, значения (мм) номи нального диаметра и шага, буквы LH - для левой резьбы, значе ния хода для многозаходной резьбы.
Основные отклонения: для наружной резьбы - h, для внутрен ней - AZ.
Примеры условного обозначения упорной резьбы:
- номинальный диаметр 80 мм, шаг 16 мм, наружной с полем допус ка 7h: S80х16-7h;
- номинальный диаметр 80 мм, шаг 16 мм, наружной с полем до пуска 7h, двухзаходной со значением хода 20 мм, левой: S80x20 (Р16)LН -7h;
- номинальный диаметр 80 мм, шаг 16 мм, внутренней с полем до пуска 7АХ и длиной свинчивания, отличней от нормальной - 250 мм:
S 80 х 16-7АZ - 250.
Обозначение шайб
В условное обозначение шайб входят: слово "шайба", вид ис полнения (исполнение 1 не указывают), диаметр стержня крепеж ной детали, условное обозначение группы материала, условное обозначение покрытия и его толщина, номер ГОСТа на шайбу.
Материалы, применяемые для изготовления шайб, делят на виды, условно обозначаемые цифрами: углеродистые стали - 0, легированные стали - 1, нержавеющие стали - 2, цветные металлы и сплавы - 3.
Каждый вид имеет несколько групп - 01 - стали: 08, 08кп, 10, 10кп; 02 - стали СтЗ, СтЗкп; 03 - сталь 15; 11 - легирован ные стали: 40Х, ЗОХГСА; 32 - латуни марок: Л63, ЛС59-1.
Пример условного обозначения шайбы круглой, исполнения 2, для болта с диаметром стержня 12 мм, из материала группы 01, покрытие 09 (цинковое), толщина покрытия 9 мкм: Шайба 2.12.01.099 ГОСТ 11371-78.
КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ВЫНОСЛИВОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ.
ПРАВИЛА КОНСТРУИРОВАНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Основная причина выхода из строя резьбовых соединений - разрушение резьбовых деталей или их элементов.
Чаще всего разрушение происходит по первому или второму рабочим виткам; реже - в области сбега резьбы и в подголовных сечениях.
Для повышения надежности и долговечности резьбовых соедине ний необходимо уменьшать концентрацию напряжений, добиваться более равномерного распределения нагрузки между резьбовыми дета лями, повышать их выносливость.
Затяжка резьбовых соединений
Опыт эксплуатации машин показывает, что надежная работа резьбовых соединений в значительной мере определяется правиль ностью их затяжки.
Затяжку характеризуют радом показателей:
1) величиной усилия предварительной затяжки и степенью ее обоснованности. Этот показатель назначает конструктор из усло вия прочности ила плотности соединения;
2) точностью реализации затяжки на одиночном соединении, равномерностью затяжки групповых соединений. Эти показатели зависят от допуска на усилие затяжки и реализуются в процессе сборки разными методами
3) стабильностью затяжки соединений. Напряжения затяжки резьбовых соединений, образовавшееся при сборке, снижается в процессе эксплуатации. При этом может нарушаться нормальная ра бота машины, происходят поломки резьбовых деталей. Сохранение напряжения предварительной затяжки в процессе эксплуатации обес печивают правильным выбором усилия затяжки, способа стопорения.
Контроль величины усилия (напряжения) затяжки в ответствен ных резьбовых соединениях осуществляют следующими способами:
а) по удлинению стержня болта. При прямом измерении удли нения стержня торцы болта, контактирующие с измерительным инст рументом, делают либо плоскими шлифованными, либо выполняют центровые конические отверстия под сферические наконечники инст рументов;
б) контроль с помощью тензодатчиков (тензорезисторов). При меняют проволочные или фольговые тензодатчики, наклеиваемые на гладкую поверхность болта или заливаемые в центральные отверс тия;
в) контроль усилия по моменту затяжки. Ручную затяжку резь бовых соединений осуществляют тарированными ключами: динамомет рическими и предельными. Крутящий момент в динамометрических ключах определяют в каждый момент времени при помощи специальных устройств (упругих элементов), измеряющих, как правило, угол поворота или перемещение деформируемой (изгибаемой или скручива емой) рукоятки ключа относительно другого ненагруженного стержня, также связанного с головкой ключа.
Работа предельного ключа основана на принципе ограниче ния величины момента затяжки. Для этого в конструкции ключей предусмотрены отжимные муфты или фрикционное ограничение. При достижении заданного момента затяжки ключ отключается.
При использовании полуавтоматических и автоматических резьбозавертывающих машин затяжку контролируют (по аналогии с пре дельными ключами) с помощью встраиваемых предельных устройств (кулачковых, фрикционных муфт), которые выключают гаечные голов ки после достижения заданной величины крутящего момента затяжки.
Способы снижения концентрации нагрузки и напряжений
В резьбовых соединениях нагрузка между витками резьбы распределяется неравномерно. Первые витки резьбы, расположен ные у опорной поверхности гайки, нагружены больше, чем последую щие. Поэтому для увеличения прочности и выравнивания нагрузки между витками применяют следующие способы:
а) увеличивают диаметр резьбы нарезанной части гайки и стержня;
б) применяют гайки, работающие на растяжение (рис. 10, а), на растяжение-сжатие (рис. 10, б). Для получения большей равномернос ти распределения нагрузки по виткам резьбы можно делать выборку на торце стержня (рис. 10, в), увеличивающую податливость верхних витков стержня;
в) используют коррекцию шага (шаг резьбы гайки делают на несколько микрометров больше шага резьбы стержня). По мере при ложения нагрузки в результате растяжения стержня и сжатия гайки витки стержня последовательно садятся на витки гайки;
Рис. 10. Способы снижения концентрации нагрузки и напряжений.
г) выполняют резьбы в гайках с небольшой конусностью (рис. 10, г);
д) делают гайки с разгружающими выточками у нижних витков (рис. 10, д). При этом увеличивается податливость нижних витков и обеспечивается обжатие верхних витков силами, действующими на опорную поверхность гайки при затяжке.
Для снижения напряжений в витках болта рекомендуется вы полнять впадины между витками с плавными галтелями. Для снижения уровня напряжений в резьбе выгодно увеличивать диаметр резьбы, а для повышения упругости и ударопрочности болта, а также для снижения массы одновременно уменьшать диаметр стержня до полу чения одинаковой прочности резьбы и стержня. Прочность стержня винтов повышают плавными переходами у головки и у сбега резьбы (рис. 11). Радиус переходной поверхности у головки винта целесо образно выбирать равным или большим 0.2 d, а на участке, примыка ющем к цилиндрической части стержня, - 0.5 d.
Рис. 11. Винт с повышенной прочностью стержня.
Способы уменьшения напряжений изгиба
Напряжения изгиба, появляющиеся в резьбовом соединении при перекосе опорных поверхностей деталей, опорных поверхностей гайки и головки болта, а также из-за упругих деформаций соединя емых деталей, складываются с напряжениями растяжения от пред варительной затяжки. Возникает сложное напряженное состояние, прочность болта резко падает.
а б в г
Рис. 12. Способы уменьшения напряжений изгиба.
Для уменьшения напряжений изгиба повышают точность изго товления деталей либо применяют специальные меры (рис. 12):
а) если опорная поверхность имеет конструктивный уклон, то обязательно применение косых либо сферических шайб (рис.12, а, б);
б) для предупреждения внецентренного нагружения плоские тор цы нажимных и грузоподъемных винтов следует заменять сферически ми (рис. 12, в);
г) при консольном нагружении, когда высокие нагрузи на участке заделки стержня вызывают изгиб стержня и смятие витков, целесообразно стержень снабжать цилиндрическим пояском (рис.12, г), плотно входящим е отверстие корпуса и тормозящего поперечные деформации и смешение стержня.
Способы увеличения сопротивления усталости
Около 90% разрушений резьбовых деталей носит усталостный характер, что объясняется влиянием концентраторов напряжений.
Амплитуда действующих напряжений может быть уменьшена за счет уменьшения жесткости болта. Это можно достичь, путем удли нения болта (рис. 13, а), уменьшением диаметра ненарезанной час ти стержня (рис. 13, б), применением пустотелых болтов (рас.13, в), нанесением продольных канавок на стержне болта (рис. 13, г).
Рис. 13. Конструктивные пути уменьшения выносливости болтов.
Амплитуда цикла можно уменьшить также путем увеличения жесткости сопрягаемых деталей за счет уменьшения числа стыков я шероховатости сопряженных поверхностей.
Выносливость можно повысить увеличением радиуса закругле ния во впадинах резьбы.
Выносливость можно также повысить за счет накатки резьбы и обкатки впадин после нарезания. Обкаткой роликом впадин резь бы удается повысить предел выносливости резьбовых деталей в 2...3 раза.
Разгрузочные устройства
Для уменьшения воздействия на резьбовые детали отрывающих сил, отжимающих сил, возникающих по поверхностях контакта де талей, монтажных сил, вызывающих перегрузки винтов при затяжке, применяют специальные разгрузочные устройства в виде шпонок, штифтов, втулок, зубьев (рис. 14).
Рис. 14. Конструкции разгрузочных устройств.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться по методическому указанию с назначением и классификацией резьбовых соединений, их конструкцией и условными обозначениями.
2. По заданию преподавателя провести замер основных парамет ров предложенного крепежного изделия, составить спецификацию. Дать характеристику этого изделия и область его применения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Расшифруйте условные обозначения резьбы:
М12-6g
М12-6Н
М12 х1 - 6H
М12 х 1 - 6Н/6g
M12 - 5Н6Н
Тr 20 х 8 (Р4) - 8е
Тг 40 x 6-7Н
Тr 40 х 6(Р3) LН - 7е
Тr 20 х 8(Р4) - 8Н/8е
G 1/2 L Н - В
S80 х 10 - 7h
S80 х 10 LН - 7AZ
S80 х 20( Р10) LН – 7
S80 х 10 - 7h - 120
Болт 2 М12 х 1.25 - 6g х 60.5.8.40X.029 ГОСТ 7798-70
Шпилька 2 М16 х 1.5 - 8g х 120.10.9.40Х.026 ГОСТ 22034-76
Гайка 2 М12 х 1.25 - 6Н.12.40Х.016 ГОСТ 5915-70
Шайба 12.01.08кп.016 ГОСТ 13371-78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Расчет и конструирование резьбовых соединений
Цель работы - изучение конструкций и методов расчета на прочность резьбовых соединений.
Технические средства: натурные образцы соединений или чертежи резьбовых соединений; мерительный инструмент.
Исходные данные: задание.
КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
И РАСЧЕТ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ [1, 2, 3]
Опыт эксплуатации машин, аппаратов и приборов показал, что отказы соединений обычно происходят из-за разрушения резьбовых деталей и разгерметизации (раскрытия) стыков.
Разрушение соединений, выполненных стандартными резьбовы ми деталями происходит, как правило, из-за поломок болтов и шпи лек по резьбовой части. Реже встречаются поломки болтов под го ловкой и срез емкое резьбы в гайке (корпусе) и на болте (винте, шпильке).
Потеря плотности стыков происходит, как правило, из-за недостаточной силы предварительной затяжки резьбовых деталей.
Таким образом, прочность резьбовых деталей и плотность соединения являются основными критериями работоспособности резьбовых соединений.
При всем многообразии конструкций резьбовых соединений и действующих на них внешних нагрузок (силы, моменты) в подавляющем большинстве расчет ведут по одной из трех расчетных схем одиноч ного соединения.
1. Болт (винт) установлен в отверстиях соединяемых деталей без зазора по посадке в отверстие (рис. 1, а), калиброванное раз верткой. Рекомендуется посадка Н9/h8, H7/js6, Н7/k6, H7/m6, а при переменных нагрузках Н8/р6. Шероховатость поверхностей Ra ≤ 1,6 мкм.
Соединение нагружено поперечной силой F, сдвигающей соеди няемые детали. Разрушение может произойти в результате среза стержня болта в сечениях, лежащих в плоскости стыка деталей, а также смятия стенок отверстия или болта.
а б
где - меньшая из длин поверхностей болта, работающих на смятие. Для конструкции, изображенной на рис. 1, а,
- допускаемые напряжения смятия, МПа.
Область применения таких соединений ограничена в основном соединениями тонкостенных деталей по технологическим соображениям. Сложность изготовления беззазорного соединения в условиях произ водства вынуждает устанавливать болты (винты) с небольшими натяга ми (до 0,015), что существенно удорожает сборку соединения.
2. Болт (винт) установлен в отверстия соединяемых деталей с зазором (рис. 1, б).
Для исключения смещения деталей под действием внешней попе речной силы F должно быть выполнено условие
(3) где - сила трения на поверхностях стыка деталей,
(4)
где - коэффициент трения в стыке деталей (для стальных дета лей f = 0,18-0,20; для чугунных деталей и деталей из легких сплавов f = 0,15-0,20);
- усилие затяжки болта (винта);
n - число стыков соединяемых деталей. Из решения (3) и (4) требуемое усилие затяжки
где - коэффициент запаса сцепления при статической нагрузке = 1,3 - 1,5; при переменной нагрузке = 1,6 - 2,0. Стержень болта (винта, шпильки) рассчитывают на растяжение с учетом скручивания при затяжке.
Расчетная нагрузка
Условие прочности болта
|
(5) |
где - внутренний диаметр резьбы.
3. При действии внешней нагрузки, перпендикулярной стыку (рис. 2), расчетное усилие из условия нераскрытия стыка
, (6)
a б
Рис. 2. Резьбовое соединение при действии внешней нагрузки,
раскрывающей стык, выполненное шпилькой (а) и винтом (б)
где F - внешняя нагрузка на резьбовую деталь;
V - коэффициент запаса по плотности стыка (V = 1,25-2 при F = const, V = 2,5-4 при F ≠ const );
χ - коэффициент внешней нагрузки,
, (7)
где , - осевые податливости соединяемых деталей и деталей системы болта соответственно.
Для болтов (винтов) переменного сечения податливость деталей системы болта [I]
, (8)
где - длина i-го участка болта;
- модуль упругости материала болта ( = 2,1*105 МПа для стали);
- площадь поперечного сечения i-го участка болта. Для участка с резьбой площадь поперечного сечения опреде ляется по среднему диаметру - ;
- податливость резьбы,
, (9
где Р - шаг резьбы;
d, - номинальный и средний диаметр резьбы;
Е - приведенный модуль упругости материалов болта и гайки (корпуса для соединения винтом),
где - модуль упругости материале гайки (корпуса); - податливость головки болта (винта),
,
где h - высота головки.
Податливость шайбы
|
(10) |
где и - соответственно наружный и внутренний диаметры шайбы; - толщина шайбы.
Для шпилек (рис. 2, а) податливость определяют по формуле (8), в которой вместо подставляют податливость резьбового соеди нения шпилька-корпус, которую подсчитывают по формуле (9).
Податливость соединяемых деталей определяют в предположе нии, что они деформируются в пределах так называемого конуса дав ления (рис. 3). На основании данных экспериментальных исследо ваний tgα = 0,4 - 0,5.
Податливость детали в пределах одного конуса [1]
|
(11) |
где S - размер под ключ для шестигранной гайки (головки), диаметр опорной поверхности круглой гайки (головки) или наружный диаметр шайбы;
- диаметр отверстия под болт;
- толщина детали;
С - числовой коэффициент, С = 1 для одной детали. Для случая, когда болт соединяет две детали с одинаковым модулем упругости, С = 2, а = l/2 (где l - сум марная толщина соединяемых деталей) (рис. 3, а).
а б
Рис. 3. Конусы давления в соединениях болтом (а) и шпиль кой (б)
При наличии прокладки между соединяемыми деталями податливость деталей
|
|
(12) |
где - податливость деталей (фланцев) по формуле (11);
- податливость прокладки,
|
(13) |
где - толщина прокладки;
- модуль упругости материала прокладки;
- площадь прокладки;
l - толщина детали, l = min{l1, l2}.
При мягкой прокладке (например, резиновой) , при чем податливость прокладки определяют по всей площади прокладки, приходящейся на один болт (винт, шпильку). По расчетной нагруз ке, подсчитанной по (б), стержень болта (винта, шпильки) рассчи тывают на растяжение с учетом скручивания по условию прочности (5).
Порядок проведения работы
Класс прочности резьбовых деталей выбирают в зависимости от степени ответственности соединения, назначения, требований к габаритам, массе и условий работы соединения.
При возможных перекосах опорных поверхностей головки и гай ки следует выбирать болты из сталей повышенной пластичности. При жестких требованиях к массе и габаритам изделия выбирают резь бовые детали высоких классов прочности.
Для работы при высоких температурах, в коррозионных и агрессивных средах резьбовые детали изготовляют из жаропрочных и коррозионно-стойких сталей с высоким содержанием хрома или хрома и никеля.
Для всех соединений, кроме соединения, г котором болт установлен в отверстие без зазора (см. рис. 1, а) допускаемые на пряжения
|
, |
где - предел текучести материала болта;
[S]- допускаемый коэффициент запаса прочности: при затяжке, контролируемой динамометрическим ключом [S] = 1,6 - 2,0; при затяжке, контролируемой замером деформации бол та [S] = 1,3 - 1,5; при неконтролируемой затяжке
|
, (14) |
где К = 1 для болтов из углеродистых сталей;
К = 1,25 для болтов из легированных сталей;
- расчетная нагрузка на болт, Н (если > 70000 Н, то = =70000 Н).
Для болтов без зазора (задание № 1) допускаемые напряже ния среза:
при постоянной внешней нагрузке = 0,4 ,
при переменной - = (0,2 - 0,25) .
Для болта без зазора по ГОСТ 7817-80 (приложение 4) выбрать ближайший больший и выписать в протокол d, , S, Н, D, r и параметры резьбы.
а) длина стержня болта
,
где - суммарная толщина соединяемых деталей;
- толщина шайбы;
- высота гайки;
a - запасы резьбы болта на выходе из гайки, a = 2С;
С - высота фаски резьбового конца стержня, С = 0,15d;
- толщина прокладки;
б) длина винта (см. рис. 2, б)
,
где - длина ввинчиваемого конца винта:
= d при ввинчивании в деталь из стали, титановых сплавов, бронзы, латуни;
= 1,25d при ввинчивании в чугун;
= (2,0 – 2,5)d при ввинчивании в деталь из алюми ниевых, магниевых и других легких сплавов.
в) длина шпильки (см. рис. 2, а)
,
11.1. Задание №1 (болты с зазором).
11.1.1. Определить запас статической прочности
|
|
(15) |
где - эквивалентные напряжения в стержне болта от растяжения
и кручения,
|
|
(16) |
где - осевая растягивающая сила;
- момент сил сопротивления в резьбе;
где - угол подъема резьбы,
- угол трения, = 1,15 arctg f.
Допустимые значения коэффициента запаса статической прочнос ти см. п. 4.
11.1.2. Определить допускаемую осевую нагрузку из условия среза резьбы болта и гайки и сравнить ее с
|
|
(17) |
где - высота гайки для соединений болтом и шпилькой (гаечный конец). Для резьбы винта и вывинчиваемого конца шпильки в формулы (17) вместо подставляется длина ввинчива емого конца - ;
k - коэффициент полноты резьбы; для метрической резьбы k =0,87;
- коэффициент неравномерности распределения нагрузки между витками гайки; для крупной резьбы = 0,60 - 0,70 (большие значения при более податливых гайках);
, - допускаемые напряжения на срез витков бол та (винта, шпильки) и гайки (соединяемой детали, корпуса).
Дня резьбы
= (0,6-0,7) - для сталей и титановых сплавов;
[ср] = (0,7-0,8) - для алюминиевых и магниевых спла вов (приложение 9)
11.1.3. Чистые болты (задание № I) проверяют по напряжениям смятия по формуле (2).
Допускаемые напряжения на смятие (выбирают меньшее из допус каемых напряжений для болта и фланца):
для стали и сплавов цветных металлов для чугуна .
Механические характеристики легких сплавов представлены в приложении 9.
Если условия (15), (17) и (3) не выполняются, принять меры для их выполнения.
11.2. Задание № 2.
11.2.1. По формулам (7)-(1З) определить податливость деталей и коэффициент внешней нагрузки (модули упругости материалов см. приложение 9).
11.2.2. Уточнить усилие затяжки
11.2.3. Провести проверку на статическую прочность по (15), при этом
Если прочность не обеспечена, принять меры для ее обеспече ния.
11.2.4. При переменной внешней нагрузке провести проверку на усталостную прочность. Коэффициент усталостной прочности [4]
где - предел выносливости болта при симметричном знакопере-
менном цикле изменения напряжений;
- амплитуда напряжений.
Предел выносливости
где предел выносливости материала болта при знакоперемен ном растяжении-сжатии (см. приложение 2);
- масштабный коэффициент, равный:
|
D, мм |
6 |
8 |
10 |
12 |
>16 |
|
1,0 |
0,75 |
0,68 |
0,67 |
0,66 |
- коэффициент технологического упрочнения, при нарезанной резьбе , при накатной резьбе ;
- коэффициент конструктивного упрочнения; если гайка ра ботает на сжатие, = 1,0, если гайка работает на растяжение частично или по всей длине, = 1,35 - 1,6;
- эффективный коэффициент концентрации напряжений,
,
где - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений; для углеродистых сталей = 0,55; для легированных сталей = 0,75;
- теоретический коэффициент концентрации напряжений. Значения выбирают в зависимости R/P (R - радиус закругления впадины резьбы). Для стандартной метрической резьбы: = 10 для плоскосрезной впадины резьбы, = 8 - для закругленной.
Амплитуда напряжений
,
где - площадь стержня по внутреннему диаметру резьбы.
Допускаемый коэффициент запаса прочности
Если прочность резьбовой детали не обеспечена, принять меры для обеспечения прочности.
12. Выполнить чертеж соединения по правилам сборочного чертежа.
Допускается совмещать спецификацию с чертежом (приложение 10).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Задания к лабораторной работе
|
Номер ва рианта |
Внешняя нагрузка |
Материал соединяе мых де талей |
Способ контро ля за- тяжки |
Задание № 1 (внешняя на грузке сдвигает соединяе мые детали) |
Задание № 2 (внеш няя нагрузка раскрывает стык) |
||||
|
вели чина F, Н |
характер изменения |
||||||||
|
К-ВО соед. дет. |
Резьбовая деталь |
Тип резьб. дет. |
Матер. прокл. |
||||||
|
тип |
устан. |
||||||||
|
1 |
2500 |
Пост. |
Сталь |
Нет |
2 |
Винт |
с зазором |
Болт |
Б/п |
|
2 |
Перем. |
Шпилька |
Медь |
||||||
|
3 |
3000 |
Пост. |
Чугун |
Нет |
2 |
Болт |
Бинт |
Аллюминий |
|
|
4 |
Перем. |
Шлилька |
Свинец |
||||||
|
5 |
3500 |
Пост. |
Алюм. сплав |
Замер деформ. болта |
2 |
Болт |
Шпилька |
Б/п |
|
|
6 |
Перем. |
Шпилька |
Полиамид |
||||||
|
7 |
4000 |
Пост. |
Магниевый сплав |
Динамо метрич. ключом |
2 |
Винт |
Винт |
Полистирол |
|
|
8 |
Перем. |
Шпилька |
Шпилька |
Полиэтилен |
|||||
|
9 |
4500 |
Пост. |
Ста ль |
Нет |
2 |
Болт |
без зазора |
Болт |
Алюминий |
|
10 |
Перем. |
Винт |
Медь |
||||||
|
11 |
5000 |
Пост. |
Чугун |
Нет |
2 |
Болт |
Винт |
Б/п |
|
|
12 |
Перем. |
Шпилька |
Б/п |
||||||
|
13 |
5500 |
Пост. |
Алюмин. сплавы |
Динамо- метрич. ключом |
2 |
Болт |
Винт |
Полиэтилен |
|
|
14 |
Перем. |
Шлилька |
Полистирол |
||||||
|
15 |
6000 |
Пост. |
Магниевый сплав |
Нет |
3 |
Винт |
с зазором |
Винт |
Полиамид |
|
16 |
Перем. |
Шпилька |
Шпилька |
Полистирол |
|||||
|
17 |
6500 |
Пост. |
Сталь |
Замером деформ. болта |
3 |
Болт |
Болт |
Б/п |
|
|
18 |
Перем. |
Винт |
Винт |
Медь |
|||||
|
19 |
7000 |
Пост. |
Чугун |
Динамо- метрич. ключом |
3 |
Винт |
Болт |
Б/п |
|
|
20 |
Перем. |
Шпилька |
Шпилька |
Алюминий |
|||||
|
21 |
8000 |
Пост. |
Алюмин. сплав |
Нет |
3 |
болт |
без зазора |
Винт |
Б/п |
|
22 |
Перем. |
Шпилька |
|||||||
|
23 |
9000 |
Пост. |
Магниевый сплав |
Динамо- метрич. ключом |
3 |
Винт |
Полиэтилен |
||
|
24 |
Перем. |
Шпилька |
Свинец |
||||||
|
25 |
10000 |
Пост. |
Сталь |
Нет |
3 |
Болт |
Б/п |
||
|
26 |
Перем. |
Винт |
Примечания:
1. Толщина соединяемых деталей l =(1 - 1,5)d.
2. Толщина прокладки h = (0,15 - 0,20)d < 6 мм.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Классы прочности и механические характеристики сталей,
применяемых для изготовления болтов, винтов и гаек
|
Болты |
Гайки |
Твердость, HB |
||
|
Класс прочности |
Марки сталей |
Класс прочности |
Марки сталей |
|
|
3.6 |
СтЗкg, СтЗсп, 10, 10кп |
4 |
СтЗкп, СтЗсп |
90 - 150 |
|
4.6 |
20 |
5 |
10, 10кп, 20 |
110 - 170 |
|
4.8 |
10, 10кп |
|||
|
5.6 |
30,35 |
6 |
Ст5, 15кп, 35 |
140 - 215 |
|
5.8 |
10**, 10кп**, 20, 20кп, СтЗсп, СтЗкп |
|||
|
6.6 |
35, 45, 40Г |
8 |
20, 20кп, 35, 45 |
179 - 245 |
|
6.8 |
20, 20кп |
|||
|
6.9 |
||||
|
8.8 |
35***, 35Х, 38ХА, 45 Г |
10 |
35Х, 39ХА |
225 - 300 |
|
10.9 |
40Г2, 40Х, 30ХГСА |
12 |
40Х, ЗОХГСА |
280 - 365 |
|
12.9 |
ЗОХГСА |
14 |
З0ХГСА |
330 - 425 |
|
14.9 |
40ХН2МА |
40ХН2МА |
Св. 390 |
Примечания к приложению 2 смотри на следующей странице.
Примечания к приложению 2:
1. Класс прочности болтов обозначен двумя цифрами. Первое чис ло, умноженное на 100, означает минимальное значение временного сопротивления Gв, МПа; второе число, деленное на 10, означает отношение Gт/ Gв.
2. Стали, обозначенные ** и ***, применяют для d < 12 и 16 мм соответственно.
3. Класс прочности гаек обозначен числом, при умножении которого на 100 получают значение напряжений от испытательной нагрузки, МПа.
4. Предел выносливости материала болта (винта, шпильки) при знакопеременном растяжении – сжатии G-1рс принимают из табл. 11.1 [4] или подсчитывают по формулам:
G-1рс = 0,75G-1,
G-1 = 0,4375Gв.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Основные параметра резьбы по ГОСТ 24705-2004, мм
|
Наруж ный диаметр резьбы d |
Шаг крупный Р |
Диаметры |
|
|
средний d2 |
внутренний d1 |
||
|
6 |
1 |
5,350 |
4,918 |
|
8 |
1,25 |
7,188 |
6,617 |
|
10 |
1,5 |
9,026 |
8,376 |
|
12 |
1,75 |
10,869 |
10,106 |
|
(14) |
2 |
12,701 |
11,835 |
|
16 |
2 |
14,701 |
13,835 |
|
(18) |
2,5 |
16,376 |
15,294 |
|
20 |
2,5 |
18,376 |
17,294 |
|
(22) |
2,5 |
20,376 |
19,294 |
|
24 |
3 |
22,051 |
20,752 |
|
(27) |
3 |
25,051 |
23,752 |
|
30 |
3,5 |
27,727 |
26,211 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Болты повышенной точности
с шестигранной уменьшенной головкой
для отверстий из-под развертки по ГОСТ 7817-80
Рис. 4
|
d |
d0 |
S |
H |
D |
d3 |
l3 |
r |
l |
l - l2 |
|
6 |
7 |
10 |
4 |
11,0 |
4 |
1,5 |
0,5 |
18 – 35 |
12 |
|
8 |
9 |
12 |
5 |
13,2 |
5,5 |
1,5 |
0,5 |
28 – 35 |
15 |
|
10 |
11 |
14 |
6 |
15,5 |
7 |
2 |
0,6 |
30 – 35 |
18 |
|
12 |
1З |
17 |
7 |
18,9 |
8,5 |
2 |
0,8 |
32 – 105 |
22 |
|
(14) |
15 |
19 |
8 |
21,1 |
10 |
3 |
0,8 |
40 – 105 |
25 |
|
16 |
17 |
22 |
9 |
24,5 |
12 |
3 |
1,0 |
45 – 105 |
28 |
|
(18) |
10 |
24 |
10 |
26,8 |
1З |
3 |
1,0 |
55 – 105 |
30 |
|
20 |
21 |
27 |
11 |
30,2 |
15 |
4 |
1,0 |
55 – 105 |
32 |
|
(22) |
23 |
30 |
12 |
33,6 |
17 |
4 |
1,0 |
55 – 105 |
35 |
|
24 |
25 |
32 |
13 |
35,8 |
18 |
4 |
1,2 |
60 – 105 |
38 |
|
(27) |
18 |
36 |
15 |
40,3 |
21 |
5 |
1,2 |
70 – 105 |
42 |
|
30 |
32 |
41 |
17 |
45,9 |
23 |
5 |
1,2 |
75 – 110 |
50 |
Ряд длин болтов: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, (18), 20, (22), 25, (28), 30, (32), 35, (38), 40, 45, 50, 44, 60, 65, 70, 75, 80, (85), 90, (95), 100 мм.
Пример условного обозначения болта с диаметром резьбы d =
= 12 мм, с крупным шагом, с полем допуска 6g, длиной с = 60 мм, класса прочности 5.8, без покрытия: Болт М12-6g х 60.58 ГОСТ 7817-80.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Болты с шестигранной головкой (повышенной точности)
по ГОСТ 7805-70
Рис. 5
|
d |
Головка болта, мм |
Общие размеры |
Резьба по всей длине стержня при l |
||||
|
S |
H |
D |
r |
l |
l0 |
||
|
6 |
10 |
4,0 |
11,0 |
0,25-0,40 |
8-90 |
18 |
22 |
|
8 |
13 |
5,5 |
14,4 |
0,40-0,60 |
8-100 |
22 |
25 |
|
10 |
17 |
7,0 |
18,9 |
0,40-0,60 |
10-150 |
26 |
30 |
|
12 |
19 |
8,0 |
21,1 |
0,60-1,1 |
14-150 |
30 |
32 |
|
(14) |
22 |
9,0 |
24,5 |
0,6-1,1 |
16-150 |
34 |
38 |
|
16 |
24 |
10,0 |
26,8 |
0,6-1,1 |
18-150 |
38 |
40 |
|
(18) |
27 |
12,0 |
30,2 |
0,6-1,1 |
20-150 |
42 |
45 |
|
20 |
30 |
13,0 |
33,6 |
0,8-1,2 |
25-150 |
46 |
50 |
|
(22) |
32 |
14,0 |
35,8 |
0,8-1,2 |
35-150 |
50 |
55 |
|
24 |
36 |
15,0 |
40,3 |
0,8-1,2 |
32-150 |
54 |
60 |
|
(27) |
41 |
17,0 |
45,9 |
1,0 -1,7 |
35-150 |
60 |
65 |
|
30 |
46 |
19,0 |
51,6 |
1,0-1,7 |
40-150 |
66 |
70 |
Ряд длин болтов: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, (18), 20, (22), 25, (28), 30, (32), 35, (38), 40, 45, 50, 55, 60, 70, 75, 80, (85), 90, (95), 100 мм.
Пример условного обозначения болта по ГОСТ 7805-70 диаметром резьбы d = 12 мм, длиной l = 60 мм, класса прочности 5.8, поля допуска 8g без покрытия:
Болт М12-8g х 60.58 ГССТ 7805-70.
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Шпильки нормальной точности (класс точности В)
Исполнение 1 Исполнение 2
Рис. 6
|
ГОСТ |
Материал деталей, в которые ввинчивается шпилька |
b1 |
|
22032-76 |
Сталь, бронза, латунь, титановые сплавы |
d |
|
22034-76 |
Ковкий и серый чугун |
1,25d |
|
22036-76 |
Ковкий и серый чугун |
1,6d |
|
22038-76 |
Легкие сплавы |
2d |
|
22040-76 |
Легкие сплавы |
2,5d |
|
d, мм |
Минималь ная длина шпильки l, мм |
Длина резьбы гаечного кон ца, мм |
d, мм |
Минималь ная длина шпи льки l, мм |
Длина резьбы гаечного кон ца, мм |
||
|
b |
при l > * |
6 |
при l > * |
||||
|
6 |
16 |
18 |
25 |
(18) |
З5 |
42 |
55 |
|
8 |
16 |
22 |
(28) |
20 |
40 |
45 |
60 |
|
10 |
16 |
26 |
35 |
(22) |
45 |
50 |
63 |
|
12 |
25 |
30 |
(38) |
24 |
45 |
54 |
70 |
|
(14) |
25 |
34 |
(42) |
(27) |
55 |
60 |
75 |
|
16 |
35 |
38 |
(43) |
30 |
60 |
66 |
85 |
* При меньшей длине шпильки b = l - 0,5 – 2P
Ряд длин шпилек: 16, (18), 20, (22), 25, (28), 30, (32), 35, (38), 40, 45, 50, 44, 60, 65, 70, 75, 80, (85), 90, (95), 100, 105, 110, 115, 120 мм.
Пример условного обозначения шпильки с диаметром резьбы d = 16 мм, с шагом P =1,5 мм, с полем допуска 6g, длиной L = 70 мм, класса прочности 10.9, без покрытия:
Шпилька М16х1,5 - 6g х 70.10.9.40Х ГОСТ 22032-76.
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Гайки нормальной точности по ГОСТ 5915-70
Рис.7
|
d |
S |
H |
D |
|
6 |
10 |
4,5 |
11,0 |
|
8 |
13 |
6,5 |
14,4 |
|
10 |
17 |
8 |
18,9 |
|
12 |
19 |
10 |
21,1 |
|
14 |
22 |
11 |
24,5 |
|
16 |
24 |
13 |
26,8 |
|
18 |
27 |
15 |
30,2 |
|
20 |
30 |
16 |
33,6 |
|
22 |
32 |
18 |
35,8 |
|
24 |
36 |
19 |
40,3 |
|
27 |
41 |
22 |
45,9 |
|
30 |
46 |
24 |
51,6 |
Размеры даны в мм дли метрах.
Пример обозначения гайки с крупной резьбой М20. Поле допус ка 6Н, класс прочности 4, без покрытия:
Гайка М20-6Н.04 ГОСТ 5915-70.
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Шайбы пружинные нормальные по ГОСТ 6402-70
mmax = 0,75
Рис. 8
|
d |
d0 |
S = b |
|
6 |
6,1 |
1,6 |
|
8 |
8,1 |
2,0 |
|
10 |
10,1 |
2,5 |
|
12 |
12,1 |
3,0 |
|
14 |
14,2 |
3,5 |
|
16 |
16,3 |
4,0 |
|
18 |
18,3 |
4,5 |
|
20 |
20,5 |
5,0 |
|
22 |
22,5 |
5,5 |
|
24 |
24,5 |
6,0 |
|
27 |
27,5 |
7,0 |
|
30 |
30,5 |
8,0 |
Пример обозначения шайбы для диаметра резьбы крепежной детали d = 24 мм без покрытия:
Шайба 24 65Г ГОСТ 6402-70.
ПРИЛОЖЕНИЕ 9
Механические свойства некоторых легких сплавов
|
Сплав |
Е, МПа |
Gb, МПа |
Gт, МПа |
|
Алюминиевый АЛ4 (силумин) |
0,7·105 |
200 |
260 |
|
Алюминиевый Д16 (дюралюминий) |
0,72·105 |
540 |
400 |
|
Магниевый литейный: |
|||
|
МЛ-5 |
0,42·105 |
250 |
120 |
|
МЛ-8 |
290 |
190 |
|
|
Магниевый деформируемый МА5 |
0,43·105 |
320 |
220 |
Модули упругости некоторых материалов E, МПа:
чугун - Е = (4,5 - 5) · 100 Gb (где Gb - временное сопротивление при растяжении);
алюминий - 0,71·105;
медь - 1,2·105;
свинец - 0,17·105;
полиэтилен низкого давления - 1,0·102;
полистирол - 3,0·103;
полиамид - 1,2·103.
Конструкция и расчет сварных соединений
Цель работы: ознакомиться с основами технологического процесса получения сварных соединений, видами соединений, типами сворных швов и методами расчета.
Технические средства: чертежи сварных соединений.
Исходные данные: задание.
СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Общие сведения
Сварка - это технологический процесс соединения металлических деталей, основанный на использовании сил молекулярного сцепления и происходящий при сильном местном нагреве их до расплавленного (сварка плавлением) или пластического состояния с применением меха нического усилия (сварка давлением). Она является одним из самых рас пространенных современных прогрессивных способов получения раз личных машиностроительных, строительных и других конструкций. Сваркой изготовляют станины, рамы и основания машин, корпуса ре дукторов, зубчатые колеса, шкивы, звездочки, маховики, барабаны, фермы, балки, колонны, паровые котлы, цистерны, различные резер вуары, трубы, корпуса речных и морских судов и т. п.
Затвердевший после сварки металл, соединяющий сваренные детали, называется сварным швом.
В настоящее время освоена сварка всех конструкционных сталей (включая высоколегированные), чугуна, медных, алюминиевых и других сплавов цветных металлов, а также некоторых пластмасс.
По сравнению с клепаными и литыми сварные конструкции обеспе чивают существенную экономию металла и значительно снижают тру доемкость процесса изготовления. Применение сварки особенно целесообразно при изготовлении конструкций сложной формы, отдельные детали ко торых получают прокаткой, ковкой, штамповкой и отливкой.
К недостаткам сварных конструкций относятся: появление оста точных напряжений в свариваемых элементах после окончания процесса сварки, коробление, плохое восприятие переменных и особенно вибра ционных нагрузок, сложность и трудоемкость контроля качества сварных швов.
Целесообразность применения свар ки при изготовлении деталей машин устанавливают в каждом отдельном случае на основании конструктивных и экономических показателей с учетом технологических возможностей предприятия.
Из большого разнообразия существующих видов сварки в машино строении применяют: ручную дуговую сварку плавящимся электродом, автоматическую дуговую сварку плавящимся электродом под флюсом, электрошлаковую сварку и контактную сварку — стыковую, шовную и точечную. Первые три способа относятся к сварке плавлением, по следний — к сварке плавлением или давлением.
Ручная дуговая сварка плавящимся электродом, при которой подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок осущест вляются вручную. Нагрев производится электрической дугой между из делием и электродом. Электрод, расплавляясь при сварке, служит при садочным материалом для образования сварного шва. При данном способе возможна сварка стальных деталей толщиной 1...60 мм и бо лее. Этот вид сварки применяют для конструкций с короткими и не удобно расположенными сварными швами, а также в единичном производстве.
Автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом под флю сом, при которой подача электрода и перемещение дуги вдоль свари ваемых кромок механизированы. Дуга горит под слоем сварочного флюса. В состав флюса входят шлакообразующие, легирующие и раскислительные составляющие, благодаря чему этот вид сварки обеспечи вает высокую производительность процесса и высокое качество шва. При нем возможна сварка деталей толщиной 2... 130 мм и более. Этот вид сварки экономически наиболее целесообразен при непрерывных прямолинейных и кольцевых швах значительной протяженности и осо бенно в крупносерийном и массовом производстве различных конструк ций.
Электрошлаковая сварка — сварка плавлением, при которой для на грева металла используется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Этот способ является
самым производительным для сварки стальных листов толщиной 40...50 мм. Эффективность сварки возрастает с увеличением толщины свариваемых листов. Этим способом сваривают стальные и чугунные изделия толщиной до 1 м и выше, как, например, станины прокатных станов, прессов, молотов и т. п.
Стыковая контактная сварка основана на нагреве стыкуемых тор цов деталей теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока. Нагрев торцов деталей производится либо до оплавления их (сварка плавлением), либо до пластического состояния с последующим сдавливанием деталей (сварка давлением). Этот способ сварки самый производительный и рентабельный при массовом и крупносерийном производстве. Шовная контактная сварка, при которой соединение эле ментов выполняется внахлестку вращающимися дисковыми электрода ми в виде непрерывного или прерывного шва, применяется для получе ния герметичных швов в тонколистовых конструкциях (различные сосуды). Точечная контактная сварка, при которой соединение элемен тов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электро дов, применяется для тонколистовых конструкций, в которых не тре буется герметичность швов.
Виды сварных соединений и типы сварных швов
Рис.1
В зависимости от расположения соединяемых частей различают сле дующие виды сварных соединений: стыковые (рис. 1,а...е), нахлесточные (рис. 2, а...г), с накладками (рис. 3), угловые (рис. 4, а...е), тавровые (рис. 5, а...г).
Стыковые соединения — самые распро страненные, так как сваренные встык детали почти полностью заме няют цельные. Соединения с накладками применяются только в тех случаях, когда стыковое соединение не обеспечивает необходимой равнопрочности с цельным металлом.
Сварные швы стыковых соединений (см. рис.1) называют стыковыми. Сварные швы нахлесточных (см. рис. 2), угловых (см. рис. 4) и тавровых (см. рис. 5) соединений называют угловыми. Соединения с накладками осуществляют стыковыми и угловыми швами (см. рис. 3).
Если в нахлесточном соединении угловые швы не обеспечивают тре буемой прочности, то иногда дополнительно к угловым применяют про бочные (рис. 6, а), прорезные (рис. 6, б) или проплавные (рис. 6, в) швы. Пробочный шов получается путем заполнения расплавленным метал лом отверстий круглой формы в одной или в обеих соединяемых дета лях. Прорези прорезных швов могут быть закрытыми или открытыми. Проплавной шов осуществляют проплавлением одной детали, наложен ной на другую.
В зависимости от вида соединения, вида подготовки кромок сварных деталей и характера выполнения шва различают стыковые и угловые сварные швы нескольких типов.
Стыковые швы по форме подготовленных кро мок деталей различают: без скоса кромок (см. рис. 1,а,б), V-образные (см. рис. 1, в, г), Х-образные (см. рис. 1, д), U-образные (см. рис. 1,е) и др.
По характеру выполнения они могут быть: односторонними с подваркой с другой стороны (см. рис. 1, а, в, е); одно сторонними со стальными привариваемыми или медными отъемными подкладками с другой стороны (см. рис. 1, б, г) и двусторонними (см. рис. 1, д).
Угловые швы по форме подготовленных кромок деталей различают: без скоса кромок (см. рис. 2; 4,а,б; 5,а), со скосом одной кромки (см. рис. 4,в; 5,б,в) и со скосом двух кромок (см. рис. 5,г). По характеру выполнения они бывают: односто ронние (см. рис. 4,а,в; 5,в) и двусторонние (см. рис. 2,а; 4,б; 5, а, б, г).
По форме сечения угловые швы подразделяют на нор мальные, выполняемые с сечением в виде равнобедренного прямоуголь ного треугольника (см. рис. 2, а); специальные с сечением в виде пря моугольного неравнобедренного треугольника с основанием, большим высоты (см, рис. 2,б); вогнутые (см. рис. 2, в); выпуклые (см. рис. 2, г). Наиболее распространены нормальные швы.
Угловые швы по расположению относительно силы, действующей на шов, различают: лобовые, расположенные пер пендикулярно направлению силы (рис. 7,а); фланговые, расположенные параллельно направлению силы (рис. 7, б); косые, расположенные под утлом к направлению силы (рис. 7, в); комбинированные, состоящие из двух (рис. 7, г) или всех трех вышеуказанных швов.
Расчет сварных швов
Основное требование при проектировании сварных конструкций — обеспечение равнопрочности шва и соединяемых им деталей. В соответ ствии с этим требованием в зависимости от размеров и расположения свариваемых деталей устанавливают соответствующий тип шва данно го соединения. Если сварное соединение осуществляется несколькими швами, то их располагают так, чтобы они были нагружены равномерно.
Для угловых швов размер катета шва выбирают в соответствии с толщинами соединяемых деталей - часто равным меньшей из них, а требуемую длину шва определяют из расчета на прочность. Возмож но применение и более тонких швов, чем указано. В ряде случаев целе сообразно назначать все размеры шва в соответствии с конструкцией, а затем выполнять проверочный расчет на прочность. Если его резуль таты оказываются неудовлетворительными, вносят соответствующие изменения в конструкцию и повторяют расчет.
При расчете на прочность стыковых швов утолщение (наплыв металла) не учитывают. В зависимости от работы стыкового шва его соответственно рассчитывают на растяжение (рис. 8):
σ'р = F/(δl) ≤ [σ'р]; (1)
на сжатие:
σ'c = F/(δl) ≤ [σ'c], (2)
где σ'р и σ'c — соответственно расчетное напряжение в шве при растяже нии и сжатии; F — сила, растягивающая или сжимающая соединяемые элементы; δ — толщина более тонкой свариваемой детали; l – длина шва; [σ'р] и [σ'c] — соответственно до пускаемое напряжение для шва при растяжении и сжатии.
При действии на стыковой шов изги бающего момента М в плоскости при варки (рис. 9) расчет шва производят по формуле
σ' = 6М/(δl2) ≤ [σ'р]. (3)
Если стыковой шов находится под действием того же момента М и растя гивающей (или сжимающей) силы F (рис.10), то такой шов рассчитывают по формуле
σ' = F/(δl) + 6М/(δl2) ≤ [σ'р]. (4)
В формулах (3) и (4) δl2/6 = W - момент сопротивления расчетно го сечения шва при изгибе; σ' - расчетное нормальное напряжение в шве.
Угловые швы рассчитывают на срез по наименьшей площади се чения, расположенного в биссекторной плоскости прямого угла попереч ного сечения шва (рис. 1). В расчетном сечении толщину углового шва принимают равной 0,7k, где k - катет поперечного сечения шва.
Угловые швы рассчитывают на срез по наименьшей площади се чения, расположенного в биссекторной плоскости прямого угла попереч ного сечения шва (рис. 11). В расчетном сечении толщину углового шва принимают равной 0,7k, где k - катет поперечного сечения шва.
При действии на угловой шов силы F (на рис. 11 силу 2F восприни мают два шва) его рассчитывают по формуле
τ'c = F/(0,7kl) ≤ [τ'c], (5)
где τ'c - расчетное напряжение среза в шве; l - длина шва; [τ'c] — допускаемое напряжение на срез шва.
Длину углового лобового шва (рис. 11, а) обычно принимают равной ширине привариваемой детали. Длину углового флангового шва (рис.11,б) обычно определяют расчетом шва на прочность:
l = F/(0,7k[τ'c]). (6)
Если соединение угловым швом нагружено изгибающим моментом М в плоскости приварки (рис. 12), то расчет шва производят по формуле
τ' = 6М /(0,7kl2) ≤ [τ'c]. (7)
При действии на угловой шов изгибающего момента М и силы F, перпендикулярной шву (рис. 3.13), его рассчитывают по формуле
τ' = F/(0,7kl) + 6М/ (0,7kl2) ≤ [τ'c]. (8)
Угловой шов, показанный на рис.14, на который действуют изги бающий момент М = Fl и сила F, параллельная шву, рассчитывают по формуле
(9)
В формулах (5)...(9) 0,7kl2/6 = W — момент сопротивления расчет ного сечения шва при изгибе, τ' — расчетное касательное напряжение в шве.
В случае несимметричных угловых фланговых швов, посредством которых приваривают деталь несимметричного профиля, например уголок (рис. 15), каждый из этих швов рассчиты вают по своей нагрузке. При действии силы F на уголок сварного соединения, показанного на рис. 15, силы; действующие на швы, опре деляют следующим образом:
F1 + F2 = F и F1е1 = F2е2 ,
откуда
F1 = Fе2/(е1 + е2) (10)
и
F2 = Fе1/(е1 + е2). (11)
Очевидно, что длины швов в этом соединении при одинаковых сечениях должны быть пропорциональны нагрузкам на них, т. е.
l1/l2=F1/F2. (12)
Расчет углового комби нированного шва рассмотрим на примере наиболее распространен ного шва, представленного на рис. 16. При действии на угловой комбинированный шов силы F (рис. 16, а) производят проверочный расчет:
τ'c = F/ [0,7k(l1 + 2l2)]) ≤ [τ'c], (13)
и проектный:
l2 = 0,5 {[F/(0,7k [τ'c])]– l1 }. (14)
При действии на угловой комбинированный шов (рис.16,б) изги бающего момента М производят проверочный расчет:
τ'c max = Мρmах/Ip ≤[τ'c], (15)
где τ'c max — максимальное расчетное напряжение в точке шва, наиболее удаленной от центра тяжести площади опасных сечений; ρmах - расстояние от указанного центра тяжести до наиболее удаленной точки шва; Iр - полярный момент инерции площади опасных сечений шва относительно центра тяжести этой площади.
Для рассмотренного шва (рис. 16,б) положение центра тяжести определяется размером с:
с = l22/(l1 + 2l2). (16)
Как следует из чертежа,
(19)
Полярный момент инерции площади сечения шва Iр определяется как сумма осевых моментов Ix и Iy, т. е.
Iр = Ix + Iy = Ix1 + Iy1 + Ix2 + Iy2,
где момент инерции с индексом 1 относится к лобовому шву, а с индексом 2 - к фланговому шву. Для вычисления (рис.16,б) рекомендуется пользоваться формулой
(18)
При действии на комбинированный шов кроме момента М продольной или поперечной силы расчетные напряжения определяются так же, как и в случае простых сварных швов [см. формулы (8) и (9)].
Диаметр отверстий пробочных швов (см. рис. 6,а) прини мают d = 2δ. Прорези прорезных швов (см. рис. 6,б) принимают шириной b = 2δ и длиной l = (10...25)δ.
Подобно угловым, пробочные, прорезные и проплавные швы рассчитывают на срез:
τс' = F/A ≤ [τс'], (19)
где F — сила, действующая на пробочный, прорезной или проплавкой шов; А — расчетная площадь сечения шва.
При расчете машиностроительных конструкций из низкоуглеро дистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей допускаемые напряжения сварных швов при статических нагрузках принимают в за висимости от допускаемого напряжения на растяжение основного ме талла [σр].
|
Метод сварки |
При растя жении [σ'р] |
При сжатии [σ'c] |
При срезе [τ'c] |
|
Автоматическая, ручная элек тродами Э42А и Э50А в за щитном газе |
[σр] |
[σр] |
0,65 [σр] |
|
Ручная электродами обыкновенного качества |
0,9 [σр] |
[σр] |
0,6 [σр] |
При переменных нагрузках значения допускаемых напряжений сни жают умножением на коэффициент γ:
где Kσ - эффективный коэффициент концентрации напряжений; R - коэффициент асимметрии цикла; а и b - числовые коэффициенты.
Верхние знаки в этой формуле принимают, если больше абсолютное значение растягивающего напряжения, а нижние - сжимающего.
Для углеродистых сталей принимают а = 0,58 и b = 0,26, а для низко легированных a = 0,65 и b = 0,3. Значение эффективных коэффициентов концентрации напряжений Kσ для стали можно принимать в зависимо сти от типа шва следующими:
|
Низкоугле родистая сталь |
Низколеги рованная сталь |
|
|
Стыковые с полным проваром |
1,2 |
1,4 |
|
Угловые лобовые |
2,0 |
2,5 |
|
Фланговые |
3,5 |
4,5 |
Контрольные вопросы
1. Какие соединеия относятся к сварным соединениям?
2. Как образуются сварные соединения?
3. Требования, предъявляемые к сварным соединениям?
4. Дайте классификацию сварных соединений.
5. Виды сварочных швов в соединениях.
6. Особенности расчета на прочность сварных соединений внахлест, втавр, стыковых соединений.
7. Как определяются допускаемые напряжения при расчете сварных соединений?
8. Назовите достоинства и недостатки сварных соединений.
Определение моментов трения в подшипниках качения в зависимости от режимов смазки
Цель работы
Экспериментально определить условный момент трения и условный коэффициент трения в подшипниках качения и их зависимость от нагрузки и наличия смазки в опорах качения.
В результате выполнения работы студент:
- причины потерь в подшипниках качения и факторы, определяющие их величину;
- методику измерения условного момента трения на лабораторной установке;
устройство и особенности работы лабораторной установки;
- обоснованно назначить режимы работы опор качения в процессе проектирования.
Краткие теоретические сведения
Общее сопротивление вращению в подшипниках качения является комплексной величиной, слагающейся из большого количества компонентов: потерь на упругую деформацию контактирующих тел, трения между телами качения, кольцами и сепаратором, сопротивления смазочного слоя и т.д. Причем абсолютные величины указанных потерь, в свою очередь, зависят от параметров нагрузки на подшипник, температурного режима, качества изготовления подшипника, сорта смазки и т.д. Поэтому расчетное определение момента трения в подшипниках весьма сложно, носит приближенный характер и требует, как правило, экспериментального подтверждения.
Интегральную величину сопротивления вращению принято записывать в виде момента трения, приведенного к внутреннему диаметру подшипника.
Под такой условный коэффициент трения скольжения, который имел бы место, если подшипник качения заменить подшипником скольжения с таким же сопротивлением вращению.
Величина для некоторых подшипников качения, работающих при средних допустимых нагрузках, приведена в табл. 1.
Таблица 1
|
Тип подшипника |
|
|
Шариковый радиальный |
0,0015…0,0020 |
|
Шариковый радиально-упорный |
0,0020…0,0025 |
|
Шариковый упорный |
0,0025…0,0035 |
|
Роликовый радиально-упорный |
0,0035…0,0050 |
|
Игольчатый |
0,0050…0,0100 |
Приведенный коэффициент трения позволяет сравнить подшипники качения и подшипники скольжения (рис. 1,а) в условиях пуска при умеренных скоростях вращения потери на трение шарикового и роликового подшипников ниже потерь в эквивалентном радиальном подшипнике скольжения. С увеличением окружной скорости сопротивление в подшипнике качения увеличиваются гораздо быстрее, чем в хорошо спроектированном радиальном подшипнике скольжения, т.к. в этом случае резко возрастают динамические явления, связанные, в первую очередь, с качеством изготовления подшипников: отклонениями геометрической формы тел качения и колец, зазорами, шероховатостью контактирующих поверхностей и т.д.
Экспериментально установлено, что с увеличением нагрузки на подшипник (в пределах допустимых норм) приведенный коэффициент трения несколько снижается (рис. 1,б).
Рис. 1. Зависимость приведенного коэффициента трения:
а) от угловой скорости ; б) от нагрузки F.
Устройство и работа лабораторной установки
Принцип работы установки для замера момента трения в подшипниках качения основан на методе уравновешивания момента трения дополнительным моментом от внешних сил, по величине которого и определяют момент трения в подшипнике.
Кинематическая схема установки ДМ-23М приведена на рис. 2.
Конструкция позволяет создать замкнутую систему сил, т.е. усилие, создаваемое винтовым нагрузочным устройством 3, установленным в корпусе головки, через внутреннее подшипнике 2 передается на вал шпинделя 1 и нагружает наружные подшипники 12, размещенные в корпусе головки 6. Поэтому усилие на винтовом нагрузочном устройстве не создает дополнительную консольную нагрузку на вал шпинделя 1, а замыкается на корпусе головки.
Уровень масла в головке можно изменять с помощью смазывающего устройства 9, закрепленного на корпусе установки.
Для измерения температуры масла предусмотрен термометр 8.
На валу шпинделя 1 установлена съемная головка 6, в которой размещены испытываемые подшипники - внутренние 2 и наружные 12. Наружные кольца подшипников 12 установлены в корпусе головки. Наружные кольца подшипников 2 размещены в обойме 7, соединенной через динамометрическую скобу 5 с винтовым нагрузочным устройством 3.
Величину нагрузки на подшипники определяют по показаниям стрелочного индикатора 4, тарировочный график которого закреплен на корпусе установки.
Рис. 2. Схема установки ДМ-23М.
Привод шпинделя состоит из электродвигателя 13, установленного на качающейся платформе, и ременной передачи 15 с натяжным устройством 14. Шкивы различного диаметра позволяют менять передаточное отношение ременной передачи.
Возникающий в подшипниках головки момент трения стремится увлечь во вращение наружные кольца подшипников и соединенный с ними корпус головки. Закрепленный на корпусе маятник с грузом 10 отклоняется на некоторый угол, величина которого пропорциональна суммарному моменту трения в подшипниках Тс . Шкала 11 протарирована в Нм и позволяет непосредственно определить величину суммарного момента трения Т с. Разделив Тс на число подшипников в головке, получим момент трения одного подшипника.
Конструкция испытываемой головки представлена на рис. 3. На валу шпинделя 9 установлена съемная головка 12, в которой размещены четыре радиальных шарикоподшипника 10 № 208 по ГОСТ 8338-75, момент трения в которых необходимо определить. Внутренние кольца всех подшипников насажены на промежуточную втулку, установленную на вал шпинделя и фиксируемую шариковым фиксатором 6. Внешние кольца наружных подшипников установлены в головке 12, а внутренних подшипников - в обойме 11. Винт 1 нагрузочного устройства шарнирно воздействует на внутренние подшипники через динамометрическую скобу 2 и обойму 11. Уровень масла в головке контролируют через смотровое окно 5, температуру масла - термометром 3, закрепленным на головке винтом 4. Полость головки соединена с масленой ванной шлангом 7. Головка уравновешена грузом 8.
Рис. 3 Конструкция испытываемой головки.
Необходимое оборудование и инструмент
Рекомендуемая последовательность выполнения работы
- отвернуть винт 1 нагрузочного устройства (см. рис. 3) до свободного вращения, свидетельствующего о том, что контакт винта с динамометрической скобой 2 отсутствует;
- установить индикатор в гнездо головки так, чтобы ножка индикатора упиралась в динамометрическую скобу, а стрелка индикатора переместилась на 20…30 делений, после чего индикатор зафиксировать в головке винте;
- завернуть винт 1 нагрузочного устройства до упора в динамометрическую скобу, при этом стрелка индикатора должна переместиться на 1…2 деления;
- установить шкалу индикатора на ноль.
Таким образом, в системах нагружения и измерения выбраны все зазоры, а незначительной предварительной нагрузкой можно пренебречь и принять ее равной нулю.
Внимание!
Величину максимальной нагрузки задает преподаватель. Превышение максимальной нагрузки может привести к разрушению конструкции.
Результаты расчетов занести в табл. 2 и построить график зависимости от нагрузки на подшипник при наличии смазки и без неё (рис. 4).
Анализ результатов и содержание отчета
Таблица 2.
Результаты эксперимента
|
Условия эксперимента |
Нагрузка на подшипники, F, Н |
Суммарный моментТс, Нмм |
Приведенный коэффициент трения, |
||
|
нагружение |
разгрузка |
среднее |
|||
|
Без смазки |
0 |
||||
|
500 |
|||||
|
1000 |
|||||
|
… |
|||||
|
Со смазкой |
0 |
||||
|
500 |
|||||
|
1000 |
|||||
|
… |
Рис. 4 График зависимости приведенного коэффициента трения от нагрузки на подшипник:
кривая 1 - подшипник без смазки; кривая 2 - подшипник со смазкой.
Вопросы для самоконтроля
Учебное издание
Детали машин и основы конструирования
Методические указания
Часть II
Составители:
Дегтярев Александр Иванович
Свешников Борис Петрович
Москалев Владимир Алексеевич
Пермь 2013