|
|
|
|
Соединения деталей машин бывают неразъемными и разъемными. Разъемные соединения (болтовые, шлицевые и др.) могут быть разобраны и вновь собраны без разрушения деталей. Неразъемные соединения (заклепочные, сварные и др.) могут быть разобраны лишь путем разрушения элементов соединения. До недавнего времени заклепочные соединения широко применяли в различных инженерных сооружениях: судах, котлах, кранах, мостах и др. В настоящее время область применения таких соединений в общем машиностроении резко сузилась в связи с развитием методов сварки. Заклепочные соединения остаются еще распространенным видом неразъемного соединения при изготовлении металлических конструкций из легких сплавов (дюралюминия).
рис. 1 Заклепка (рис. 1, а) — цилиндрический стержень 1 круглого поперечного сечения, на конце которого имеется закладная головка 2. В процессе клепки выступающая часть цилиндрического стержня превращается обжимкой 3 в замыкающую головку 4 (рис. 1, б). Основные типы заклепок показаны на рис. 2.
рис. 2 Они различаются по форме головок. Наиболее, распространены заклепки с полукруглой головкой (рис. 2, а). В тех случаях, когда выступающие из деталей головки недопустимы, приме¬яют заклепки с потайными головками (рис. 2, 6). Кроме этих заклепок в самолетостроении и некоторых других отраслях промышленности применяют специальные типы заклепок, например пистоны (рис. 2, в). В качестве материала для заклепок используют малоуглеродистую сталь (марок Ст2, СтЗ), медь, алюминий и др. в зависимости от назначения шва и материала склепываемых деталей. Место соединения листов (или каких-либо деталей) с помощью заклепок называется заклепочным швом. По назначению различают заклепочные швы: Для достижения полной герметичности производят подчеканку шва: ударами по специальному инструменту — чекану — осаживают часть кромки склепываемого листа для плотного прижима одного листа к другому. По взаимному расположению листов различают заклепочные швы внахлестку и встык с одной или двумя накладками. В зависимости от расположения заклепок швы делятся на однорядные и многорядные. Заклепки могут располагаться в шахматном порядке или параллельными рядами. В современном машиностроении и строительстве широкое применение получили неразъемные соединения, осуществляемые при помощи сварки. Изобретателями электросварки являются русские инженеры Н. Н. Бенардос (1882 г.) и Н. Г. Славяиов (1888 г.). Научно обосновали методы электросварки академики В. П. Никитин и Е. О. Патон и проф. В. П. Вологдин. Автоматическая сварка создана Героем Социалистического Труда акад. Е. О. Патоном (1870—1953 гг.). Работы Е. О. Патона с огромным успехом продолжает его сын дважды Герой Социалистического Труда акад. Б. Е. Патон. Сварка — процесс соединения металлических частей путем применения местного нагрева с доведением свариваемых участков до тестообразного пластического или жидкого состояния. В первом случае соединение свариваемых частей достигается при их сдавливании. Основные преимущества сварки по сравнению с заклепочными соединениями: 2. уменьшение трудоемкости в связи с исключением операций разметки и сверления (пробивки)отверстий; склепывание значительно более трудоемко, чем сварка; сварка может быть автоматизирована; 3. возможность соединения деталей с криволинейным профилем; 4. плотность и непроницаемость соединения; 5. бесшумность технологического процесса.
Основными видами сварки являются:
При этом методе сварки металл расплавляется теплом электрической дуги, образуемой в месте сварки между металлическим электродом и свариваемыми деталями. Металл электрода (присадочный металл), расплавляясь, заполняет промежуток между свариваемыми деталями. В качестве присадочного материала используют стальную электродную проволоку. Сварочную проволоку (электрод) покрывают специальным составом, который при расплавлении электрода образует на металле шва тонкий слой шлака, защищающий металл от окисления и тем повышающий его прочность. В электрической дуге температура доходит до 3900°С. Эта температура обеспечивает сварку деталей больших поперечных размеров. Для питания дуги необходим электрический ток низкого напряжения, но большой силы. Электрическая дуговая сварка может производиться вручную и на специальных высокопроизводительных автоматах, обеспечивающих высокое качество шва. Сварные швы, выполняемые электродуговой сваркой, можно разделить на стыковые и угловые (валиковые). Стыковыми называют швы, которые соединяют торцы деталей, находящихся в одной плоскости. Перед сваркой кромки стыкуемых торцов должны быть обработаны для облегчения доступа электрода к поверхностям, которые подлежат оплавлению. Соединения внахлестку выполняют угловыми (валиковыми) швами: лобовыми или фланговыми. Кроме соединений сплошным сварным швом часто применяют прерывистый шов, а также электрозаклепки.
Сварка широко используется в машиностроении не только взамен клепки, но и при изготовлении деталей сложной конфигурации.
Металл разогревается теплом, выделяющимся при прохождении тока через стык соединяемых элементов, доводится до тестообразного состояния и сдавливается. Методом электромеханической сварки соединяют встык полосовой и круглый материалы (стыковая сварка) и внахлестку тонколистовой материал (точечная и роликовая сварки).
Свариваемый металл доводится до плавления. Необходимая для этого температура получается при сжигании горючих газов (ацетилена, водорода) в струе кислорода. Ацетилен дает высокую температуру, что позволяет сваривать толстые металлические части (до 40 мм). Химическую сварку применяют для сваривания элементов из малоуглеродистых сталей, тонких стальных листов, чугуна, цветных металлов и сплавов. Исключительную роль при производстве сварных конструкций играют процессы газовой резкиметалла. Прорезы получаются за счет сгорания металла в струе кислорода.
Для соединения металлических и пластмассовых деталей, а также деталей из разнородных материалов (пластмасса и металл) применяют ультразвуковую сварку. Соединяемые детали прижимают друг к другу и подвергают действию ультразвука. Ультразвуковая сварка позволяет производить соединение деталей значительной толщины и сложной формы.
Одним из современных видов неразъемных соединений является соединение с помощью клея элементов из металла, металла и неметаллического материала (текстолита, пенопласта и др.), неметаллических материалов между собой. Клеевое соединение имеет следующие основные преимущества по сравнению со сварными и заклепочными соединениями: Недостатками клеевого соединения являются сравнительно низкая теплостойкость, невысокое сопротивление «отдиранию», снижение прочности некоторых видов клеев с течением времени (старение).
В некоторых случаях для создания неразъемного соединения применяют пайку (например, для соединения тонкостенных деталей, элементов электрических схем и др.). Пайка осуществляется при помощи припоя. Расплавленный припой заполняет зазор между соединяемыми деталями и при затвердевании припоя образует неразъемное соединение. Соприкасающиеся поверхности соединяемых деталей перед пайкой очищают при помощи флюсов. В качестве флюсов применяют канифоль, буру, хлористый цинк. Припои разделяют на легкоплавкие и тугоплавкие (в зависимости от температуры плавления припоя).
Для неподвижного соединения деталей цилиндрической формы может применяться прессовая посадка (соединение зубчатого колеса с валом, втулки с валом). При прессовой посадке вал изготовляют большего диаметра, чем отверстие детали, поэтому посадка вала в отверстие осуществляется прессом, создающим необходимое усилие.
Заформовкой соединяют металлическую деталь 1 с пластмассой 2, для чего металлическую деталь погружают в жидкую или тестообразную пластмассу, которая затвердевает при остывании и образует неразъемное соединение.
Широко применяемые резьбовые соединения осуществляются с помощью болтов, винтов, шпилек, стяжек, резьбовых муфт и т. п. Основным элементом резьбового соединения является винтовая пара.
рис. 1 Винтовая пара образуется соединением винта 1 и гайки 2 (рис. 1), которые соприкасаются друг с другом по винтовым поверхностям. Рассмотрим образование винтовых поверхностей. Возьмем прямой круговой цилиндр (рис. 2).
рис. 2 Навернем на него прямоугольный треугольник с основанием AA1, равным по длине окружности основания цилиндра ?d2 и высотой Из рис. 2 следует, что:
Винтовая линия, поднимающаяся на видимой части цилиндра при вертикальном расположении его оси слева направо, называется правой (рис. 3). На рис. 2 показана левая винтовая линия.
рис. 3 Если к образующей цилиндра приставить плоскую фигуру (треугольник, прямоугольник, трапецию), как показано на рис. 3, затем перемещать ее так, чтобы вершины двигались по винтовым линиям, а сама она прилегала к поверхности цилиндра, оставаясь в плоскости его осевого сечения, то стороны фигуры опишут в пространстве винтовые поверхности. Цилиндрическое тело (стержень), на котором образованы винтовые поверхности, называется винтом. Часть тела, ограниченная винтовыми поверхностями, называется резьбой. В соответствии с формой плоской фигуры, образующей ее профиль, различают винты с треугольной (рис. 4, а), прямоугольной (рис. 4, б), трапецеидальной резьбой и т. д. Профиль резьбы выбирается в зависимости от назначения резьбового соединения.
рис. 4 Один оборот резьбы на теле цилиндра называется витком (ниткой). Если между витками одной винтовой линии нарезать витки еще одной или двух винтовых линий, получится винт с двухзаходной (рис. 4, в) или трeхзаходной (рис. 4, г) резьбой и т. д. Все винты более чем с одним заходом называются мнoгозаходными. Охватывающее винт тело, отверстие которого имеет резьбу, входящую выступами во впадины резьбы винта, называется гайкой. Винтовая резьба может быть правой или левой. Винты с правой резьбой завинчиваются при вращении по часовой стрелке, а вывинчиваются против часовой стрелки. Шагом резьбы Р называется измеренное вдоль образующей цилиндра расстояние между одноименными точками двух соседних витков. Для многозаходных резьб вводят дополнительное понятие — ход, обозначая им продольное перемещение гайки вдоль оси неподвижного винта за один ее оборот. Между ходом
где n — число заходов. Очевидно, что для однозаходной резьбы величины шага и хода совпадают. У резьб различают диаметры: наружный d, внутренний d1 и средний Под углом подъема резьбы принято понимать угол подъема винтовой линии на цилиндре с диаметром, равным среднему диаметру d2. Угол подъема резьбы многозаходных винтов (гаек):
Вce применяемые в машиностроении резьбы разделяются на крепежные (предназначенные для скрепления деталей), ходовые (для передачи движения) и специальные. Самой распространенной крепежной резьбой в Советском Союзе является метрическая резьба СТ СЭВ 180--75 и СТ СЭВ 182—75. Профиль метрической резьбы — равносторонний треугольник с углом профиля ? = 60°, с основанием, равным шагу, и с притупленной вершиной.
Метрические резьбы делятся на резьбы с крупными и мелкими шагами. Так, на стержне диаметром 24 мм можно нарезать метрическую резьбу с крупным шагом Р = 3 мм, которая обозначается М24, и несколько метрических резьб с мелкими шагами: 2; 1,5; 1 и 0,75 мм, — которым соответствуют обозначения М24x2; M24x1,5; M24x1 и М24x0,75. Резьбы с мелкими шагами по сравнению с резьбой с крупным шагом более надежны в отношении самоторможения. Поэтому их следует применять там, где действуют знакопеременные нагрузки или возникают вибрации, а также для тонкостенных деталей. Из других крепежных резьб встречается дюймовая резьба,
у которой угол профиля ? = 55°. Дюймовая резьба применяется только при замене изношенных частей имеющегося оборудования. Использовать ее во вновь изготовляемых машинах не разрешается. Коническая дюймовая резьба (ГОСТ 6211—69) создает большую плотность соединения. К специальным резьбам относится трубная резьба треугольного профиля (ГОСТ 6357—73); применяется для соединения труб, арматуры трубопроводов и фитингов.
Пример обозначения трубной резьбы: Труб. 3", что означает трубную резьбу на трубе с внутренним диаметром 3 дюйма (около 76 мм). Для осуществления передачи движения применяется трапецеидальная резьба. Профиль резьбы — равнобочная трапеция с углом профиля ? = 30° (ГОСТ 9484—73); применяется для cиловых винтов, передающих движение вдоль оси в обе стороны. Пример обозначения трапецеидальной резьбы: Трап. 40x8 ГОСТ 9484—73:
Упорная резьба (ГОСТ 10177—62) предназначена для винтов с большим односторонним усилием (домкраты, тиски). Для грузовых винтов (домкратов, прессов и т. п.) применяется также прямоугольная резьба.
Резьбовые соединения осуществляются с помощью резьбовых крепежных изделий, которые чрезвычайно разнообразны по своей фооме и назначению. К ним относятся болты, винты, шпильки, гайки, детали трубопроводов. Болтом называется цилиндрический стержень с резьбой, имеющий головку. За головку болт вращают или, наоборот, удерживают от вращения при соединении деталей. Нарезной частью стержня болт ввинчивается в гайку. Другой тип резьбового крепежного изделия — винт — отличается от болта только тем, что ввинчивается не в гайку, а в резьбовое отверстие одной из соединяемых деталей. На рис. 1, а показано болтовое соединение двух деталей, состоящее из болта, гайки и шайбы. Головка болта, как правило, имеет форму шестигранной призмы. Стержень болта входит в отверстие соединяемых деталей с зазором. На стержень болта навинчивается гайка. Между гайкой и соединяемыми деталями воизбежание повреждения детали вращающейся гайкой ставят кольцевую пластинку — шайбу. При монтаже соединения болт удерживается от вращения гаечным ключом, надетым на головку. При вращении гайки другим ключом соединяемые детали сжимаются между гайкой и головкой болта. Болтовое соединение применяется для соединения деталей относительно небольшой толщины и при наличии места для размещения головки болта и гайки. Соединение винтом, ввинчиваемым в одну из скрепляемых деталей, изображено на рис. 1, б.
рис. 1 В зависимости от размеров и назначения болты и винты имеют различные головки: шестигранные (рис. 1); цилиндрические с внутренним шестигранником (рис. 2, а); цилиндрические со шлицем (прорезью) под отвертку (рис. 2, б) и др.
рис. 2 Соединение деталей посредством шпильки представлено на рис.
Шпилька — цилиндрический стержень, имеющий винтовую нарезку с обоих концов. При соединении шпилькой ее ввертывают в одну из скрепляемых деталей, а на другой конец шпильки навинчивают гайку. Шпилечное соединение применяют взамен болтового в следующих случаях: Для закрепления на валу установочных колец, небольших шкивов, указателей и т. п., для предотвращения смещения вдоль оси вала зубчатых колес, шкивов и других деталей при относительно небольших осевых нагрузках используют установочные винты.
Кроме стандартных крепежных винтов в машиностроении сравнительно широко применяют специальные винты и гайки. Так, для сохранения постоянного расстояния между соединяемыми деталями служат распорные болты.
Для соединения машин с фундаментами служат фундаментные болты. Пирамидальный стержень болта заершен или изготовлен в форме скрученной винтом или изогнутой стальной полосы.
Болт закладывают в отверстие фундамента и заливают цементным раствором. Гайки имеют различную форму. Большей частью их изготовляют шестигранными. Размеры гаек согласуют с размерами болтов. Несмотря на то, что все крепежные резьбы удовлетворяют условию самоторможения при ударах и сотрясениях, испытываемых соединением, возможны случаи самоотвинчивания. Во избежание самоотвинчивания применяют гаечные замки. Рассмотрим некоторые из них. Контргайка (рис. 3, а) — вторая гайка, навертываемая поверх основной гайки и создающая в резьбе дополнительную силу трения. Шплинт — проволока полукруглого поперечного сечения, сложенная вдвое и пропущенная через гайку и болт (рис,3, б) или только через болт. Концы шплинта разводят (отгибают). Пружинная шайба (рис. 3, в) — специальная шайба, подкладываемая под гайку. Отвертыванию гайки препятствуют острые края концов шайбы, упирающиеся в торец гайки и в прижимаемую деталь. Кроме того, при ослаблении осевого усилия в болте сила упругости шайбы поддерживает соединения в напряженном состоянии и препятствует самоотвинчиванию гайки.
Крепежные резьбовые детали изготовляют из углеродистых сталей СтЗ и Ст4, а также марок 10, 20, 30, 35. Резьбовые детали из этого материала можно изготовлять холодной штамповкой с последующей нарезкой или накаткой резьбы. Для ответственных резьбовых деталей применяют легированные стали марок 35Х, ЗОХГСА. Для болтов, винтов и шпилек из углеродистых и легированных сталей по ГОСТ 1759—70 предусмотрены 12 классов прочности. Они обозначаются двумя цифрами: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 6.9; 8.8; 10.9; 12.9; 14.9. В табл. 3 приведены механические свойства наиболее распространенных сталей для резьбовых деталей. Таблица 3. Механические свойства сталей для резьбовых деталей
Все стандартные резьбы изготовляют равнопрочными на разрыв стержня, срез и смятие витков, поэтому при расчете на прочность определяют требуемый диаметр резьбового стержня.
Характерным примером такого соединения является резьбовой конец грузового крюка.
В этом соединении гайка свободно навинчивается на стержень и фиксируется шплинтом. Стержень болта нагружается при приложении внешней нагрузки и работает только на растяжение. Опасным в резьбовом стержне является сечение нарезанной части с расчетным диаметром Условие прочности для этого случая
где F — осевая нагрузка; Из формулы
Примером такого соединения может служить крепление люков, крышек, к герметичности которых не предъявляются особые требования. Другим примером является клеммовое соединение.
Под действием момента, создаваемого усилием на рукоятке ключа, резьбовое соединение получает затяжку. Стержень с резьбой растягивается усилием затяжки и скручивается моментом в резьбе. При одновременно действующих осевой силе и скручивающем моменте, возникающем в процессе затяжки болта, болт следует рассчитывать на прочность по приведенному (эквивалентному) напряжению. В среднем для метрических резьб приведенное напряжение больше напряжения растяжения Таким образом, вместо расчета резьбового соединения на растяжение и кручение можно произвести расчет только на растяжение, принимая не заданное усилие затяжки, а в 1,3 раза больше, т. е.
где
Из условия прочности определяется расчетный диаметр резьбы по формуле
Рассматриваемый случай расчета характерен для большинства соединений (крепление крышек, фланцев). Такие соединения должны быть предельно плотными (крышки цилиндров), должны не допускать раскрытия стыка — появления зазора между соединяемыми деталями при приложении внешней нагрузки. Для выполнения данного требования предварительная затяжка болтов должна быть такой, чтобы после приложения рабочей нагрузки не произошло раскрытия стыка или нарушения плотности. В зависимости от упругих свойств болтов и стягиваемых деталей, а также от назначения соединения расчетную осевую нагрузку Приняв
На рис. 1 показано соединение деталей болтом, вставленным в отверстие с зазором. Поперечная нагрузка
откуда
В рассматриваемом случае также происходит растяжение и скручивание болта при его затяжке, поэтому при z болтах
После того как расчетом определен внутренний диаметр болта, по таблицам стандартных резьб выбирают ближайшее большее его значение и соответствующий ему наружный диаметр резьбы. Условия работы затянутого болта под действием внешней нагрузки, перпендикулярной его оси, неблагоприятны. Поэтому стремятся разгрузить болт от поперечных нагрузок, устанавливая в соединяемых деталях шпонки круглого (рис. 2, а) или прямоугольного сечения (рмс. 2, б).
рис. 2 Допускаемое напряжение
где Таблица 4. Коэффициенты запаса прочности для резьбовых соединений
Болты, подвергающиеся затяжке, должны быть диаметром больше 8 мм, так как при меньшем диаметре их легко разрушить при сборке.
|
||||||
. Тогда гипотенуза AB1, образует на поверхности цилиндра линию, которая называется винтовой. Расстояние А1В1 между двумя соседними точками одной и той же винтовой линии, измеренное по образующей цилиндра, называется шагом винтовой линии 
. Угол ? между основанием треугольника и гипотенузой называется углом подъема винтовой линии. 
. 
, где d и P — наружный диаметр и шаг резьбы. 
— расчетный диаметр резьбы; 
— допускаемое напряжение на растяжение. 
— расчетная (эквивалентная) нагрузка, 
, стремящаяся сдвинуть детали относительно друг друга, должна восприниматься силой трения 
на стыке соединяемых деталей. При этом необходимо затянуть болт с таким усилием 
выбирают по 
выбирают по табл. 4 в зависимости от диаметра резьбы. 