Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Расчет соединений, включающих группу болтов




Расчет сводится к определению расчетной нагрузки для наиболее нагруженного болта. Затем рассчитывают прочность этого болта по формулам одного из случаев, рассмотренных выше в данной главе. В расчетах, изложенных в настоящем разделе, приняты сле­дующие допущения: поверхности стыка остаются плоскими (недеформируемыми) при всех фазах нагружения, что справедливо только для деталей, обладающих достаточной жесткостью; поверхности стыка имеют минимум две оси симметрии, а болты расположены симметрично относительно этих осей; все болты соединения одинаковы и равно затянуты. С некоторым приближением перечисленные условия спра­ведливы для большинства конструкций

Различают три характерных случая расчета соединений, включающих группу болтов.

Равнодействующая нагрузка соединения перпендикулярна плоскости стыка и проходит через его центр тяжести. Этот случай типичен для болтовых соединений круглых и прямоугольных крышек (см. рис. 9.25 и 9.35), нагруженных давлением жидкостей или газов. При этом болтам дают затяжку, обеспечивающую плотность соедине­ния. Все болты такого соединения нагружены одинаково. Внешняя нагрузка, приходящаяся на один болт:

F=R: z, где z — число болтов.

Рис. 9.35

Рис. 9.36

Расчетную нагрузку болтов определяют по формулам (9.26) (9.28) или приближенно по формулам (9.36) и (9.37).

Нагрузка соединения сдвигает детали в стыке. Примером служит крепление кронштейна (рис. 9.36). При расчете соединения силу R заменяем такой же силой, приложенной в центре тяжести стыка, и моментом T = Rl. Момент и сила стремятся повернуть и сдвинуть крон­штейн. Нагрузка от силы R распределяется по болтам равномерно:

FR = R/z. (9.38)

Нагрузки от момента (реакции FT1, FТ2,..., F ТZ) распределяются по болтам пропорционально их деформациям при повороте кронштейна. В свою очередь, деформации пропорциональны расстояниям бол­тов от центра тяжести стыка, который является центром поворота. Направление реакций болтов перпендикулярно радиусам r1,r2,…….r z. По условию равновесия

, (9.39)

где FT 1/ FT2 = r1 / r2……… =FTz / rz.

Для примера на рис. 9.36: T= 4FT1r1 +2FT2r2.

Суммарная нагрузка каждого болта равна геометрической сумме соответствующих сил FR и FT (на рис. 9.36 показана нагрузка для первого болта F1 ).

За расчетную принимают наибольшую из суммарных нагрузок. Сравнивая значения и направление реакций, можно отметить, что для соединения, изображенного на рис. 9.36, наиболее нагруженными болтами являются 1-й и 3-й (реакции FR и FT близки по направлению) или 2-й (FR и FT направлены одинаково, но FТ2 < Ft1 и FT3).

В конструкции соединения болты могут быть поставлены без за­зора или с зазором.

Болты поставлены без зазора. Нагрузка воспринимается непосред­ственно болтами (см. рис. 9.21, б). Прочность болтов и деталей рассчи­тывают по напряжениям среза и смятия [формулы (9.21) и (9.22).

Болты поставлены с зазором. Нагрузка воспринимается силами трения в стыке, для образования которых болтам дают соответствую­щую затяжку. Приближенно полагают, что равнодействующая сил трения, вызванных затяжкой каждого болта, приложена в центре соответствующего отверстия.

Соединение будет прочным (детали не сдвигаются), если равнодей­ствующая сил трения под каждым болтом не меньше, чем соответ­ствующая равнодействующая сил F R и FT. Так как по условию задачи болты затягивают одинаково, т. е. общую затяжку определяют по наиболее нагруженному болту (1-му или 2-му — рис. 9.36). Необ­ходимая затяжка болтов

Fзат = KFmax /f (9.40)

где K=1, 3...2 — коэффициент запаса; Fmax — сила, приходящаяся на наиболее нагруженный болт, равная, например, F1 ; f — коэффи­циент трения в стыке деталей.

Прочность болтов рассчитывают по формуле (9.19).

В качестве второго примера расчета группы болтов при сдвигаю­щей нагрузке рассмотрим фланцевое соединение валов. В конструкции таких соединений обычно предусматривают центрирующие выступы (рис. 9.37, а) или ставят центрирующие шайбы (рис. 9.37, б), которые одновременно разгружают соединение от поперечных нагрузок.


Рис. 9.37.

При болтах, поставленных без зазора, расчетная нагрузка болта . (9.41)

При болтах, поставленных с зазором, не­обходимая сила затяжки . (9.42)

Нагрузка соединения раскрывает стык деталей. Этот случай часто встречается в практике (крепление всевозможных крон­штейнов, стоек и т. п.). Метод решения рассмотрим на примере рис. 9.38. Раскла­дываем силу R на составляющие R1 и R2. Действие этих составляющих заменяем действием сил Rt и R2, приложенных в центре стыка, и действием момента

M=R2 l2 -R1 l1. (9.43)

R1 и М раскрывают стык, a R2 сдвигает детали. Возможность раскрытия стыка и сдвига деталей устраняют затяжкой болтов с силой Fзат.

Расчет по условию нераскрытия стыка. До приложения нагрузки R затяжка об­разует в стыке напряжения смятия

, (9.44)

которые приближенно считаем равномер­но распределенными по стыку. В формуле (9.44) z — число болтов, АСТ — площадь стыка.

Сила R1 растягивает болты и умень­шает на

. (9.45)

В этой формуле —доля внешней нагрузки, которая идет на разгрузку стыка — см. формулу (9.27). На практике в подобных сое­динениях значение χ мало. Упрощая решение, принимаем χ=0, что идет в запас по условию нераскрытия стыка.

При решении задачи о том, как изменяются напряжения в стыке под действием момента М, необходимо выяснить, вокруг какой оси поворачивается кронштейн. Применяя принцип наименьшего сопро­тивления, можно полагать, что поворот происходит вокруг оси сим­метрии стыка, так как относительно этой оси возникает наименьший момент сопротивления повороту (меньше момент инерции площади стыка). Это условие соблюдается только при достаточно большой за­тяжке болтов, обеспечивающей нераскрытие стыка. При раскрытии стыка ось поворота смещается от оси симметрии к кромке стыка. Если затяжка отсутствует, то осью поворота будет кромка стыка. Следова­тельно, затяжка соединения проявляет себя как пайка или склейка деталей по всему стыку. До тех пор, пока она не разрушена, крон­штейн и основание можно рассматривать как единое целое. Испыта­ния подтверждают это положение.

Рассматривая условия нераскрытия стыка, считаем осью поворота ось симметрии стыка. При этом напряжения в стыке под действием момента М изменяются в соответствии с эпюрой, аналогичной эпюре напряжений при изгибе.

 

 

Рис. 9.38

Пренебрегая значением χ так же, как при определении , приближенно запишем , (9.46 )

где Wст — момент сопротивления изгибу, который определяют для площади стыка.

В зависимости от значения затяжки и нагрузки эпюра суммарных напряжений в стыке принимает вид одного из вариантов I или 11, показанных на рис. 9.38. Здесь

—максимальное напряжение в стыке,

—минимальное напряжение в стыке. (9.47)

В этих формулах за положительные приняты напряжения затяж­ки . Вариант II свидетельствует о раскрытии стыка на участке ее, так как напряжения здесь равны нулю, что недопустимо. Вариант I иллюстрирует нераскрытие стыка и рассматривается как расчетный. По условию нераскрытия стыка , или , или . (9.48)

Здесь — коэффициент запаса по нераскрытию стыка.

По условию (9.48) определяют и затем из формулы ( 9.44 ) находят Fзат.

В тех случаях, когда материал основания менее прочен по сравнению с материалом болтов, например бетон или дерево, необходимо проверять условие прочности основания по максимальным напряжениям смятия

. (9.49)

Если условие (9.49) не выполняется, то необходимо увеличивать площадь стыка.

Центрирование резьбовых соединений

Резьбовые соединения обычной точности не обеспечивают пра­вильного центрирования вследствие практически неизбежного биения сред­него диаметра резьбы, а также из-за зазоров в резьбе. Исключение представляют применяемые в отдельных случаях (шпиндели токарных станков) точные центрирующие резьбы — преимущественно крупные резьбы трапецеидального профиля, обрабатываемые фрезерованием и шлифо­ванием.

При обычной точности изготовления центрирование по резьбе недо­пустимо (рис.9.45, а — е, I — неправильные, II — правильные конструкции). Если применение резьб; продиктовано необходимостью, то следует водить дополнительные центрирующие поверхности (ж — и). Чаще всего задачу решают введением соосных с резьбой гладких цилиндрических поясов. Резьбу в этом случае делают свободной, чтобы она не мешала центрированию. Расположение центрирующих поясков относительно резьбы зависит от условий нагружения. Технологически целесообразно выполнять поясок диаметром, несколько меньшим внутреннего диаметра резьбы, и ею располагать за резьбой (з), что обеспечивает обработку напроход точной посадочной поверхности в отверстии. Однако, если сила действует так, как показано на рис.9.45, е, то правильнее расположить центрирующий поясок перед резьбой, хотя это несколько затрудняет обработку посадочной поверхности в отверстии.

В резьбовых соединениях обычной точности не обеспечивается строгая перпендикулярность торца нарезной детали относительно среднего диа­метра резьбы, поэтому недопустимо, например, использовать торец гайки в качестве опорной поверхности, воспринимающей осевые силы в узлах трения (к). В этом случае неизбежен перекос торца гайки относительно оси вала, вызывающий одностороннее приложение силы и повышенный износ поверхностей трения.

Рис. 9.45. Центрирование в резьбовых соединениях

В правильной конструкции (л) осевую силу воспринимаем упорный диск 1, центрированный на валу. Еще лучше конструкция (м), в которой диску придана возможность самоустанавливаться по сферической поверхности гайки.

В узле установки плунжера со скалкой 2, скользящей в отверстии съемной крышки (н), конструкция с навертной крышкой 3 не обеспечивает соосности отверстий цилиндра и крышки. Центрирующий поясок, вынесенный за пределы резьбы (о), не вполне устраняет смещения крышки. Поясок, расположенный у торца цилиндра (п), обеспечивает центрирование при условии, если наружная центрирующая поверхность цилиндра выполнена строго концентрично по отношению к отверстию. Лучше конструкция с внутренней резьбой (р), где поясок центрируется непосредственно по стенкам цилиндра. Наиболее надежно центрирование цилиндрическим буртиком с креплением крышки накидной гайкой (с).

 

Фиксация деталей резьбовыми соединениями

Соединения на резьбе не обеспечивают точной взаимной фикса­ции стягиваемых деталей. Крепежные болты и шпильки обычно устанав­ливают в отверстия деталей с зазором, величина которого зависит от их числа и расположения, точности выполнения межцентровых расстоянии и в среднем составляет 0,5 — 1 мм.

При отсутствии зазора крепежные соединения невозможно собрать из-за неизбежного на практике смещения парных отверстий в стягиваемых деталях, а также

смещения отверстии одного относительно другого в каждой детали.

Для обеспечения точного взаимного расположения деталей вводят дополнительные фиксирующие элементы. Приемы фиксации приведены на рис. 9.46. Часто применяют фиксацию продольными буртиками (1—3), выполненными на крышке или в корпусе и входящими на плотной посадке в соответствующие пазы.

 

Конструкция с фиксирующим зубом (4) нетехнологична, так как в данном случае приходится обеспечивать плот­ное прилегание одновременно четырех поверхностей. Не рекомендуется и способ фиксации с помощью закладных призматических шпонок (5).

Цилиндрическая форма центрирующего буртика (6) облегчает точное изготовление буртика и гнезда в корпусе и обеспечивает продольную и поперечную фиксацию крышки.

От поворота относительно корпуса в плоскости стыка крышка не застрахована. Конструкция больше приспо­соблена для единичных подшипников. Для подшипников, расположенных в ряд, выгоднее применять продольные буртики и пазы, обрабатываемые с одной установки.

 

 

Рис. 9.46. Фиксация крышки подшипника в корпусе

Иногда крышку фиксируют продольными шлицами треугольного про­филя (7), изготовленными наружным протягиванием. При наличии соот­ветствующего оборудования способ вполне технологичен; соединение полу­чается очень сильным. С целью увеличения жесткости крепления приме­няют установку крышек в продольных гнездах корпуса (8 — 9).

Способы 1-9 обеспечивают фиксацию крышки только в поперечном направлении. Если подшипник воспринимает осевые нагрузки, то необхо­дима еще продольная фиксация, обеспечивающая совпадение торцов крышки и корпуса. Фиксацию осуществляют цилиндрическими поясками на шпильках (10), закладными стаканами (11), контрольными штифтами (12). Съемные конические контрольные штифты (13) обеспечивают более точную фиксацию, но сложнее в изготовлении и монтаже Их необходимо стопорить от выпадения. Фиксация продольными контрольными штифтами (14) применима только при возможности подвода сверл и разверток с торца подшипника. Восприятия продольных нагрузок этот способ не обеспечивает. Другой способ — крепление продольными штифтами (15), устанавливаемыми в отверстиях на вертикальных стыках крышки с корпу­сом. Систему замыкают стяжкой поперечными болтами. При невозмож­ности подхода сверлом и разверткой с торца подшипника штифты заменяют треугольными шлицами, обрабатываемыми протягиванием (16).

 

Уплотнение резьбовых соединений и рациональные конструкции

Резьбовые соединения обычной точности не герметичны. В случаях применения резьб в полостях, содержащих газы или жидкость под давлением, следует предусматривать меры против утечки через резьбу. Уста­новки прокладок под гайки (рис. 9.47, а) недостаточно (жидкость проса­чивается по виткам резьбы). В таких случаях следует применять колпачковые гайки (рис. 9.47, б) или устанавливать под гайки втулки со встав­ками из упругого материала (резины, пластиков), уплотняющего соединение по гладкому цилиндрическому пояску на болте (рис. 9.47, в).

Рис. 9.47. Уплотнение резьбовых соединений

Недопустимо устанавливать шпильки с выходом из торца в полость, содержащую жидкость под наливом или тем более под давлением (рис. 9.47, г). Установку шпилек на тугой резьбе с применением уплотня­ющих смазок нельзя рекомендовать, так как нет гарантии, что при замене шпилек в эксплуатации ремонтные шпильки будут установлены правильно. Завертывание шпилек на уплотняющих прокладках (рис. 9.47, д) усложняет конструкцию и не вполне надежно. Лучшим способом предупреждения утечки является установка шпилек в глухих бобышках (рис. 9.47, е).

Пробки в маслосодержащих полостях следует устанавливать на про­кладках. Свойством самоуплотнения обладает коническая резьба, особенно при завертывании в корпуса из пластичных металлов.

Следует избегать крепления на резьбе большого диаметра (рис. 9.48, 1), отдавая предпочтение болтовым и шпилечным соединениям (2). Резьбы большого диаметра трудно изготовлять, особенно в корпусных крупногабаритных деталях. Изготовление нарезных отверстий подкрепежные детали в общем экономичнее несмотря на увеличение числа отверстий. Соединение мелкими кре­пежными деталями удобнее в монтаже. Кроме того, оно обеспечивает возможность использования покупных кре­пежных деталей.

Рис. 9.48. Различные резьбовые соединения

Особенно следует избегать резьб большого диаметра в изделиях из сплавов Al, Mg, Zn, Ti и коррозионно-стойких сталей. Вязкость и низкие антифрикционные качества этих материалов способствуют образованию задиров на витках резьбы, затрудняющих завертывание.

Недопустимо выполнять нарезные отверстия со скошенным (3) или ступенчатым (5) входом. Завернуть крепежную деталь в такие отверстия очень трудно. Нарезать резьбу в них возможно, только предварительно оставив на торце отверстия плоский участок, который подлежит удале­нию после нарезания резьбы. Правильные конструкции показаны на видах 4 и 6.

Следует обеспечивать возможность силовой затяжки резьбовых соеди­нений. В ошибочных конструкциях 7, 9 силы трения, возникающие при затяжке на поверхности опорных фланцев, будучи приложены на большом радиусе, резко увеличивают крутящий момент затяжки и делают невоз­можной силовую затяжку. В правильных конструкциях 8, 10 силы трения действуют на минимальном расстоянии от оси болта, равном среднему радиусу опорной поверхности головки болта.

В конструкциях 11, с затяжкой по конической поверхности с малым углом конуса, силовая затяжка невозможна из-за тормозящего действия сил трения на конической поверхности, а также вследствие сжатия витков стержня витками гайки на участке конуса. Угол конуса рекомендуется делать не менее 900 (12).

Следует избегать завертывания на мягкий материал (набивка, про­кладки). Затяжка гайки сальника (13) вызывает скручивание и наволакивание набивки на торец гайки. Этого можно избежать, если установить промежуточное металлическое кольцо (14). На виде 15 приведен пример неправильной, а на видах 16, 17 правильных конструкций крышки с уплотняющей прокладкой.

Детали, нуждающиеся в точной угловой фиксации, не рекомендуется завертывать на резьбе. Правильную установку углового штуцера на резьбе (18) можно обеспечить с помощью шабрения торцовой поверхности опорного буртика или подбором толщины уплотняющей прокладки. И то и другое усложняет сборку. При последующих переборках правильное положение штуцера нарушается. Целесообразное решение в данном случае — установка щтуцера на фланце (19).

Придать кронштейну необходимое угловое положение при креплении на резьбе (20) с затяжкой до отказа практически невозможно. Целесообразно крепить кронштейн на цилиндрическом хвостовике (21), затягивая гайку после введения поручня и головку кронштейна. Можно также зафикси­ровать угловое положение кронштейна шпонкой (22) или фланцем (23).

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...