Неразъемные соединения

 

14.1 Название параграфа №1

В результате изучения студент должен знать:
- достоинства и недостатки сварных соединений;
- виды сварных соединений и сварных швов;
- критерии работоспособности сварного соединения;
- формулы для расчета на прочность сварных швов.

Содержание лекции
Общие сведения сварных соединений 
Преимущества сварного соединения 
Недостатки сварного соединения 
Виды сварных соединений 
Геометрия сварного шва
Критерии работоспособности сварных соединений
 

Общие сведения сварных соединений

Сварное соединение – неразъёмное соединение, выполненное сваркой, т.е. путём установления межатомных связей между свариваемыми частями при нагревании или пластическом деформировании.

Сварные соединения являются наиболее распространёнными и совершенными из неразъёмных соединений, так как лучше других обеспечивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструкции.

Металл соединяемых сваркой деталей – основной; металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному, называется присадочным; переплавленный присадочный металл, введённый в сварочную ванну, называется наплавленным. Участок соединения, образовавшийся в результате кристаллизации металлической сварочной ванны, называется сварным швом.

Преимущества сварного соединения- невысокая стоимость соединения, благодаря малой трудоёмкости и простоте сварного шва;
- сравнительно небольшая масса;
- сечение детали не ослабляется отверстием;
- герметичность автоматизации процесса сварки.

Недостатки сварного соединения
- появление коробления, остаточных напряжений после сварки;
- недостаточная надёжность при вибрационных ударных нагрузках.
- трудность контроля качества;
- квалификация рабочего.

Виды сварных соединений
Виды сварки:
- плавлением (дуговая и контактная),
- давлением.

Виды сварных соединений: 
- стыковое рис. 4.2.1,
- нахлесточное рис. 4.2.2;
- угловое рис. 4.2.3,
- тавровое рис. 4.2.4.

 

Рисунок 4.2.1 Виды сварных стыковых соединений



Рисунок 4.2.2 Виды сварных нахлесточных соединений


Рисунок 4.2.3 Виды сварных угловых соединений


Рисунок 4.2.4 Виды сварных тавровых соединений

Геометрия сварного шва

Сварной шов рис. 4.2.5 характеризуется катетом К, толщиной свариваемых деталей, длиной шва l_ш . Сварные швы могут быть непрерывными и прерывистыми. Сварные швы по форме поперечного сечения могут быть нормальными 1, выпуклыми 2 и вогнутыми 3.



Рисунок 4.2.5 геометрия сварного шва

В зависимости от расположения к направлению действующей нагрузки различают швы рис. 4.2.6 лобовые (а) и фланговые (б); косые и комбинированные (в).



Рисунок 4.2.6 Виды сварных швов

Критерии работоспособности сварных соединений

Критерием работоспособности сварных соединений является прочность, причём предполагается, что напряжение в опасных сечениях распределены равномерно. Расчёты сварных соединений:
условие прочности стыковых швов:
нахлёсточные соединения рассчитываются на срез:
Допускаемые напряжения при расчёте сварных соединений принимают пониженными, в долях от допускаемых напряжений для основного металла. Нормы допускаемых напряжений для сварных соединений деталей из низко- и среднеуглеродистых сталей при статической нагрузке указаны в таблице

Таблица

Примечание: В таблице [p] – допускаемое напряжение на растяжение для материал соединяемых деталей. Для сталей Ст2 [p] = 140 Н/мм2, для Ст3 [p] = 160 Н/мм2.

Тема 14.2. Неразъёмные соединения. Клепаные и клеевые соединения. Соединения с натягом

В результате изучения студент должен знать: 

- достоинства и недостатки заклепочных и клеевых соединений;

- критерии работоспособности соединений;

- формулы для расчета на прочность.

Содержание лекции

Клепаные соединения

Достоинства, недостатки клепаных соединений

Классификация клёпаных соединений 

Критерии работоспособности заклёпочных соединений 

Расчёт на прочность элементов заклёпочного шва 

Клеевые соединения 

Достоинства, недостатки клеевых соединений

Классификация клеев

Расчет на прочность клеевых соединений Соединения с натягом

Классификация соединений с натягом 

Достоинства, недостатки соединений с натягом

Расчет на прочность соединений с натягом

Клепаные соединения

Заклёпочным называется соединение деталей с применением заклёпок – крепёжных деталей из высокопластичного материала, состоящих чаще всего из стержня и закладной головки; конец стержня расклёпывается для образования замыкающей головки. 

Заклёпочное изделие является неразъёмным и неподвижным, так как в нём отсутствует возможность относительного движения составных частей. Ряды поставленных заклёпок образуют заклёпочный шов. Применяют для изделий из листового, полосового материала или профильного проката в конструкциях, работающих в условиях ударных или вибрационных нагрузок (авиация, водный транспорт, металлоконструкции мостов, подкрановых балок и т.д.) при небольших толщинах соединяемых деталей из материалов, не допускающих нагрева или не свариваемых.

Достоинства клепаных соединений

1) хорошо работают в конструкциях, подверженных вибрациям и повторным динамическим нагрузкам, где сварные соединения недостаточно надёжны;

2) применяют для соединения материалов, не свариваемых или трудносвариваемых, недопускающих нагрев при сварке, коробящихся или меняющих механические характеристики.

Недостатки клепаных соединений

1) повышенная металлоёмкость;

2) трудоёмкость изготовления;

3) невысокая технологичность.

Классификация клёпаных соединений

1) по функциональному назначению: прочные, плотные;

2) по конструкции: нахлёсточные рис.4.2.7.а, рис.4.2.7.б и стыковые рис.4.2.7. в, рис. 4.2.7.г; 

с одной накладкой рис.4.2.7.а, рис.4.2.7.б, рис. 4.2.7.в или двумя накладками рис.4.2.7.г;

3) по форме головок заклепок: рис. 4.2.8 

с полукруглой а), 

потайной б), 

полупотайной в), плоской е), 

полукруглой низкой д). 

- в зависимости от соединяемой детали: полупустотелые, пустотелые рис. 2г), взрывные, повышенного качества.

 

Критерии работоспособности заклёпочных соединений

Критерием работоспособности клёпаных соединений является прочность, причём при расчётах предполагается, что напряжения в сечениях распределены равномерно.

Расчёт на прочность элементов заклёпочного шва

1. Расчёт односрезного соединения. Нагрузка на одну заклёпку:


где F – нагрузка на соединение, 

z – число заклёпок.

Условие прочности на срез (сдвиг): 

где i – число площадок среза.

Необходимое число заклёпок с одной стороны от стыка


3. Расчёт заклёпок и листов на смятие. 

Площадь смятия: 

где  - минимальная толщина (толщина наиболее тонкого листа). Условие прочности на смятие 



где  - допустимое напряжение смятия, 

= (0,4…0,5) ;  временное сопротивление материала детали. Необходимое число заклёпок из расчёта на смятие соединяемых деталей



4. Расчёт соединяемых листов на растяжение. Расчёт проводиться в сечении, ослабленном под заклёпки.

Условие прочности: 

где  - меньшая из толщин листов,

b – ширина листа, 

z’ – число заклёпок в ряду.

Клеевые соединения

Клеевым называется неразъёмное соединение составных частей изделия с применением клея. Действие клеев основано на образовании межмолекулярных связей между клеевой плёнкой и поверхностями склеенных материалов. Применяют для соединения металлических, неметаллических и разнородных материалов. Клеевые соединения применяют в таких ответственных конструкциях, как летательные аппараты и мосты.

Достоинства клеевых соединений

1) возможности соединения практически всех конструкционных материалов в любых сочетаниях, любой толщины и конфигурации;
2) герметичность; 
3) коррозийная стойкость соединений;
4) не создают концентрации напряжений, 
5) не вызывают коробления деталей; 
6) надёжно работают при вибрационных нагрузках;
7) клеевые соединения дешевле; 
8) клеевые конструкции при прочих равных условиях обладают меньшей массой.

Недостатки клеевых соединений

1) сравнительно невысокая прочность, в особенности при неравномерном отрыве;
2) относительно невысокая долговечность некоторых клеев («старение»);
3) низкая теплостойкость;
4) необходимость соблюдения мер по технике безопасности (установка приточно-вытяжной вентиляции);
5) для большинства соединений требуется нагрев, сжатие и длительная выдержка соединяемых деталей.

Классификация клеев

По природе основного компонента различают клеи:

- неорганические;
- органические;
- элементоорганические;

В зависимости от склеиваемых материалов и условий работы:
- БФ-2, БФ-4 (склеивания стали, алюминиевых и медных сплавов, стекла, пластмасс, кожи);
- клей 88 (склеивание металлов и неметаллов, дюралюминия с кожей и резиной, дерева с резиной и других материалов);
- эпоксидный клей ЭД-20 (склеивание и герметизации неразъёмных соединений из стали, алюминия, керамики, стекла и других материалов, обеспечивая термостойкое соединение).

По геометрии клеевого шва:
- по косому срезу рис.4.2.9.а,
- с накладными 4.2.9.б,
- нахлёсточными 4.2.9.в

 

Рисунок 4.2.9 Виды клеевых соединений листов

Расчет на прочность клеевых соединений
(аналогичен расчёту сварных соединений):


- расчёт шва на прочность клеевого шва нахлёсточного соединения производят по формуле:  где  - расчётное напряжение на срез в клеевом шве. Допустимое напряжение на срез шва для клея БФ-2 [ ] = 15…20 Н/мм2, для клея БФ-4 [ ] = 25…30 Н/мм2.

Соединения с натягом

Соединения с натягом осуществляют подбором соответствующих посадок, в которых натяг создается необходимой разностью посадочных размеров насаживаемых одна на другую деталей. Взаимная неподвижность соединяемых деталей обеспечивается силами трения, возникающими на поверхности контакта деталей. Увеличению коэффициента трения способствуют микронеровности на сопряженных поверхностях. Соединения деталей с натягом широко применяют при больших динамических нагрузках и отсутствии необходимости в частой сборке и разборке. В последнее время посадки с натягом применяют в соединениях с валом зубчатых и червячных колес вместо шпоночных соединений.

Из соединений деталей с натягом наибольшее распространение получили цилиндрические соединения, в которых одна деталь охватывает другую по цилиндрической поверхности.

Характерными примерами деталей, соединенных посадками с натягом, являются: венцы зубчатых и червячных колес (рис.4.2.10.а), подшипники качения (рис. 4.2.10.б), роторы электродвигателей и т. д.

Соединения деталей с натягом условно относят к неразъемным соединениям, однако цилиндрические соединения, особенно при закаленных поверхностях, допускают разборку (распрессовку) и новую сборку (запрессовку) деталей.

Рисунок 4.2.10 Виды соединений с натягом

Классификация соединений с натягом

Цилиндрические соединения по способу сборки разделяются: 
1) на соединения, собираемые запрессовкой;
2) на соединения, собираемые с предварительным нагревом охватывающей или с охлаждением охватываемой детали. Прочность соединения деталей, собираемых с нагревом или охлаждением, выше прочности соединений запрессовкой (примерно в 2,5 раза). Для сталей допускаемая температура нагрева [t]=230…240°С, для бронз [t]= 150…200°С. В зависимости от требуемой температуры охватывающую деталь нагревают в воде (до 100°С), в масле (до 130°С), в электрической или газовой печи.

Охватываемую деталь охлаждают сухим льдом (температура испарения — 80°С) или жидким азотом (температура испарения — 200 °С). 
3) на соединения, собираемые с предварительным нагревом охватывающей и с охлаждением охватываемой детали.

Достоинства соединений с натягом

1) Простота конструкции и хорошее базирование соединяемых деталей.
2) Большая нагрузочная способность.

Недостатки соединений с натягом

1) Сложность сборки и особенно разборки. 
2) Рассеивание прочности соединения в связи с колебаниями действительных посадочных размеров в пределах допусков.

Расчет на прочность соединений с натягом

Прочность соединения обеспечивается натягом, который образуется в выбранной посадке. Значение натяга определяется потребным контактным давлением р_m на посадочной поверхности соединяемых деталей. Это давление должно быть таким, чтобы силы трения, возникающие на посадочной поверхности соединения, оказались больше внешних сдвигающих сил.

Критерием работоспособности соединений с натягом является контактная прочность. Контактные давления в направлении длины деталей изменяются по закону кривой (рис.4.2.11). Концентрация давлений у краев отверстия вызвана вытеснением сжатого материала от середины в обе стороны. У торцов они больше средних давлений в 2…3,5 раза. Расчет на прочность деталей соединения основан на предположении, что контактные давления распределяются равномерно по поверхности контакта. Опасным элементом соединения, как правило, является охватывающая деталь.

 

Рисунок 4.2.11 Распределение сил и напряжений в соединениях с натягом

Взаимная неподвижность деталей соединения с натягом обеспечивается соблюдением условия: p_m>[p_v]_max 



где [p_m]_max=0,5  - максимальное контактное давление, допускаемое прочностью охватывающей детали,

-предел текучести материала охватывающей детали. При нагружении соединения осевой силой F 



где р_m — среднее контактное давление, 

К = 2…4,5 — коэффициент запаса сцепления для предупреждения контактной коррозии (изнашивания посадочных поверхностей вследствие их микроскольжения при действии переменных нагрузок, особенно в период пуска и остановки), 

d, l — диаметр и длина посадочной поверхности,

f—коэффициент сцепления (трения).

При нагружении соединения вращающим моментом Т (рис.4.2.11)

center>

При сборке соединения микронеровности посадочных поверхностей частично срезаются и сглаживаются 




Рисунок 4.2.12 Образование посадки с натягом

Для компенсации этого в расчет вводят по правку u. 

Если соединение с натягом подвержено нагреву в процессе работы и собрано из деталей разных материалов (например, соединение бронзового зубчатого венца червячного колеса с чугунным или стальным центром), то вследствие температурных 

деформаций деталей происходит ослабление натяга соединения. Для компенсации этого в расчет вводят поправку на температурную деформацию 

Максимальный допустимый натяг соединения, гарантирующий прочность охватывающей детали: 



Минимальный допустимый натяг соединения, гарантирующий прочность охватывающей детали: 

По значению минимального и максимального натягов подбирают стандартную посадку.

1. Для облегчения установки под прессом и во избежание образования заусенцев, соединяемые детали должны иметь приемные фаски (рис. 4.2.13).

Рисунок 4.2.13 Приемные фаски для соединения с натягом

При наличии свободного места на валу рекомендуется выполнять центрирующий участок со свободной посадкой (рис.4.2.14.б).

2. Для повышения усталостной прочности вала под ступицей обычно номинальный посадочный диаметр увеличивают с применением плавных переходов – галтелей (рис. 4.2.14.а). Для той же цели могут быть применены разгрузочные канавки на валах у ступиц (рис. 4.2.14.б) или на торцах ступиц (рис. 4.2.14.в), укорочение посадочной части вала (рис.4.2.14.а).

Рисунок 4.2.14 Конструктивные особенности вала и ступицы в соединениях с натягом