Влияние упругости на распределение нагрузки

Влияние упругости на распределение нагрузки

Упругие деформации деталей существенно влияют на распределение нагрузки и напряжений в теле детали. Необходимо отчетливо представлять направление упругих деформаций и целесообразно их использовать для выравнивая нагрузок и снижения напряжений.

В качестве примера приведем узел шлицевого соединения приводного зубчатого колеса с валом (рис. 319, а). Диск колеса смещен по отношению к шлицам. Крутящий момент, передаваемый колесом, воспринимается преимущественно участком шлицевого соединения, расположенным в узле жесткости — в плоскости диска (распределение напряжений смятия на рабочих гранях шлицев представлено эпюром). При противоположном расположении колеса на шлицевом валу (рис. 319, б) крутящий момент вызывает закручивание последнего, в результате чего шлицы, расположенные слева от зубчатого колеса, смыкаются по длине со шлицами ступицы, в свою очередь вызывая скручивание ступицы, вследствие чего крутящий момент передается по длине соединения более равномерно. Система до известной степени обладает свойством саморегулирования: чем больше крутящий момент и закручивание вала, тем равномернее становится нагрузка на шлицы.

В соединении с натягом (рис. 319, в) давление на контактной поверхности сосредоточивается преимущественно в узле жесткости — в плоскости диска насадной детали. При центральном расположении диска и утонении ступицы к торцам распределение давления становится более равномерным (рис. 319, г). Другой пример использования упругости для равномерного распределения сил — узел заделки колонны. При обычной конструкции (рис. 319, д) основная нагрузка приходится на узел жесткости — участки перехода фланца в тело колонны.

Если опорную поверхность фланца выполнить слегка конической (рис. 319, е), то при затяжке фланец касается привалочной поверхности сначала периферией, затем, упруго деформируясь по мере увеличения силы затяжки, ложится на поверхность всей плоскостью. Результатом является более равномерное распределение сил по опорной поверхности, а также увеличение жесткости и устойчивости крепления.

Влияние упругости на распределение нагрузки

В узле крепления турбинной лопатки и роторе на елочном замке (рис. 319, ж) рабочие поверхности трапецеидальных зубьев лопатки, воспринимающие центробежную силу Р, в исходном положении соприкасаются с упорными поверхностями пазов ротора. С приложением нагрузки хвостовая часть лопаток растягивается; тело ротора, обладающее большой жесткостью, деформируется в меньшей степени. Вследствие этого нагрузку воспринимают преимущественно первые зубья (см. эпюр).

В конструкции (з) зубья выполнены по отношению к пазам с зазорами h1, h2, h3, последовательно возрастающими от хвостовика к основанию. При растяжении лопатки рабочие поверхности зубьев смыкаются с упорными поверхностями пазов ротора, нагрузка между зубьями распределяется более равномерно, отчего соединение становится прочнее. Практически в конструкции елочных соединений учитывают еще тепловые деформации, вызванные неравномерным нагревом лопаток и межлопаточных участков ротора, а также ползучесть материала хвостовика.

Упругость систем необходимо учитывать при конструировании подшипниковых узлов. В конструкции (и) парной установки подшипников наибольшую часть нагрузки несет подшипник, расположенный в узле жесткости (плоскость стенок корпуса). Второй подшипник, установленный на ступице, нагружен незначительно вследствие податливости ступицы. Нагрузку на подшипники можно выровнять, увеличив несущую способность узла, если усилить ступицу второй перегородкой (конструкция к).

В конструкции (л) подшипники установлены в стальной тонкостенной втулке, благодаря упругости которой система приспосабливается к перекосам вала, т. е. приближается к системе установки подшипников в сферической опоре.

Маневрируя упругостью, можно достичь рационального распределения нагрузки между подшипниками. В подшипниковом узле, нагруженном радиальной силой Р и односторонней осевой нагрузкой Q (вид м), целесообразно разделить функции подшипников: один нагрузить только радиальной силой, второй — только осевой. Это достигается установкой подшипников в консольной втулке. Подшипник 1 воспринимает радиальную нагрузку; подшипник 2 — только осевую нагрузку.

На рис. 319, (н—m) приведен пример упрочнения узла штифтового соединения стержня с трубой. Вследствие того, что труба значительно жестче стержня, нагрузка воспринимается преимущественно верхним штифтом. Простейший способ выровнять нагрузку заключается в том, чтобы несколько увеличить диаметр отверстия в стержне под верхний штифт. Вначале нагружается только нижний штифт. Растягиваясь, стержень касается верхнего штифта, передавая на него нагрузку. Другой способ заключается в создании предварительного напряженного состояния системы, для того чтобы при сборке нагрузить штифты силами, противоположными направлению рабочей силы. Этого можно достичь, например, следующим приемом: производить совместную обработку отверстий в стержне и трубе, а также установку штифтов с предварительным подогревом стержня. После охлаждения стержень укорачивается, и в системе возникают предварительные напряжения. Выровнять нагрузку на штифты можно также уменьшением жесткости трубы на участке между верхним и нижним штифтами (рис. 319, m).