Соединения, работающие под ударной нагрузкой

Соединения, работающие под ударной нагрузкой

Условия работы циклически нагруженных соединений резко ухудшаются, если в соединении имеется зазор. Сопряженные поверхности периодически раздвигаются и смыкаются; нагрузка становится ударной. При неправильной конструкции соединение быстро выходит из строя в результате перегрева, наклепа и разбивания рабочих поверхностей.

Для увеличения работоспособности соединений, испытывающих ударные нагрузки, целесообразно следующее:

  • повышать упругость системы, вводя амортизаторы, смягчающие удары;
  • уменьшать напряжения на рабочих поверхностях заменой точечного и линейного контактов поверхностным и увеличением размеров поверхности;
  • придавать рабочим поверхностям повышенные прочность, твердость и термостойкость;
  • всемерно уменьшать или полностью устранять зазоры в соединениях;
  • подводить в соединения обильную смазку с целью создания амортизирующей масляной пленки, отвода теплоты, выделяющейся при ударах, и (в случае закаленных стальных поверхностей) с целью предупреждения отпуска;
  • уменьшать массу звеньев механизма для снижения инерционных нагрузок.

При контролируемой нагрузке (например, в механизмах, приводимых в действие кулачками) следует всемерно уменьшать нагрузку и степень ее ударности путем уменьшения ускорений, возникающих в системе (применение кулачков рационального профиля, например, параболических и полиномиальных).

Повышение работоспособности соединений, подвергающихся ударным нагрузкам

На рис. 230 приведен пример последовательного упрочнения узла привода поступательно-возвратно движущегося штока. Так как между поверхностями контакта неизбежен зазор h, то нагрузка имеет ударный характер. По кинематике системы движение коромысла 1 сопровождается смещением бойка по торцу штока, что делает условия работы соединения еще более тяжелыми. Работоспособность соединения можно повысить установкой закаленных до высокой твердости бойка и наконечника на штоке (конструкция 2). Недостаток конструкции — точечный контакт.

Условия работы сочленения улучшают также применением бойка с цилиндрической поверхностью большого радиуса, обеспечивающей линейный контакт с пониженными контактными напряжениями (конструкция 3). Еще лучше конструкция 4, где трение скольжения заменено трением качения.

В наиболее целесообразных конструкциях 5 и 6 боек выполнен в виде сферического вкладыша с плоской рабочей поверхностью. Линейный контакт здесь заменен поверхностным, вследствие чего давления на рабочих поверхностях резко снижаются. Благодаря сферической форме вкладыша соединение обладает свойством самоустанавливаемости, что обеспечивает равномерное распределение нагрузок на рабочей поверхности при всех возможных перекосах системы.

В конструкциях 4 и 6 рабочая поверхность штока стеллитирована.

Толкатели

Пример увеличения упругости системы толкателя приведен на рис. 231, а. При превышении силы предварительной затяжки пружина сжимается, смягчая удар. Систему применяют в тех случаях, когда при повышенных значениях приводной силы допустимо некоторое отклонение закона движения конечного звена механизма от расчетного, задаваемого профилем приводного кулачка. Целесообразно уменьшать зазор в соединении. Введение регулирования позволяет установить минимальный зазор, совместимый с условием правильной работы механизма, а также компенсировать его увеличение в результате износа. Однако регулирование усложняет эксплуатацию, так как требует периодического контроля состояния механизма.

Наилучшим решением является автоматическое устранение зазора в соединении. Одно из решений этой задачи — введение гидравлических компенсаторов.

Гидравлический толкатель привода клапанов двигателя внутреннего сгорания (рис. 231, б) состоит из стакана 1, в котором скользит плунжер 2 со сферическим гнездом под шток клапанного механизма. По системе каналов в полость А под плунжером подается масло из нагнетательной магистрали двигателя. Открывая запорный шариковый клапан, масло выдвигает плунжер из стакана до полного выбора зазора h во всех соединениях звеньев механизма. Давление, оказываемое маслом на плунжер, уравновешивают, усиливая пружину клапана или устанавливая на толкатель дополнительную возвратную пружину. При набегании кулачка на толкатель давление масла под плунжером возрастает, вследствие чего шариковый клапан закрывается. Сила привода передается через столб масла, запертого в полости А. Вследствие практической несжимаемости масла, механизм работает как жесткая система. После того как кулачок сбегает с толкателя, давление под плунжером падает, и масло из магистрали снова устремляется под плунжер, восполняя утечку, произошедшую за рабочий ход толкателя вследствие просачивания масла через зазоры между плунжером и стаканом.

Система автоматически обеспечивает беззазорную работу механизма при изменениях зазора в результате тепловых расширений системы, а также износа звеньев механизма.

Как видно из предыдущего, утечка масла из-под плунжера не сказывается на работе механизма. Более того, она является непременным условием его правильной работы. Если бы система была герметичной, то при уменьшении температуры двигателя (спад нагрузки, работа на холостом ходу), когда зазор в соединении уменьшается, возникла бы опасность неполного закрытия клапанов. Плунжеры, выдвинутые из стаканов в соответствии с предшествующим увеличенным зазором, не имея возможности осесть, держали бы клапаны двигателя несколько приоткрытыми, что нарушило бы правильное газораспределение. Утечка масла позволяет механизму приспосабливаться к уменьшению зазоров.

В начальные периоды пуска, когда давление в масляной магистрали отсутствует, система кратковременно работает при больших зазорах, так как усилие привода в это время передается упором плунжера в торец стакана. Как только масляный насос развивает давление, система вступает в действие. Для сокращения продолжительности периодов работы с большим зазором целесообразно уменьшать объем нагнетательной магистрали и масляных полостей толкателей, например, с помощью вытеснителей m, выполненных из легких материалов, увеличивать производительность масляного насоса или питать магистраль в пусковой период масляным насосом, приводимым от независимого источника энергии.

В гидравлическом толкателе по рис. 231, в полость А под плунжером отделена от масляной полости дросселем 3. При повышении давления в полости А (набегание кулачка) происходит гидравлическая закупорка дросселя. После сбегания кулачка подача масла в полость А возобновляется.