Если полную равнопрочность трудно обеспечить из-за сложной конфигурации детали и неопределенности действующих в ней напряжений, то ограничиваются удалением металла из явно малонапряженных участков, находящихся в стороне от силового потока.
Шестерни 1 типа дисков (рис. 36) целесообразно облегчать выборками 2. Фланцевые валы 3 облегчают удалением излишнего материала под центрирующими буртиками и буртиками для фиксации головок болтов 4, а также заменой прямоугольного сопряжения фланца с радиусным валом 5. Уменьшение массы сопряжения в последнем случае составляет ~20%.
Значительного уменьшения массы можно достичь изменением круглой формы фланца на многоугольную 6 или форму с выкружками 7. Выигрыш в массе зависит от числа болтов. В рассматриваемом случае (шесть болтов) он очень велик. Масса болтового пояса фланца 6 уменьшается примерно на 30%, а фланца 7 — на 40% по сравнению с круглым фланцем.
В коленчатых валах 8 внешние углы m щек не участвуют в передаче сил от шатунных шеек к коренным. Удаление этих углов, не снижая прочности вала 9, дает заметный выигрыш в массе. Равным образом целесообразно удаление излишнего материала на участках n щек 10—12.
Последовательные этапы 13—17 облегчения консольного вала шестерни показаны на рис. 36.
Коническое зубчатое колесо 18 можно облегчить удалением части зубьев на меньшем диаметре 19, мало участвующих в передаче сил вследствие пониженной их жесткости. Помимо выигрыша в массе укорочение зубьев способствует более равномерному распределению нагрузки по длине зуба и уменьшению действующей на зубья силы вследствие увеличения среднего радиуса ее приложения.
Клеммные соединения 20 облегчают удалением избыточного материала на ушках и у основания клеммы 21. Детали типа кронштейнов 22, работающие на изгиб, можно облегчить удалением малонагруженного материала в центральной части корпуса кронштейна 23.
В конструкциях 24—26 пазового поводка облегчение достигнуто изменением наружной конфигурации диска поводка, в конструкциях 27—29, помимо того, — уменьшением толщины диска. Ширина рабочих граней пазов, определяющая несущую способность поводка, сохранена прежней путем окантовки пазов.
Двутавровый рычаг 30 можно облегчить удалением неработающих средних участков тавра 31 или приданием рычагу решетчатой ферменной формы 32.
В табл. 6 приведены способы облегчения сателлитодержателя с консольными пальцами.
Табл. 6. Облегчение конструкции сателлитодержателя
| № | Эскиз | Способ облегчения |
|---|---|---|
| 1 |  | Исходная конструкция |
| 2 |  | Кольцевая выборка на участке между ступицей и поясом крепления пальцев |
| 3 |  | То же. Сквозные отверстия в промежутках между пальцами |
| 4 |  | Фигурная выборка диска между ступицами пальцев |
| 5 |  | Утонение диска |
| 6 |  | Ступицы пальцев для увеличения жесткости охвачены кольцевым ребром |
| 7 |  | Ступицы пальцев подкреплены внутренним кольцевым ребром |
| 8 |  | Пояс крепления пальцев усилен двумя кольцевыми ребрами |
| 9 |  | Ступицы пальцев соединены радиальными ребрами с центральной ступицей |
| 10 |  | Ступицы пальцев подкреплены шестиугольной рамкой |
| 11 |  | Уменьшение высоты шестиугольной рамки |
| 12 |  | Звездчатая конструкция |
Не следует пренебрегать возможностями облегчения удалением лишнего металла даже на мелких деталях и на отдельных участках деталей. Несмотря на то, что выигрыш в массе в каждом таком частном случае невелик, общий эффект ввиду частой встречаемости таких деталей довольно значителен.
На рис. 37 приведены примеры уменьшения массы деталей типа пробок 1—6, резьбовых валов 7—9, ступенчатых валов 10—12, ступенчатых отверстий 13—15, втулок 16—19, дисков 20—21, кольцевых гаек 24—26.
Заметный выигрыш в массе машины дает облегчение крепежных деталей. Придание рациональных форм крепежным деталям сопровождается прочностными и технологическими выгодами. В качестве примера приведен случай стяжного болта 27. Облегченная конструкция 28 обладает повышенной циклической прочностью, особенно если резьба выполнена накатыванием, а стержень редуцированием.
В случае призонного болта 29 уменьшение диаметра стержня 30 обеспечивает еще сокращение объема точной механической обработки.
В машинах, где снижение массы играет большую роль, применяют облегченные гайки и головки болтов с уменьшенными радиальными размерами.
Влияние диаметра на эффективность облегчения. При облегчении цилиндрических деталей типа дисков, крышек, колец, а также деталей с фигурными наружными очертаниями, например, в виде многоугольников, следует иметь в виду, что наибольший эффект дает снятие материала с периферии и относительно меньший — на участках, близких к центру.
Сравним эффективность снижения массы при уменьшении размеров на различных диаметрах. На рис. 38, а приведен диск с ободом и ступицей.
Определим выигрыш в массе при удалении участков металла одинаковой ширины b на ободе и ступице (на рисунке зачернены).
Объем металла, снимаемого с обода, V1 = 0,785·b·D22[1-(D1/D2)2].
Объем металла, снимаемого со ступицы, V2 = 0,785·b·d22[1-(d1/d2)2].
Отношение
подчинено квадратичной зависимости, ослабленной влиянием отношения наружных и внутренних диаметров обода и ступицы.
Пусть толщина стенок обода и ступицы одинакова и D1/D2 = 0,8. При изображенных на рисунке соотношениях d1/d2 = 0,5 формула (35) принимает вид
При D2/d2 = 3 отношение V1/V2 = 4,5. В частном случае D1/D2 = d1/d2 получается чисто квадратичная зависимость V1/V2 = (D2/d2)2 = 9.
На рис. 38, б представлен случай уменьшения массы удалением кольцевых объемов одинаковой толщины s с различных диаметров.
В данном случае объем, снимаемый с обода, V1 ≈ πDal, объем, снимаемый со ступицы V2 = πdal и отношение V1/V2 = D/d, т. е. прямо пропорциональны отношению диаметров.
Таким образом, выигрыш от удаления металла на различных диаметрах зависит от способа облегчения и конфигурации детали. Зависимость его от диаметра колеблется в пределах от D/d до (D/d)2.
Способ уменьшения толщины по направлению к периферии широко применяют для облегчения деталей типа дисков, фланцев, крышек, тем более что эта форма часто соответствует закону изменения напряжений по радиусу (крышки, нагруженные осевой силой, приложенной в центре; фланцы, нагруженные крутящим или опрокидывающим моментом; вращающиеся диски, нагруженные центробежными силами).
Выигрыш от утонения дисков к периферии можно оценить для простейшего случая замены диска прямоугольного профиля (в меридиональном сечении) трапецеидальным (рис. 39).
Объем диска прямоугольного профиля V0 = 0,785D2B. Объем трапецеидального диска
Отношение массы m трапецеидального диска к массе m0 диска прямоугольного профиля
т. е. зависит от отношения b/В.
При b/В = 0 (треугольный профиль) диск получается в 3 раза легче диска прямоугольного профиля. Для наиболее употребительного диапазона b/В = 0,3—0,5 масса трапецеидальных дисков равна 0,5—0,65 массы диска прямоугольного профиля.
На рис. 40, а и б приведен пример утонения фланца по направлению к периферии. Для увеличения жесткости и устойчивости в поперечном направлении облегчаемым фланцам часто придают коническую форму (рис. 40, в).
Предпочтительность сокращения объемов металла на больших диаметрах следует иметь в виду и при облегчении мелких деталей. Втулки следует облегчать выборками не по внутреннему диаметру (рис. 41, а), а по наружному (рис. 41, б).
Отношение массы первых втулок к массе вторых (при ровной толщине стенок): для внешней втулки
для внутренней
При отношениях, изображенных на рис. 41, для внешней втулки m1/m2 = 0,92 и внутренней g1/g2 = 0,88. Таким сравнительно малым выигрышем (8—12%) не следует пренебрегать, если учесть распространенность подобных деталей в машиностроении.
Влияние галтелей, скосов и конусов. Массу деталей можно заметно снизить увеличением радиусов сопряжения стенок детали, т. е. приданием им более плавных очертаний.
Случай 1. Сопряжение двух плоских стенок под углом 90° (рис. 42, а).
Выигрыш от увеличения радиуса галтели характеризуется легко выводимым соотношением
где r и R — соответственно исходный и увеличенный радиусы галтели; m и m0 — массы сопряжений.
По сравнению с сопряжением без галтели (r = 0) m/m0 = π/4 = 0,785, т. е. выигрыш равен ~20%.
При скосе стенок сопряжения (рис. 42, б) отношение массы m скошенного соединения к массе m0 соединения под прямым углом
Это отношение имеет минимум при α = 45°, равный 0,71. Таким образом, выигрыш в массе по сравнению с сопряжением под прямым углом составляет ~30%.
Случай 2: Сопряжение трех взаимно перпендикулярных плоских стенок.
При увеличении радиуса сферической галтели от r до R
По сравнению с сопряжением под прямым пространственным углом (г = 0)
т. е. выигрыш равен 48%.
Для случая скоса под прямым углом 45° пространственного сопряжения трех взаимно перпендикулярных стенок
т. е. выигрыш равен 43%.
Подчеркиваем, что речь идет о сокращении только массы сопряжения; выигрыш в массе всей детали, естественно, зависит от соотношения массы сопряжений и массы детали в целом.
На рис. 42, в—д) показаны способы облегчения сопряжения цилиндрических тел, состоящих из плоской стенки и обечайки, введением галтелей и скосов на участке сопряжения, а также заменой плоской стенки конусом.
Уменьшение массы при введении галтели (рис. 42, в) выражается соотношением
тле D — диаметр обечайки
По сравнению с прямоугольным сопряжением (R = 0)
т. е. выигрыш при замене прямоугольного сопряжения галтельным равен ~20%.
Уменьшение массы в результате скоса или замены плоской стенки конусом
Отношение m/m0 показано на рис. 43 в функции α для различных значений d/D.
Придание стенкам конусности с углом α до 60° даст значительный выигрыш. Снижение массы в рассматриваемом случае обусловлено главным образом уменьшением длины обечайки на величину m.
Если длина обечайки задана, то коническая форма увеличивает массу стенки в отношении m/m0 = 1/cos α.
Увеличение массы незначительно (4% при α = 15° и 6% при α = 20°). Поэтому сознательно идут на это, учитывая, что конические стенки повышают жесткость детали.
Конусообразные формы не рекомендуются для деталей, вращающихся с большой частотой, так как в данном случае центробежные силы вызывают сложный пространственный изгиб конического диска, стремясь как бы придать ему плоскую форму.