Фланцевые соединения для передачи крутящего момента

Фланцевые соединения для передачи крутящего момента

Фланцевые соединения для передачи крутящего момента.

Фланцевые соединения применяют преимущественно для соединения валов (рис. 623, а), а также для крепления на валах деталей дискового (вид б) и барабанного (вид е) типа.

Крутящий момент передается призонными болтами или специальными элементами, работающими на срез и смятие, а отчасти силами трения, возникающими на стыковых поверхностях при затяжке стяжных болтов.

Соосность соединяемых деталей достигается центрирующей выточкой m (рис. 623, б) и строгой перпендикулярностью стыковых поверхностей относительно осей соединяемых деталей.

Увеличение диаметра расположения элементов, передающих крутящий момент, уменьшает окружную силу и дает возможность увеличить число элементов.

Фланцевые соединения

Преимуществом фланцевых соединений является практически беззазорная передача крутящего момента, достигаемая посадкой призонных болтов с натягом. Силы трения, возникающие на стыке при затяжке болтов, предупреждают микросмещения сопрягающихся поверхностей, поэтому фланцевые соединения почти не подвержены наклепу, свариванию и фрикционной коррозии, которые часто встречаются в ступичных соединениях.

Крутящий момент, передаваемый фланцевым соединением, определяется сопротивлением болтов срезу и силой трения на стыке:

Крутящий момент, передаваемый фланцевым соединением, определяется сопротивлением болтов срезу и силой трения на стыке

где D — диаметр окружности расположения центров болтов; z1 и d1 — соответственно число и диаметр призонных болтов; z2 и d2 — соответственно число и диаметр стяжных болтов; [τ] и [σ] — соответственно допустимые напряжения среза и растяжения болтов; f — коэффициент трения на стыке соединения (f = 0,10—0,15).

Отношение

Flanc soed krut mom 3

представляет долю крутящего момента, передаваемого трением.

Если все болты призонные (z2 = 0) и напряжение среза равно напряжению растяжения в болтах [τ] = [σ], то

Flanc soed krut mom 4

и при f = 0,1 равно 10%.

При расчете фланцевых соединений силу трения обычно не учитывают, относя ее в запас надежности работы соединения. Предполагая, что все болты являются призонными, находим из уравнения (168) диаметр расположения болтов

Flanc soed krut mom 5

где z и d — число и диаметр болтов, мм; Мкр — крутящий момент, Н·м.

Максимальное число болтов, которые можно разместить на фланце,

Максимальное число болтов, которые можно разместить на фланце

где tmin — минимальный шаг болтов, допустимый из условия завертывания гаек (рис. 624, а).

Размеры фланцевых соединений

Для шестигранных гаек при затяжке их торцовым ключом tmin ≈ 2,5d, а ключом с открытым зевом tmin ≈ 3d.

При ограниченных радиальных размерах с целью увеличения числа стяжных болтов фланцы стягивают инертными болтами (рис. 624, б), располагая их головки по разным сторонам фланца в шахматном порядке. При этом расстояние между осями болтов можно сократить до tmin ≈ 1,8d.

В наиболее общем случае затяжки гаек ключами с открытым зевом (tmin ≈ 3d) предельное число болтов

В наиболее общем случае затяжки гаек ключами с открытым зевом предельное число болтов

Подставляя это выражение в формулу (169), получаем минимальный из условия размещения болтов диаметр фланца

Минимальный из условия размещения болтов диаметр фланца

Минимальный диаметр равен диаметру Dв вала плюс двойное расстояние s от поверхности вала до осей болтов. Принимая s = 1,25d, получаем

Flanc soed krut mom 10

Приравнивая выражения (171) и (172), получаем формулу для определения диаметра d болтов, при котором диаметр D фланца получается наименьшим:

Flanc soed krut mom 11

Диаметр вала Dв зависит от условий его нагружения.

На основании формулы (173) составлена номограмма (рис. 625) для определения минимальных размеров фланцевого соединения.

Номограмма для определения минимальных размеров фланцевого соединения

Пусть Мкр = 10 кН·м, [τ] = 100 МПа и Dв = 100 мм. Восстанавливаем перпендикуляр из точки Мкр = 10 кН·м на оси абсцисс и из точки пересечения с линией [τ] = 100 МПа проводим горизонтальную линию, точка встречи которой с ординатой Dв = 100 мм дает значение d = 14 мм. Соответствующая величина Dmin = 135 мм (тонкие линии). Число болтов согласно формуле (170)

Число болтов

При конструировании фланцев не всегда исходят из условия наиболее компактного размещения болтов. В общем случае бывает задан только крутящий момент, требуется определить параметры фланцевого соединения, обеспечивающие передачу момента. Задача не имеет однозначного решения. Диаметр фланца, число и диаметр болтов — независимые переменные; существует большое число сочетаний этих параметров, удовлетворяющих условию прочности.

Расчет ведут по формуле (169). Для облегчения расчета составлена номограмма (рис. 626).

Номограмма для расчета фланцевых соединений

Пусть Мкр = 10 кН·м, [τ| = 100 МПа. Восстанавливаем перпендикуляр из точки Мкр = 10 кН·м и через точку встречи с линией [τ] = 100 МПа проводим горизонтальную линию через сетку линий в левой верхней части графика. Жирные линии указывают диаметр болтов, тонкие — предельное для данного диаметра болтов число болтов zпp согласно формуле (170).

На рис. 626 показано построение для d = 14 мм. В точке встречи горизонтали с линией d = 14 читаем предельное значение zпр = 10. Проводя вертикаль до пересечения с сеткой линий z (нижняя левая часть диаграммы), находим на оси ординат следующие значения:

Flanc soed krut mom 15

Следует избегать крайних значений ряда. При больших z усложняется конструкция и уменьшается предельный диаметр вала (третья строка таблицы), равный по формуле (172) Dв max = D – 2,5d, при малых — увеличивается наружный диаметр фланца, который для средних условий можно принять равным Dн = D + 2,5d (четвертая строка). В рассматриваемом случае целесообразно принять z = 8.

Толщину фланца на участке расположения болтов определяют из условия жесткости фланца и прочности болтов на смятие. Напряжение смятия

Flanc soed krut mom 16

где b — толщина фланца (рис. 627).

Размеры фланцевых соединений

Напряжение среза в болтах

Напряжение среза в болтах

Деля почленно уравнения (174) и (175), получаем

Flanc soed krut mom 19

Полагая [τ] = [σсм] и учтивая сокращение рабочей длины болтов из-за наличия резьбы и канавки m на участке перехода стержня болта в головку, обычно принимают

Flanc soed krut mom 20

Толщину фланца на участке перехода в силовой пояс делают b' ≈ 0,8b, а на участке перехода в вал b'' = (0,15—0,2)Dв.

Типичные формы фланцев малого диаметра показаны на рис. 628, a—г. Фланцы большего диаметра делают коническими (вид д); участок перехода в вал усиливают плавной галтелью m и поясом жесткости n.

Типичные формы фланцев малого диаметра

Для увеличения жесткости, особенно при наличии изгибающих сил и моментов, фланцам придают чашечную (вид е), конусную (вид ж) или тюльпановидную (вид з) форму.

Стыковые поверхности фланцев обрабатывают до параметров шероховатости Ra = 032—1,25 мкм с соблюдением перпендикулярности осей в пределах, зависящих от требуемой точности направления (торцовое биение в среднем 0,01—0,03 мм на 100 мм радиуса).

Отверстия под призонные болты обрабатывают совместно или по кондуктору с последующим совместным развертыванием под посадки Н7/m6 или Н7/k6. Для обеспечения сборки фланцев в положении, при котором производилась совместная обработка, устанавливают контрольные штифты или одно из отверстий располагают под углом, отличающимся от угла расположения остальных отверстий.

Призонные болты изготовляют из углеродистых сталей 45, 50 или легированных 40Х и термически обрабатывают на твердость HRC 30—45 (закалка со средним отпуском).

Болты рассчитывают на срез окружной силой и растяжение силой предварительной затяжки. Эквивалентное напряжение в опасном сечении (плоскость среза) по третьей теории прочности

Эквивалентное напряжение в опасном сечении (плоскость среза) по третьей теории прочности

где σр и τ — соответственно напряжения растяжения и среза.

Обычно принимают σр = 100 МПа и τ = 50—100 МПа. Эквивалентное напряжение

Flanc soed krut mom 23

Помимо цилиндрических призонных болтов (рис. 629, а, б), применяют конические (вид в). Конические болты не обеспечивают стяжку фланцев, вследствие чего их чередуют с обычными стяжными болтами.

Передача крутящего момента во фланцевых соединениях

Крутящий момент передают также с помощью штифтов (виды г, д), располагаемых в промежутках между стяжными болтами. Для уменьшения габаритов элементы, работающие на срез, выполняют в виде втулок, устанавливаемых концентрично со стяжными болтами (виды е—к). Прочное соединение обеспечивает конструкция (к) с коническими болтами, затяжка которых раздает втулки и обеспечивает плотное прилегание их к стенкам отверстий на участке среза.

На виде (л) представлен пример передачи крутящего момента в многофланцевом соединении с помощью призонных болтов, а на виде (м) — комбинированным способом с помощью призонных болтов и втулок.

Дли передачи больших крутящих моментов применяют радиальные (чаше всего эвольвентные) шлицы (вид н) или торцовые шлицы треугольного профиля (рис. 630).

Фланцы с торцовыми шлицами

При расчете на срез основанию шлицев крутящий момент, передаваемый шлицами,

При расчете на срез основанию шлицев крутящий момент, передаваемый шлицами

где D — средний диаметр шлицевого пояса, мм; l — ширина пояса шлицев, мм; [т] — допускаемое напряжение среза, МПа.

Для призонных плотно расположенных болтов по формуле (171)

Flanc soed krut mom 27

Отношение крутящих моментов при передаче шлицами и болтами

Отношение крутящих моментов при передаче шлицами и болтами

Для радиальных шлицев (см. рис. 629, н), когда l = b, при обычной толщине фланца b = d

Flanc soed krut mom 29

Для торцовых шлицев при l = 2,5d (рис. 630, а)

Следовательно, несущая способность фланцев с радиальными шлицами примерно в 4 раза, а с торцовыми — в 10 раз больше, чем фланцев с плотно расположенными призонными болтами.

В соединениях, нагруженных не слишком большими силами, протяженность торцовых шлицев обычно сокращают, выполняя их отдельными секторами на участках расположения стягивающих болтов (вид б) или между ними (вид в), или уменьшая высоту шлицевого пояса (виды г, д).

Размеры шлицевых участков определяют из условия

Размеры шлицевых участков

где F — суммарная площадь шлицевых участков; Rср — средний радиус их расположения; [τ] — допустимое напряжение среза в шлицах.

Стяжные болты фланцев с торцовыми шлицами нагружены, кроме силы предварительной затяжки, также осевой силой, возникающей при передаче крутящего момента вследствие наклона рабочих граней шлицев, равной

Flanc soed krut mom 31

где α — угол при вершине профиля шлицев в среднем сечении.

При обычном значении α = 60°

Flanc soed krut mom 32