Правила конструирования прессовых соединений

Правила конструирования прессовых соединений

Правила конструирования прессовых соединений.

Особенность соединений с натягом состоит в том, что они еще до приложения рабочих нагрузок преднапряжены силами от натяга на посадочной поверхности, причем в охватывающей детали возникают неблагоприятные для прочности трехосные напряжения растяжения. При сложении предварительных напряжений с рабочими могут возникнуть напряжения, превышающие предел текучести материала, вследствие чего соединение выходит из строя.

Вместе с тем формальный расчет соединений с натягом, основанный на предположении постоянства сечений по длине деталей и игнорирующий граничные условия, не выявляет действительных напряжений. Фактическая несущая способность и прочность соединения сильно зависят от формы охватывающей и охватываемой деталей. Неравномерная жесткость деталей (ступенчатые валы, ступицы с дисками и т. д.) обусловливает неравномерное распределение контактных давлений и напряжений по длине соединения. Резкие скачки напряжений возникают на кромках соединении.

Формальный расчет, даже с большим коэффициентом запаса, не всегда обеспечивает работоспособность соединения, тем более что распределение рабочих напряжений по сечениям детали, а также характер их взаимодействия с предварительными напряжениями в большинстве случаев, особенно в соединениях, подвергающихся циклическому нагружению, неясны. Поэтому независимо от результатов расчета необходимо всемерно усиливать соединения с натягом конструктивными мерами.

Для увеличения несущей способности и прочности соединений с натягом целесообразно следующее:

  • снижать давление на посадочных поверхностях увеличением длины или диаметра соединения (способ более эффективный);
  • выбирать натяг в узких пределах, применяя посадки повышенного квалитета;
  • уменьшать напряжения целесообразным выбором толщины стенок охватывающей и охватываемой деталей (увеличение толщины стенок одной из деталей снижает напряжения в ней, но одновременно увеличивает напряжения в другой детали);
  • избегать резких изменений сечений соединяемых деталей на участке соединения (и на близких к нему участках) для предотвращения скачков напряжений;
  • снижать скачки напряжений на кромках соединения путем уменьшения сечений ступицы (и вала) по направлению к торцам;
  • подвергать посадочные поверхности упрочняющей термообработке (например, закалке с низким отпуском, закалке с нагревом ТВЧ) и упрочняющей обработке пластической деформацией (дробеструйному наклепу, накатыванию валов, раскатыванию или дорнованию отверстий);
  • применять сборку соединений с нагревом охватывающей детали или с охлаждением охватываемой детали;
  • применять гальваническое покрытие контактных поверхностей мягкими металлами (Cd, Cu, Zn).

Работоспособность соединений с натягом во многом зависит от правильности сборки. Для облегчения запрессовки вал и отверстие снабжают заходными фасками под углом α = 30—45° (рис. 535, а), а при больших натягах α = 10—15°. Высоту h фаски устанавливают так, чтобы заходный диаметр вала d был на 0,1—0,3 мм меньше диаметра отверстия d0 (рис. 535, б).

Способы облегчения запрессовки

Наиболее целесообразно скруглять торец вала галтелью переменного радиуса (рис. 535, в), хотя изготовление таких галтелей дороже.

Иногда на валу или в отверстии делают заходные цилиндрические пояски с посадкой H7/h6 (рис. 535, г, д). Расположение центрирующего пояска в отверстии требует применения системы вала.

Осевое положение деталей фиксируют запрессовкой их до упора в буртик (рис. 535, е, ж), в ступеньку отверстия (рис. 535, з), заподлицо с отверстием (рис. 535, и). Гладкие детали можно фиксировать в любом положении мерными дистанционными кольцами 1, подкладываемыми под скалку пресса (рис. 535, к).

Важно предотвратить закусывание и перекос соединяемых деталей, затрудняющий процесс запрессовки, а иногда приводящий к непоправимой порче соединения.

Тонкостенные детали типа втулок при запрессовке направляют с помощью центрирующей оправки (рис. 536, а). При запрессовке в сквозные отверстия втулку сажают на свертную оправку с направляющим хвостовиком 1, вводимым в отверстие на посадке H7/h6 (536, б). После запрессовки хвостовик отвертывают.

Запрессовка тонкостенных втулок

Детали, соединенные по посадкам с натягом, недопустимо подвергать термообработке, так как при нагреве натяг теряется вследствие потери упругости материала. В точных соединениях необходимо учитывать деформацию деталей при запрессовке (уменьшение внутренних размеров охватываемой детали и увеличение наружных размеров охватывающей). Деформация тем больше, чем больше натяг и меньше толщина деталей.

Найти достоверно изменение размеров расчетом и заранее скорректировать исходную форму детали можно только в сравнительно редких случаях, когда стенки деталей имеют постоянную толщину. Детали с переменной толщиной стенок деформируются неравномерно. Так, при запрессовке тонкостенной подшипниковой втулки в корпус с центральной стенкой (рис. 537, а) втулка принимает корсетную форму. При асимметричном расположении стенки корсет смещается в сторону узла жесткости (рис. 537, б). Дня обеспечения правильной работы подшипника необходимо после запрессовки окончательно обработать внутреннюю поверхность втулки, предусматривая в заготовке соответствующие припуски. Чаще всего втулки развертывают, оставляя под развертку припуск 0,02—0,1 мм на сторону.

Механическая обработка после запрессовки

При запрессовке деталей в полость вала наружная поверхность вала бочкообразно выпучивается, что требует чистовой обработки вала после запрессовки (рис. 537, в). При напрессовке тонкостенных зубчатых колес на валы (рис. 537, г) необходимо производить чистовую обработку зуба после запрессовки. Если это невозможно по габаритам (длинные валы), следует увеличить толщину обода или применить разборное крепление (на шпонке или шлицах).

Запрессовка не влияет на размеры элементов, расположенных на большом расстоянии от посадочных поверхностей (например, зубья дисковых колес). В таких случаях можно без опасения за точность размеров напрессовывать детали в окончательно обработанном виде. Перекос и торцовое биение дисковых деталей большого диаметра предупреждают увеличением длины посадочного пояса.

Распространенной ошибкой при конструировании нерасчетных (подвергающихся небольшим или неопределенным силам) соединений с натягом является недостаточная длина прессового пояса, а также малая толщина стенок охватывающей или охватываемой детали (рис. 538). Такие соединения быстро выходят из строя в результате сминания посадочных поверхностей и перенапряжения тонких стенок при запрессовке.

Соединения с натягом

Для ориентировочного определения минимальной длины посадочных поясов в соединениях с натягом общего назначения можно пользоваться формулой lmin = ad2/3, где lmin длина пояса (за вычетом фасок), мм; d — диаметр соединения, мм; а — коэффициент, равный для охватывающих деталей, выполненных из сталей, а = 4, из чугунов а = 5, из легких сплавов а = 6. На основании этой формулы построен график (рис. 539).

Минимальная длина соединений с натягом в функции от диаметра

Если соединение подвержено действию высоких изгибающих моментов или поперечных сил, особенно знакопеременных, а также при необходимости точного направления и прочной заделки запрессованной детали (например, колонны станин), длину запрессовки делают значительно большей [l = (1,5—2)d].

Рекомендуется избегать запрессовки в глухие отверстия, которые затрудняют точную обработку и распрессовку.

В конструкциях с посадкой в глухие отверстия необходимо обеспечивать вывод воздуха в процессе запрессовки. Сжатие воздуха при запрессовке, сопровождаемое увеличением его удельного объема вследствие нагрева, может вызвать разрыв охватывающей детали, особенно если она имеет тонкие стенки или выполнена из материала пониженной прочности (например, из легких сплавов). Для выпуска воздуха предусматривают канавки (рис. 540, а) или отверстия (рис. 540, б и в).

Обеспечение выхода воздуха при запрессовке в глухие отверстия

Недопустима запрессовка деталей по двум поясам одинакового диаметра (рис. 541, а). При пропуске детали через первый (по ходу запрессовки) пояс возникает перекос, затрудняющий введение конца детали во второй пояс. Кроме того, могут образоваться задиры на поверхности детали и отверстия. В таких соединениях посадочные пояса следует делать разного диаметра (рис. 541, б). Осевые размеры соединения должны быть такими, чтобы деталь вступала сначала во второй пояс на величину m = 2—З мм (рис. 541, в), получая устойчивое направление, и только затем входила в первый пояс.

Соединения с натягом

В конструкции (рис. 541, г) для сокращения точной механической обработки отверстие выполнено с двумя короткими посадочными поясами. Ошибка заключается в одинаковом диаметре посадочных поясов. Кроме того, здесь неизбежна деформация втулки на участках расположения посадочных поясов.

Если важна строгая прямолинейность стенок отверстия, следует предусматривать развертывание втулки после запрессовки или сажать втулку всей длиной или по крайней мере на большей части длины (рис. 541, д и е).

Охватывающим деталям следует придавать достаточную жесткость во избежание деформации под силой запрессовки.

В вильчатой детали (рис. 541, ж) верхняя проушина при запрессовке прогибается, вследствие чего запрессовка в нижнюю проушину становится невозможной. Если по конструктивным условиям нельзя придать проушине достаточную толщину, то для запрессовки следует использовать приспособление, жестко фиксирующее проушину. Наиболее простым способом является введение между проушинами подковообразного сухаря 1. Возможность применения этого способа должна быть предусмотрена в конструкции детали: расстояние между проушинами должно быть задано с точностью, достаточной для применения сухаря, единого для серии данных деталей.

Другое возможное решение — сборка с нагревом охватывающей детали (или охлаждением охватываемой) до температур, при которых на посадочных поясах образуются зазоры.

Охватывающая и охватываемая детали должны обладать по возможности равномерной жесткостью в радиальном направлении. Нежелательны местные ослабления, вырезы и т. п. В конструкции на рис. 541, з запрессовка затруднительна из-за неизбежного увода втулки в сторону выреза. Кроме того, на участке расположения выреза втулка деформируется под действием одностороннего радиального натяга. Положение несколько улучшается, если втулку запрессовать по двум поясам, расположенным на невырезанных участках ступицы (рис. 541, и). Наиболее правильно в данном случае устанавливать втулку по посадке H7/h6 и крепить ее болтами (рис. 541, к).

Запрессовку применяют в случаях, когда охватываемая или охватывающая детали не имеют сквозные вырезы, выходящие на торец (рис. 541, л). Если устранить вырезы нельзя, то единственный выход состоит в применении посадки H7/h6.

В некоторых случаях необходимо выдержать определенное угловое расположение соединяемых деталей (например, запрессовка шпоночного вала в ступицу). Обеспечить совмещение шпонки со шпоночной канавкой можно, если на заходной стороне вала (рис. 542, а) сделать поясок с посадкой H7/h6 или H7/g6, имеющий длину l, превышающую расстояние k шпонки от торца вала. Шпонку сначала заводят в канавку, после чего запрессовывают вал.

Угловая фиксация деталей при запрессовке

Применяют и другой прием: шпонку выпускают из вала на расстояние k, достаточное для фиксации вала по шпоночной канавке перед запрессовкой (рис. 542, б). Лучше всего такие соединения собирать с предварительным нагревом ступицы или охлаждением вала до получения зазора в соединении. Угловая фиксация вала в отверстии в этом случае не вызывает затруднений.

Кулачки с заданным углом расположения граней (рис. 542, в) необходимо запрессовывать через направляющее приспособление с радиальными вырезами под грани, базируемое по центральному отверстию диска. В конструкции должна быть предусмотрена возможность применения такого приспособления.

Конструкция на рис. 542, в ошибочна: цоколь у основания кулачков не позволяет их пропустить через направляющие пазы приспособления.

В конструкции на рис. 542, г ширина m кулачков сделана больше посадочного диаметра d, что обеспечивает уверенное направление кулачков при запрессовке.