Конструирование циклически нагруженных деталей

Конструирование циклически нагруженных деталей

Конструирование циклически нагруженных деталей.

Уменьшение концентрации напряжений. Если устранить концентраторы напряжений полностью невозможно, то следует заменять сильные концентраторы умеренно действующими. Например, резьбовые отверстия, принадлежащие к числу наиболее сильных концентраторов, целесообразно заменять гладкими отверстиями, отрицательный эффект которых меньше и может быть ослаблен рядом мер.

Концентраторы следует удалять из наиболее напряженных участков детали и переносить, если это допускает конструкция, в зоны наименьших напряжений. С целью уменьшения номинальных напряжений целесообразно увеличивать сечения детали на участках расположения концентраторов.

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений приведены в табл. 26.

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений

Галтели. Концентрацию напряжений во входящих углах ступенчатых деталей, например, ступенчатых валов, можно значительно снизить рациональной формой сопряжения ступеней.

Острые входящие углы на участках перехода (рис. 200, а, б) вызывают значительную концентрацию напряжений. Конические сопряжения (рис. 200, в) увеличивают прочность переходных участков, но сокращают длину цилиндрической поверхности малого диаметра. Их применяют только на свободных переходах, где деталь конструктивно не связана со смежными деталями.

Снижение концентраций напряжений во входящих углах ступенчатых валов

Чаше всего для снижения концентрации напряжений на участках перехода вводят галтели (рис. 200, г, ж).

Концентрация напряжений падает с уменьшением перепада диаметров и увеличением относительного радиуса галтели ρ = R/d (рис. 201).

Эффективный коэффициент концентрации напряжений при изгибе ступенчатых валов

Достаточно низкие значения эффективного коэффициента концентрации напряжений (kэ = 1,5) получаются при ρ = 0,05—0,08 для малых перепадов и ρ = 0,1—0,15 для больших (рис. 202).

Равнопрочные галтели

Если ступенька используется для упора насадной детали и имеет плоский участок h, то максимальный радиус галтели

Максимальный радиус галтели

и при обычных значениях D/d = 1,2—1,3 и h/d = 0,03 не может быть больше ρ ≈ 0,1.

Эллиптические галтели (рис. 200, е) обеспечивают при одинаковых перепадах диаметров относительно большее (примерно на 20%) увеличение прочности. Эффективность таких галтелей зависит от отношения большой полуоси b эллипса к диаметру d вала. При b = (0,4—0,45)d и a/b = 0,4 коэффициент концентрации напряжений не превышает 1,5.

Недостатком эллиптических галтелей является сокращение длины цилиндрической части вала, что нежелательно как в случаях установки насадных деталей, так и при установке шейки вала в подшипниках скольжения.

Сокращения длины цилиндрической части вала можно избежать, если применить поднутренные галтели (рис. 200, ж), которые по эффективности приблизительно равноценны круговым галтелям с одинаковыми значениями R/d. Поднутрение целесообразно применять в случаях сопряжения цилиндрических валов с призматическими частями, когда есть место для расположения галтели достаточно большого радиуса.

Способы перекрытия галтелей повышенной прочности

На рис. 203 представлены способы перекрытия галтелей повышенной прочности при установке насадных деталей, например, подшипников качения, имеющих небольшой радиус закругления или фаску на входе. В случае круговых галтелей большого радиуса и эллиптических галтелей эти приемы свалятся к установке промежуточных шайб I с выемками под галтель.

У деталей, испытывающих большие циклические нагрузки, галтели обязательны во всех входящих углах.

Введение галтелей

На рис. 204 показаны примеры введения галтелей в шпоночных, шлицевых соединениях и зубчатых передачах (а, в, д — неправильные, б, г, е — правильные конструкции). В зубчатых передачах наиболее высокую циклическую прочность обеспечивает выполнение впадины между зубьями по радиусу: для фрезерованных зубьев — по рис. 204, ж, для шлифованных — по рис. 204, з.

Отверстия. Участки деталей, ослабленные отверстиями, упрочняют путем увеличения сечений в зоне расположения отверстий, скругления кромок отверстий, обжатия кромок, дорнования отверстий и т. д.

Обработка отверстий в циклически нагруженных деталях

На рис. 205 приведена последовательность операций при обработке отверстий в высоконагруженных деталях (разгрузочные отверстия дисков турбин): а — сверление; б — снятие фаски; в — зенкерование; г — развертывание; д — округление кромок; е — уплотнение галтели, ж — прошивание отверстия шариком.

Полые валы. Внутренние полости валов, подвергающихся большим циклическим нагрузкам, следует обрабатывать с наиболее низкой, экономически приемлемой шероховатостью, вплоть до полирования, и подвергать упрочняющей обработке (раскатыванию, калиброванию, уплотняющему протягиванию, чеканке взрывом). На внутренних поверхностях следует избегать выточек, резьб и других резких концентраторов напряжений. В ступенчатых отверстиях следует делать плавные переходы между ступеньками.

Острые входящие углы около ступенек (рис. 206, а, б) вызывают концентрацию напряжений и резко снижают прочность вала. В конструкциях в, г прочность повышена введением галтелей. На рис. 206, ди показаны валы с бутылочными отверстиями.

Ступенчатые отверстия

Галтели в открытых бутылочных отверстиях обрабатывают по копиру, управляющему поперечным перемещением суппорта. Чистовую обработку производят фасонным зенкером или резцом 1, устанавливаемым в борштанге, центрированной по малому диаметру отверстия (рис. 207, а). Полости, ограниченные галтелями с обеих сторон (бочкообразные отверстия), обрабатывают фасонным резцом 2 (рис. 207, б), закрепленным в скалке 3, установленной эксцентрично в борштанге 4. Поворотом скалки резец убирают, после чего борштангу вводят в отверстие и выдвигают резец.

Обработка внутренних галтелей

Производительнее обработка бочкообразных отверстий поворотным резцом, установленным в борштанге и управляемым тягой (рис. 207, в), рейкой (рис. 207, г) или червячной передачей (рис. 207, д).

Радиус галтели определяется положением точки крепления резцедержателя. По конструкции поворотного механизма выгодно, когда ось резцедержателя расположена в центре борштанги, т. е. когда галтель образована сферой с центром по оси вала. Такая форма обеспечивает достаточно плавный переход от одного диаметра отверстия к другому. Более плавный переход можно обеспечить смещением точки крепления резцедержателя с оси вала (рис. 207, е).

Для определения максимального технологически допустимого радиуса галтелей во внутренних полостях можно пользоваться ориентировочным соотношением Rmax = 0,5(D + 0,7d), где D и d — соответственно наибольший и наименьший диаметры отверстия.

При обработке ступенчатых внутренних полостей в заготовках из массивных труб происходит перерезание волокон в напряженных участках перехода от одной ступеньки к другой.

С целью упрочнения валы с бочкообразной внутренней полостью изготовляют обжатием вгорячую концов труб (рис. 208). Заготовкой служит толстостенная цельнотянутая труба, наружную поверхность которой редуцируют, оставляя напуски h на уковку концов (рис. 208, а). Поверхность m служит базой для последующих операций.

Изготовление цельнокатанных валов с бочкообразной полостью

Затем концы обжимают (рис. 208, б) до полной уковки отверстия (рис. 208, в). Вслед за этим, базируясь на поверхность m, растачивают отверстия n цапф вала и обрабатывают (одним из способов, описанных выше) поверхность бочкообразной полости (рис. 208, г). Далее, базируясь на отверстия n, производят чистовую обработку наружной поверхности вала.

Как общее правило, детали, подверженные высоким циклическим нагрузкам, должны иметь плавные формы, обеспечивающие равномерность силового потока. Сечение деталей следует во избежание скачков напряжений определять из условия приблизительной одинаковости напряжений с учетом всех действующих нагрузок.

Конструкция фланцевого вала

Детали, хорошо сконструированные под высокие циклические нагрузки, имеют характерные сглаженные формы (рис. 209), которые условно называют обтекаемыми.

Увеличение прочности коленчатых валов

Коленчатые валы. На рис. 210 показаны способы повышения циклической прочности коленчатых валов. Исходная конструкция 1 обладает малой прочностью. В конструкции 2 прочность повышена увеличением диаметра коренных и шатунных шеек, а также сечений щек. Увеличение диаметра шеек сокращает длину наиболее опасных по прочности участков m между шейками. Смещение внутренней расточки шатунной шейки с геометрической оси шейки на величину k (конструкция 3) усиливает связь шатунных шеек со щеками и повышает прочность шейки при изгибе силами вспышки.

В конструкции 4 диаметр шеек увеличен до появления перекрытия шатунных и коренных шеек, обеспечивающего прямую связь шеек (участок n). Введена бочкообразная расточка шатунной и коренной шеек, снижающая концентрацию напряжении от маслоподводящих отверстий в щеках коленчатого вала и увеличивающая прочность соединения шеек со щеками. Совокупность всех этих мер значительно увеличивает прочность коленчатого вала по сравнению с исходной конструкцией.

Формы с глубокими внутренними полостями и усиленными щеками (5 и 6) осуществимы в конструкциях литых коленчатых валов.

Во избежание увеличения осевых размеров коленчатого вала и сокращения длины коренных и шатунных шеек, вызываемого утолщением щек, последние развивают в поперечном направлении, заменяя призматические щеки 7 ромбическими 8, эллиптическими 9 и круглыми 10.

Устранение концентрации нагрузок. Важное правило конструирования циклически нагруженных деталей — это устранение местных скачков напряжений, возникающих в точках приложения сосредоточенных нагрузок.

В зубчатых колесах непрямолинейность зуба, погрешности угла наклона спиральных зубьев, перекос осей колес могут вызвать сосредоточение нагрузки на кромках и, как следствие, повышенные напряжения изгиба и смятия. Обязательно снятие фасок или галтелей на углах зубьев (рис. 211, а). Полезно увеличивать податливость зуба путем уменьшения жесткости обода по направлению к торцам (рис. 211, б).

Устранение концентрации нагрузок

Действенным средством предупреждения повышенных кромочных давлений является придание зубу слегка бочкообразной формы (бомбинирование) с одновременным скруглением торцовых кромок (рис 211, в). Этот способ обеспечивает при возможных перекосах и неточностях наиболее благоприятное расположение пятна контакта примерно в центре зуба.

Посадки с натягом. Задача упрочнения прессовых соединений заключается, прежде всего, в уменьшении давления на посадочных поверхностях и напряжений в охватывающей и охватываемой деталях рациональным выбором параметров соединения (диаметра и длины посадочной поверхности, толщины стенок охватывающей и охватываемой детали).

Как общее правило, диаметр D посадочной поверхности должен быть больше диаметра D0 вала по крайней мере на 5—10% (рис. 212, а) и соединен с ним плавными галтелями R = (0,2—0,25)D. Скачки напряжений на кромках соединения снижают введением на краях ступицы разгружающих фасок m (рис. 212, б), утонением ступицы к торцам (рис. 212, в), бомбинированием вала (рис. 212, г).

Увеличение циклической прочности соединений с натягом

Значительное повышение прочности дает круговое накатывание посадочной поверхности вала. Не рекомендуется применять накатывание ограниченных кольцевых участков у торцов соединения (рис. 212, д), так как на границах этих участков возникают скачки напряжений.

Эффективный способ повышения сопротивления усталости прессовых соединений — это упрочнение контактных поверхностей химико-термической обработкой.

Циклически нагруженные соединения. Соединения, передающие переменный момент или испытывающие знакопеременные радиальные нагрузки, подвержены усталостным повреждениям особого вида: фрикционной коррозии (фреттинг-коррозии), наклепу и схватыванию.

Основной причиной этих дефектов являются многократно повторные деформации и микросдвиги сопряженных поверхностей в окружном и продольном направлениях, вызывающие нагрев металла.

Фрикционная коррозия (фреттинг-коррозия) заключается в окислении поверхности металла. На стальных и чугунных поверхностях образуются оксиды железа (преимущественно Fe2O3) в виде ржавых пятен, а при далеко зашедшей коррозии — в виде скоплений порошка коричневого цвета. На бронзовых поверхностях появляются зеленые пленки окислов меди, а на алюминиевых — белые пленки Al2O3. Фрикционная коррозия, как и всякий вид коррозии, резко снижает циклическую прочность.

Соединения, работающие в тяжелых условиях, нагреваются в результате периодических деформаций до 400—500°С. Кратковременные пики температуры на участках соприкосновения микронеровностей («тепловые вспышки») достигают 800—1000°С. При этом происходит локальный отпуск, размягчение и снижение прочности стали. В этих условиях возникает фрикционный наклеп, выражающийся в смятии поверхностей, появлении неровностей и частичном сцеплении металла сопрягающихся поверхностей. На последующей стадии соединение сваривается.

Сваривание может происходить при температуре, значительно меньшей сварочной температуры. В обычных условиях поверхность металлов покрыта прочными адсорбированными пленками смазки, оксидов, влаги и паров, предотвращающими металлический контакт. Нагрев и повышенное давление, особенно в точках соприкосновения микронеровностей, разрушают пленки; частицы металла сближаются на расстояние, при котором возникают силы молекулярного и кристаллического взаимодействия. Сначала образуются отдельные мостики сварки, которые затем охватывают обширные участки. Сварившееся соединение невозможно разобрать без его разрушения.

Наиболее склонны к свариванию одинаковые металлы и металлы со сходным атомно-кристаллическим строением, образующие друг с другом твердые растворы замещения. Структурная неоднородность, наличие в металле нескольких фаз, особенно неметаллических (карбидов, силицидов и др.) предотвращают сваривание. Устойчивы против сваривания закаленные стали (если не происходит отпуска стали из-за перегрева во время термообработки).

Г лавные средства предотвращения этих явлений следующие:

  • уменьшение деформаций и микросдвигов сопрягающихся поверхностей (увеличение жесткости конструкции, силовая затяжка соединений, беззазорная передача крутящего момента);
  • отвод теплоты, выделяющейся при микросмещениях (применение прокладок из теплопроводных материалов, я в соединениях, работающих с зазорами, — ввод охлаждающего масла);
  • установка между контактными поверхностями промежуточных бронзовых или латунных втулок;
  • применение разделительных покрытий (фосфатирование, омеднение и т. д.);
  • введение твердых смазок на основе дисульфида молибдена, коллоидального графита и др.;
  • создание в поверхностных слоях структур, устойчивых против коррозии и сваривания, посредством сульфидирования, силицирования, селенирования и др. (см. табл. 9).

Главный конструктивный прием предотвращения наклепа и сваривания — создание на сопрягающихся поверхностях натяга — радиального (по цилиндрическим поверхностям) или осевого (по торцовым поверхностям) который резко повышает жесткость узла в целом, уменьшает упругие деформации системы и эффективно тормозит взаимные смещения сопрягающихся поверхностей (узла, системы).

Затяжка цилиндрических соединений

Крепление насадных деталей без затяжки (рис. 213, 1) или со слабой затяжкой (2) неприемлемо для силовых соединений. При осевой затяжке, с упором ступицы в буртик вала (3), натяг зависит от типа посадки ступицы на вал. Чем тяжелее условия работы, тем более плотной следует делать посадку. В концевых соединениях применяют также затяжку центральным болтом (4) или более сильную затяжку внутренней гайкой (5).

Чисто радиальный натяг обеспечивает посадка с натягом (6). Вводя в соединение конические штифты (7) можно достичь практически беззазорной передачи крутящего момента и исключить возможность угловых микросмещений сопрягающихся поверхностей. Соединение, однако, получается неразборным.

Хорошее соединение обеспечивает затяжка на конус (8). Радиальный натяг регулируют, затягивая гайку динамометрическим ключом или (способ более точный) выдерживая определенное осевое перемещение ступицы (осевой натяг).

В шлицевых соединениях со скользящей посадкой (по центрирующему по рабочим граням шлицев) обязательна затяжка гайкой (9). Для неразборных или редко разбираемых соединении применяют Н7/n6 по центрирующему диаметру и F8/js7 по рабочим граням (10).

Радиальный натяг создается при запрессовке пробки во внутреннюю полость вала (11). Соединение неразборное. В разборных конструкциях затяжку осуществляют пробкой с конической резьбой (12) или конусом, стягиваемым центральным болтом (13). В последнем случае на пробке должна быть предусмотрена резьба под съемник.

Тяжелонагруженные шлицевые соединения затягивают на конусы, устанавливаемые с одной (14) или с двух (15) сторон ступицы.

При соединении цилиндрических деталей с призматическими (например, шеек со щеками в разъемных коленчатых валах) применяют посадки H7/r6, H7/s6 (16); на конус (17); на коническую втулку (18), а также затяжку конической пробкой (19). Во избежание наклепа между сопрягающимися поверхностями устанавливают тонкостенную бронзовую или свернутую из латунной ленты втулку. Применяют также затяжку клеммами (20).

Клеммовые соединения

В конструкции клеммных соединений необходимо обеспечивать равномерную затяжку по всей окружности клеммы. На рис. 214 показан пример ошибочной конструкции 1. Крутящий момент от шейки к щеке передают два шипа. При затяжке клеммы верхние грани шипов упираются в стенки пазов 2. Участок АА остается незатянутым; на нем неизбежно возникает наклеп. В правильной конструкции 3 шип расположен по оси симметрии клеммы. Равномерную затяжку обеспечивает также конструкция 4 с передачей крутящего момента призонным болтом, установленным в лунке шейки. По указанным выше причинам клеммная затяжка неприменима для нагруженных шлицевых соединений.