Расчет шлицевых соединений

Основными критериями работоспособности шлицевых соединений являются сопротивления рабочих поверхностей смятию и изнашиванию.

Параметры соединения выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала, а затем проводят расчет по критериям работоспособности.
Смятие и изнашивание рабочих поверхностей связаны с действующими на контактирующих поверхностях напряжениями см.

Упрощенный (приближенный) расчет основан на ограничении напряжений смятия допускаемыми значениями см., назначаемыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций:

где Т- расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменом режиме нагружения), Н-м;

К3- коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями (зависит от точности изготовления и условий работы),

К = 1,1... 1,5;d- средний диаметр соединения, мм; число z -зубьев; h -рабочая высота зубьев, мм; l_p-рабочая длина соединения, мм; см допускаемое напряжение смятия, Н/мм2.
Для соединений с прямобочными зубьями:

f – фаска зуба.

Для соединения с эвольвентными зубьями:

Для соединения с треугольными зубьями

Вопрос 2 – Способы центрирования шлицевых соединений

Существуют три способа центрирования вала:

По наружному диаметру Самый простой и дешевый способ центрирования. Вал фрезеруют и шлифуют по наружному диаметру, втулку протягивают. Применяется при отсутствии термообработки поверхности отверстия втулки или при ее термическом улучшении (НВ 280-300)

По внутреннему диаметру Самый точный и дорогой способ центрирования. Вал фрезеруют и продольно шлифуют по внутреннему диаметру и боковым поверхностям шлицев, втулку протягивают и шлифуют по внутреннему диаметру. Применяется при закаленных втулке и вале.

По боковым сторонам Наиболее равномерное распределение нагрузки между шлицами; точность центрирования невысока. Вал фрезеруют и продольно шлифуют по боковым поверхностям шлицев, втулку протягивают. Применяется для тяжелонагруженных соединений при термически улучшенной поверхности отверстия втулки (НВ 280-300).

Вопрос 3 – Прессовые соединения. Характеристика. Способы сборки

Прессовым называется соединение составных частей изделий с гарантированным натягом вследствие того, что размер охватываемой детали больше соответствующего размера охватывающей детали. Прессовые соединения передают рабочие нагрузки за счет сил трения покоя между сопряженными поверхностями, которые могут быть цилиндрическими и коническими. допускают нечастую разборку без нарушения целостности составных частей изделия.
Разность размеров вала и отверстия до сборки называется натягом. Нагрузочная способность прессовых соединений определяется преимущественно натягом, который назначают в соответствии с посадками.
Достоинства прессовых соединений: простота и технологичность конструкций за счет отсутствия соединительных деталей, обеспечение хорошего центрирования соединяемых деталей, возможность применения при очень больших осевых нагрузках и вращающих моментах, высокая надежность при ударных нагрузках.

Основные недостатки прессовых соединений: сложность демонтажа и возможность ослабления натяга после разборки, ограниченность несущей способности при вибрационных нагрузках за счет фреттинг-коррозии (разрушение сопряженных поверхностей при очень малых колебательных относительных перемещениях), рассеивание величины натяга и нагрузочной способности соединения за счет допусков на изготовление деталей.
Прессовые соединения могут быть получены тремя способами: продольной сборкой путем запрессовки осевой силой; поперечной сборкой за счет нагрева или охлаждения одной из деталей до состояния, при котором они свободно соединяются; комбинированной, например, гидропрессовой сборкой, при которой одновременно с действием осевого усилия в зону контакта сопрягаемых деталей подается масло под высоким давлением для получения необходимой поперечной деформации. Из этих трех способов наименее совершенным является первый — запрессовка, так как при нем неизбежно повреждение контактных поверхностей, нарушение их микрогеометрии и, как следствие, снижение нагрузочной способности соединения в полтора-два раза.

Вопрос 4 – Расчет прессовых соединений
В результате сборки прессового со­единения за счет натяга на сопрягаемых поверхностях возникают контактные давления р,

которые равномерно распределены по поверхности контакта. Если на конструкцию действует осевая сила F и вращающий момент T , то на сопрягаемых поверхностях возникнут силы трения, которые должны исключить относительное смещение деталей соединения. Пользуясь принципом независимости действия сил, можем написать условия равновесия:

,

, (1)

где — коэффициент сцепления; для стальных и чугунных деталей: = 0,08...0,1 при запрессовке; =0,12...0,14 при сборке с нагревом или охлаждением; = 0,12 при гидропрессовании; если одна из деталей латунная или бронзовая, то = 0,05.

Из вышеуказанных условий равновесия определим минимально необходимые значения контактного давления:

,

. (2)

Если осевая сила F и вращающий момент Т действуют одновременно, то расчет ведут по равнодействующей R осевой и окружной силы:

, т.е. , (3)

тогда

(4)

В зависимости от ответственности соединения полученное минимально необходимое значение увеличивают, умножая его на коэффициент запаса сцепления К = 1,5...3. По найденному расчетному контактному давлению определяем расчетный натяг N_p , пользуясь выводимой в вузовских курсах «Сопротивления материалов» формулой Ляме для расчетов толстостенных цилиндров (цилиндр считается толстостенным, если его средний радиус превышает толщину стенки не более чем в пять раз):

, (5)

где ;

;

, , и , —модули упругости первого рода и коэффициенты Пуассона соответственно для материалов охватываемой и охватывающей деталей: для стали = 0,3, для чугуна = 0,25, для бронзы = 0,33. Учитывая возможное нарушение микрогеометрии контактных поверхностей при сборке прессового соединения, полученное значение расчетного натяга N_p увеличивают на = 1,2 ( R_{z 1} + R_{z 2} ) — поправка на срезание и сглаживание микронеровностей, где R_{z 1}и R_{z 2}— высоты микронеровностей по десяти точкам, тогда требуемый натяг N _Т = N_p + u (если сборку выполняют нагреванием или охлаждением деталей, то и = 0).

По величине требуемого натяга N_T подбирают стандартную посадку, при котором N_T = Nmin (посадку подбирают по наименьшему натягу).

При сборке прессового соединения с нагревом охватывающей или охлаждением охватываемой детали разность их температур t определяется по формуле

, (6)

где N_max — наибольший натяг выбранной посадки; z_c — зазор, необходимый для свободного соединения деталей, принимаемый равным 10 мкм при d = 30...80 мм, 15 мкм при d свыше 80 до 180 мм и 20 мкм при d свыше 180 до 400 мм, где d — номинальный диаметр соединяемых по­верхностей; — коэффициент линейного расширения.

Вопрос 5 – Упругие элементы. Назначение. Классификация. Выбор материалов. Расчет.

Упругими элементаминазывают детали машин, работа которых основана на способности изменять свою форму под воздействием внешней нагрузки и восстанавливать ее в первоначальном виде после снятия этой нагрузки.

В технических устройствах используется большое число различных упругих элементов, но наиболее распространены следующие три типа элементов, выполненных как правило из металла:

Пружины (рис. 16.1, а…м)– упругие элементы, предназначенные для создания (восприятия) сосредоточенной силовой нагрузки.

Торсионы (рис. 16.1, н) - упругие элементы, выполненные обычно в форме вала и предназначенные для создания (восприятия) сосредоточенной моментной нагрузки.

Мембраны - упругие элементы, предназначенные для создания (восприятия) распределенной по их поверхности силовой нагрузки (давления).

Рис. 17.1. Некоторые упругие элементы машин:винтовые пружины - а) растяжения, б) сжатия, в) коническая сжатия, г) кручения; д) телескопическая ленточная пружина сжатия; е) наборная тарельчатая пружина; ж, з) кольцевые пружины; и) составная пружина сжатия; к) спиральная пружина; л) пружина изгиба; м) рессора (наборная пружина изгиба); н) торсионный валик.

Упругие элементы в машинах и механизмах могут выполнять следующие функции:

1) создавать постоянно действующие усилия (моменты), необходимые для силового замыкания кинематических пар;

2) обеспечивать беззазорность в кинематических парах ме­ханизмов с целью повышения их кинематической точности;

3) предохранять механизмы от воздействия чрезмерных нагрузок при ударах и вибрациях;

4) накапливать энергию в процессе деформации под действием внешней нагрузки и отдавать ее для работы механизмов в процессе восстановления исходной формы;

5) Выполнять преобразование силы в перемещение при использовании в качестве чувствительных элементов приборов.

Классификация упругих элементов:

1) По виду создаваемой (воспринимаемой) нагрузки: силовые (пружины, амортизаторы, демпферы) - воспринимают сосредоточенную силу; моментные (моментные пружины, торсионы) – сосредоточенный крутящий момент (пару сил); воспринимающие распределенную нагрузку (мембраны давления, сильфоны, трубки Бурдона и т.п.).

2) По виду материала, использованного для изготовления упругого элемента: металлические (стальные, стальные нержавеющие, бронзовые, латунные пружины, торсионы, мембраны, сильфоны, трубки Бурдона) и неметаллические, изготовленные из резин и пластмасс (демпферы и амортизаторы, мембраны).

3) По виду основных напряжений, возникающих в материале упругого элемента в процессе его деформации: растяжения-сжатия (стержни, проволоки), кручения (винтовые пружины, торсионы), изгиба (пружины изгиба, рессоры).

4) В зависимости от взаимосвязи нагрузки, действующей на упругий элемент, с его деформацией: линейные (график нагрузка-деформация представляет прямую линию) и нелинейные (график нагрузка-деформация непрямолинеен).

5) В зависимости от формы и конструкции: пружины, цилиндрические винтовые, одно- и многожильные, конические винтовые, бочкообразные винтовые, тарельчатые, цилиндрические прорезные, спиральные (ленточные и круглые), плоские, рессоры (многослойные пружины изгиба), торсионы (пружинные валы), фигурные и т.п.

6) В зависимости от способа изготовления: витые, точеные, штампованные, наборные и т.п.

В машиностроении наибольшее распространение получили винтовые одножильные пружины, витые из проволоки – цилиндрические, конические и бочкообразные. Цилиндрические пружины имеют линейную характеристику (зависимость сила-деформация), две другие – нелинейную.

Выбор материала: Наибольшее количество пружин изготавливают из высокоуглеродистых и легированных сталей с содержанием углерода 0,5…1,1%. Модуль упругости пружинных сталей E = (2,1…2,2)×10⁵ МПа, модуль сдвига G = (7,6…8,2)×10⁴ МПа.

Для изготовления пружин, работающих в агрессивной среде, вызывающей коррозию углеродистых сталей применяют нержавеющие стали, или сплавы на основе меди. Модуль упругости сплавов на медной основе
E = (1,2…1,3)×10⁵ МПа, модуль сдвига G = (4,5…5,0)×10⁴ МПа.

Проектный расчет таких пружин производится из условия прочности по напряжениям скручивания, поскольку все остальные виды напряжений составляют малую долю от скручивающих. Как известно, при кручении стержня напряжения в опасном сечении

; (17.7)

где M_кр – крутящий момент, а – полярный момент сопротивления сечения витка пружины, навитой из проволоки диаметром d. Для учета неравномерности распределения напряжения по сечению витка, обусловленного кривизной его оси, в формулу (17.7) вводится коэффициент k, зависящий от индекса пружины . При обычных углах подъема витка, лежащих в пределах 6…12° коэффициент k с достаточной для расчетов точностью можно вычислить по выражению

. (17.8)

Учитывая изложенное, зависимость (17.7) преобразуется к следующему виду

. (17.9)

Из последнего получаем

или . (17.10)

При известных геометрических параметрах цилиндрической винтовой пружины ее жесткость можно вычислить по формуле

; (17.11)

а величину деформации (осадки) пружины

. (17.12)

При проектном расчете нестандартных пружин выражения (16.11) или (16.12) используют, как правило, для вычисления количества рабочих витков. Длина проволоки, необходимой для навивки пружины с заданными геометрическими параметрами, может быть определена по выражению

. (17.13)

Для углов подъема витка a = 6…9° последнее выражение может быть заменено более простым приближенным выражением, дающим результат с достаточной для практического применения точностью

Р₃ – максимально допустимая сила деформации, D₀ – средний диаметр навивки пружины, n₁ – полное число витков.

Вопрос 6 – Корпусные детали. Особенности проектирования. Выбор технологии и материалов для изготовления.

К корпусным относят детали, обеспечивающие взаимное расположение деталей узла и воспринимающие основные силы, действующие в машине. Корпусные детали обычно имеют довольно сложную форму, поэтому их получают методом литья(в большинстве случаев) или методом сварки(при единичном и мелкосерийном производстве). Для изготовления корпусных деталей широко используют чугун, сталь, а при необходимости ограничения массы машин – легкие сплавы (алюминиевые, магниевые).

Корпусная деталь состоит из стенок, ребер, бобышек, фланцев и других элементов, соединенныхв единое целое.

К корпусным деталям относят коробки скоростей и подач станков, блоки цилиндров двигателей и компрессоров, корпусы редукторов, насосов и других изделий. Корпусные детали должны быть выполнены с требуемой точностью, обладать необходимыми жесткостью и виброустойчивостью, чтобы обеспечить правильное относительное положение соединяемых деталей и узлов, качественную работу механизмов и изделия. Кoрпусные детaли oбычнo изгoтaвливaют из чугунных oтливoк, реже из стaльных и еще реже свaрными.
Для кoрпусных детaлей хaрaктерны бaзoвые плoскoсти, кoтoрыми кoрпус стыкуется с другими узлaми или aгрегaтaми дaннoй мaшины, a тaкже oснoвные и крепежные oтверстия.
Кoрпусные детaли при всем рaзнooбрaзии кoнструкций пo кoнфигурaции мoжнo рaзделить нa две группы: призмaтические и флaнцевые.
Кoрпусa призмaтическoгo типaoтличaются бoльшими нaружными плoскoстями и рaспoлoжением oтверстий нa нескoльких oсях.
У кoрпусoв флaнцевoгo типa бaзoвыми плoскoстями служaт тoрцoвые пoверхнoсти oснoвных oтверстий и пoверхнoсти выступoв или вытoчек.
При изгoтoвлении кoрпусных детaлей прихoдится придерживaться oпределенных технических требoвaний, a именнo: плoскoсть бaзoвых пoверхнoстей дoпускaть с oтклoнениями 0,05—0,10 мм нa всей длине, oснoвные oтверстия oбрaбaтывaть пo 2-му клaссу тoчнoсти и др.
При рaзрaбoтке технoлoгии oбрaбoтки кoрпусных детaлей неoбхoдимo сoблюдaть принцип сoвмещения устaнoвoчнoй, измерительнoй и сбoрoчнoй бaз, a тaкже пoстoянствo выбрaннoй бaзы.
При oбрaбoтке зaгoтoвoк для кoрпусoв нaибoлее чaстo применяют бaзирoвaние пo плoскoсти и двум oтверстиям, чтo дaет нaибoльшую тoчнoсть устaнoвки. В кoрпусaх призмaтическoгo типa для бaзирoвaния испoльзуют плoскoсть и двa oтверстия небoльшoгo диaметрa, кoтoрые нaзывaются устaнoвoчными или бaзoвыми; в кoрпусaх флaнцевoгo типa — тoрец флaнцa, oднo oтверстие мaлoгo диaметрa и другoе oтверстие бoльшoгo диaметрa (или буртик).
Мaршрут oбрaбoтки кoрпусa незaвисимo oт типa прoизвoдствa будет сoстoять из следующих oснoвных этaпoв: oбрaбoткa бaзoвoй плoскoсти; oбрaбoткa бaзoвых (устaнoвoчных) oтверстий; oбрaбoткa oснoвных oтверстий; oбрaбoткa крепежных oтверстий.

Вопрос 7 – Соединения. Назначение. Классификация.

Соединение - совокупность сборочных операций по соединению деталей различными способами (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опресовкой, развальцовкой, склеиванием, сшивкой, укладкой и т.п.).

По конструкции и условиям эксплуатации соединения деталей могут быть разделены на подвижные и неподвижные.

Соединение неподвижное - соединение деталей, обеспечивающее неизменность их взаимного положения при работе. Например, сварные, соединения с помощью крепежных изделий и др.

Соединение подвижное - соединение, при котором детали имеют возможность относительного перемещения в рабочем состоянии. Например, зубчатое соединение.

В зависимости от возможности демонтажа соединения подразделяются на разъемные и неразъемные.

Соединение разъемное- такие со­единения, которые позволяют производить многократную сборку и разборку сборочной единицы без повреждения деталей. К разъемным неподвижным соединениям относятся резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, а также соединения, осуществляемые переходными посадками. Разъемные по­движные соединения имеют подвижные посадки (посадки с зазором) по ци­линдрическим, коническим, винтовым и плоским поверхностям.

Соединение неразъемное - соединение, которое нельзя разъединить без нарушения формы деталей или их соединяющего элемента. Например, соединение сварное, паяное, заклепочное и др.

Вопрос 8 – Характеристика резьбовых соединений. Параметры резьбы.

Резьбовое соединение - соединение деталей при помощи резьбы.

Резьба - чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии; применяется как средство соединения, уплотнения или обеспечения заданных перемещений деталей машин, механизмов, приборов, аппаратов, сооружений. Резьбовые соединения являются самым распространенным видом соединений вообще и разъемных, в частности. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60% от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в машиностроении объясняется их достоинствами: универсальностью, высокой надежностью, малыми габаритами и весом крепежных резьбовых деталей, способностью создавать и воспринимать большие осевые силы, технологичностью и возможностью точного изготовления.

Виток резьбы - часть резьбы, образованной при одном повороте профиля вокруг оси вращения.

Наружный диаметр резьбы (d, D) - диаметр воображаемого цилиндра, описанного вокруг вершин наружной резьбы или вписанного во впадины внутренней резьбы.

Средний диаметр (d₂,D₂)–диаметр воображаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна ширине впадины.

Номинальный диаметр резьбы - диаметр, условно характеризующий размеры резьбы и используемый при ее обозначении.

Внутренний диаметр резьбы (d₁, D₁) - диаметр воображаемого цилиндра, вписанного во впадины наружной резьбы или описанной вокруг вершин внутренней резьбы.

Профиль резьбы - плоская фигура, получаемая в плоскости, проходящей через ось резьбы.

Высота профиля (H) - радиально измеренная высота основного расчетного теоретического профиля (высота исходного треугольного профиля), общего для резьбы на стержне и в отверстии.

Угол профиля- угол между боковыми сторонами профиля, измеренный в осевой плоскости резьбы.

Шаг резьбы (P) - расстояние между соседними одноименными точками профиля в направлении, параллельном оси резьбы той же винтовой поверхности.

Ход резьбы (Ph) - расстояние по линии, параллельной оси резьбы, между исходной средней точкой на боковой стороне резьбы и средней точкой, полученной при перемещении исходной по винтовой линии на угол 360°, в однозаходной резьбе ход равен шагу, в многозаходной - произведению шага на число заходов n: Ph = nP.

Рабочая высота профиля (h) - наибольшая высота соприкосновения сторон профиля резьбовой пары, измеренная радиально.

Длина свинчивания (L) - длина участка взаимного перекрытия наружной и внутренней резьб в осевом направлении.

Вопрос 9 – Классификация резьб

1) По форме поверхности, на которой образована резьба (рис. 4.3.1):
- цилиндрические;
- конические.

Рисунок 4.3.1 Виды резьбы по форме поверхности

2) По форме профиля резьбы:
- треугольные (рис.4.3.2.а),
- трапециидальные (рис. 4.3.2.б),
- упорные (рис.4.3.2.в),
- прямоугольные (рис.4.3.2.г) и
- круглые (рис. 4.3.2.д).

Рисунок 4.3.22 Формы профиля резьбы

3) По направлению винтовой линии:
правая и левая.
4) По числу заходов:
однозаходные, многозаходные (заходность определяется с торца по количеству сбегающих витков).
5) По назначению:
- крепёжные,
- крепёжно-уплотняющие,
- резьбы для передачи движения.

Крепежные резьбы применяют в резьбовых соединениях. Они имеют треугольный профиль, который характеризуется большим трением, предохраняющим резьбу от самоотвинчивания, высокой прочностью и технологичностью.
Крепежно-уплотняющие резьбы применяют в соединениях, где требуется герметичность. Эти резьбы также треугольного профиля, но без радиальных зазоров.
Резьбы для передачи движения применяются в винтовых механизмах и имеют трапецеидальный или прямоугольный профиль, который характеризуется меньшим трением.

Вопрос 10 – Материалы, применяемые для изготовления резьбовых деталей

1) углеродистые стали (для легко нагруженных деталей), легированные стали (для тяжелого нагружения)

2) Спецстали (жаропрочные, работающие в агрессивных средах, вакууме)

3) Цветные сплавы (латунь, бронза, дуралюмин)

Согласно ГОСТ 17594-87 существует 12 классов прочности резьбовых деталей.

В паре винт—гайка скольжения для повышения износос­тойкости и снижения склонности к заеданию материал одной из деталей должен быть антифрикционным. Поэтому обычно используют стальные винты в сочетании с бронзовыми, реже чугунными гайками. Для изготовления винтов применяют стали 45, 50 улучшенные, стали 65Г, 40Х с закалкой и после­дующей шлифовкой, стали 40ХФА, 18ХГТ с азотированием для уменьшения искажения формы и размеров винтов в ре­зультате закалки. Гайки выполняют из оловянистых бронз, например БрО10Ф1, в менее ответственных конструкциях из безоловянистого сплава ЦАМ 10-5, а при малых скоростях скольжения и нагрузках используют антифрикционный чу­гун.

Вопрос 14 – Самоторможение и кпд винтовой пары. Способы стопорения резьбовых деталей

Несмотря на то, что вое крепежные резьбы самотормозящиеся, в большинстве резьбовых соединений предусматривают стопорение крепежных деталей от самопроизвольного отвинчивания при пере­менной и ударной нагрузке из-за снижения коэффициента трения в резьбе и на торце гайка (винта) при вибрациях. Все способы стопорения можно подразделить на три группы:

а) стопорение дополнительным трением;

б) стопорение дополнительными деталями;

в) стопорение наглухо.

Стопорение дополнительным трением (рис. 12). Основано на создании сил трения, сохраняющихся при снятии о винта осевой нагрузки. При стопорении контргайкой (рис. 12а) сохранение сия трения обеспечивается взаимной затяжкой гаек. Его недостаток -необходимость увеличения длины болта и двойной расход гаек. В настоящее время широкое распространение получили пружинные шайбы (рис. 12б) и шайбы с зубьями (рис. 12в), обеспечивающие сохранение сил трения благодаря упругости шайбы и врезанию острых ее кромок в торец гайки и плоскость детали. Распростра­нены самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы, осуществляемым за счет пластического обжатия (после нарезания резь­бы) верхней части гайки на эллипс (рис. 12г). Самоконтрящимися являются гайки с завальцованным пластмассовым стопорным коль­цом (рис. 12д). Резьба в кольце гайки образуется при навинчивания на винт. Возможно применение винта с пластмассовой проб­кой, вставленной в отверстие винта (рис. 12е). Две последние конструкции сохраняют стопорение после значительного числа сбо­рок и разборок. Наконец, в последнее время все шире начинают применять стопорение винтов, шпилек и гаек за счет постановки их с использованием пасты “Герметик", создающей стопорящий эф­фект за счет вязкости. Преимуществом стопорения с помощью до­полнительного трения является возможность фиксирования крепеж­ных деталей в любом угловом положении.

Дополнительные детали. Используют для стопорения (рис. 13). К ним относятся: а - шплинты; б - всевозможные шайбы (с лапкой); в - многолапчатая шайба; г - шайба для двух винтов; д, е - фи­гурные накладки и проволока. Недостатком этого способа стопоре­ния является ступенчатое регулирование силы затяжки.

Способы стопорения наглухо (рис. 15) подразделяет на сто­порение сваркой (рис. 15а) и стопорение пластическим деформиро­ванием (рис. 15б,в). Оба способа достаточно надежны, но при их демонтаже необходимо разрушение крепежных деталей.

Вопрос 19 – Сварные соединения. Характеристика сварки, как процесса соединения деталей. Способы сварки и типы сварных соединений.

Сварка — это технологический процесс получения неразъемного со­единения металлических или неметаллических деталей с применением нагрева (до пластического или расплавленного состояния), выполненного таким обра­зом, чтобы место соединения по механическим свойствам и своему составу по возможности не отличалось от основного материала детали.

- сварка плавлением, при которой материал в месте соединения расплавляется (дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, световая, газовая и др);

- сварка с применением давления, при которой материал в месте соединения нагревается и пластически деформируется (контактная, высокочастотная, газопрессовая, трением и др);

- сварка давлением, при которой материал в месте соединения деформируется без нагрева (холодная, взрывом и др).

Также различают сварку по:

- виду используемого источника энергии - дуговую, газовую, электронно-лучевую лазерную и др.;

- способу защиты материала - под флюсом, в защитных газах, вакууме и др.;

- степени механизации - ручную, полуавтоматическую и автоматическую.

Основные виды электросварки — дуговая, газовая и контактная.

Дуговая сварка - наиболее распространенный вид. Применяется везде, где есть источники электроэнергии.

Разновидности дуговой сварки:

- ручная сварка; этот метод сварки отличается низкой производитель­ностью, но легко доступен для применения;

- полуавтоматическая сварка под слоем флюса; применяется для кон­струкций с короткими прерывистыми швами;

- автоматическая сварка под слоем флюса; этот метод сварки высоко­производителен и экономичен, дает хорошее качество шва, применя­ется в крупносерийном и массовом производстве.

Газовая сварка применяется в основном там, где нет источников электроэнергии, например, при ремонте в полевых условиях.

Контактная сварка применяется в серийном и массовом производстве при нахлесточном соединении тонкого листового металла (точечная, роли­ковая) или при стыковом соединении круглого и полосового (стыковая сварка).

При соединении деталей с помощью сварки плавлением к расплавляе­мой области подводят присадочный материал, который заполняет свари­ваемое место (рис. 1). Затвердевший после сварки металл, соединяющий сваренные детали, называют сварным швом.

При контактной сварке (сварка давлением) присадочный материал не применяют. Контактная сварка основана на использовании тепла, выде­ляющегося в месте соприкосновения сваривае­мых деталей (например, при прохождении че­рез них электрического тока). Сварка произво­дится с применением механического давления, под действием которого детали, предварительно нагретые в месте соединения (контакта) до пластического состояния или оплавления, образуют сварной шов.

Сварным соединением называют неразъемное соединение деталей с помощью сварных швов. Соединяющим эле­ментом является расплавленный металл, создаю­щий при остывании неразъемное соединение, то есть такое, которые не может быть разобрано без повреждения дета­лей. Сварные соединения лучше других приближают составные детали к целым и позволяют изготавливать детали неограниченных размеров. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла.

Сварные швы классифицируют по следующим признакам:

- по назначению — прочные (обеспечивают передачу нагрузки с одно­го элемента на другой); прочно-плотные (обеспечивают передачу на­грузки, герметичность соединения — непроницаемость для жидкостей и газов);

- по расположению сварного шва в пространстве — нижнее; вертикальное, горизонтальное; потолочное. При всех прочих равных условиях нижний шов самый прочный, потолоч­ный — наименее прочный

-по взаимному расположению свариваемых элементов различают сле­дующие виды соединений: стыковые - имеют преимущественное распространение вследствие простоты конструкции; нахлесточные,ло­бовые;фланговые - применяют, когда по конструктивным соображениям стыковые швы применить невозможно; с накладками - применяют, когда сварные швы не обеспечивают необходимой равнопрочности.; тав­ровые; угловые – нормальные, вогнутые, выпуклые, специальные, лобовые, фланговые, комбинированные - (применяются для изготовления тары из листовой стали, ограждений и др. Выполняются угловыми швами. Эти соединения передают малые нагрузки и поэтому не рассчитываются на прочность).

Вопрос 20 – Достоинства и недостатки сварных соединений.

Достоинства:

- простота конструкции сварного шва и меньшая трудоемкость в изго­товлении, обусловленной сравнительной простотой технологического процесса сварки.

- значительное снижение массы конструкции при тех же габаритах. При замене заклепочных соединении сварными экономия в весе получается за счет отказа от применения различных накладок, необходимых в заклепочных соединениях, а также части веса са­мих заклепок; при замене литых деталей сварными конструкциями вес их уменьшается за счет более высоких механических свойств прокатного металла.

- возможность соединения деталей любых форм;

- герметичность и плотность соединения;

- бесшумность технологического процесса сварки;

- возможность автоматизации сварочного процесса;

- сварное соединение дешевле заклепочного.

- соединение деталей может выполняться встык без накладок.

- возможность сварки толстых профилей.

Недостатки:

- возникновение остаточных напряжений в свариваемых элементах;

- коробление деталей из-за неравномерного нагрева в процессе сварки;

- зависимость качества шва от исполнителя и труд­ность контроля; применение автоматической сварки устраняет этот недостаток.

- склонность к образованию трещин в местах перехо­да от шва к цельному металлу вследствие термических напряже­ний, возникающих при остывании. Трещины особенно опасны при динамических нагрузках (вибрационных и ударных), поэтому в таких случаях сварные швы стараются не применять, заменяя их заклепочными соединениями. Термические напряжения могут быть частично или полностью устранены термообработкой сварного соединения (низкотемпера­турным отжигом). Термическая обработка исключает также последующее коробление сварных конструкций.

Вопрос 21 – Расчет сварных соединений на прочность

Расчет стыковых соединений.

Швы этих соединений работают на растяжение или сжатие в зависи­мости от направления действующей нагрузки (рис.11, а и б). Основ­ным критерием работоспособности стыковых швов является их прочность. Соединение разрушается в зоне термического влияния и рассчитывается по размерам сечения детали по напряжениям, возникающим в материале детали.

Рис. 11. К расчету стыковых соединений

Проверочный расчет прочности шва на растяжение.

Условие прочности:

, (1)

где , — расчетноеи допускаемое напряжения на растяжение для шва (табл.1); F — нагрузка, действующая на шов; δ — толщина детали (толщину шва принимают равной толщине детали); l_ш — длина шва.

Проектировочный расчет. Целью этого расчета является определение длины шва.

Исходя из основного условия прочности (1), длину стыкового шва при действии растягивающей силы определяют по формуле

(2)

Расчет угловых швов нахлесточных соединений.

При действии осевой растягивающей (или сжимающей) силы считают, что срез угловых швов происходит по сечению I-I (рис. 12), проходя­щему через биссектрису прямого угла.

Рис. 12. К расчету соединения внахлестку. Лобовой шов

Опасным напряжением считают касательное напряжение и расчет ве­дут на срез (напряжениями изгиба пренебрегают). Для нормальных угловых швов длина биссектрисы

, (3)

где h — длина биссектрисы (высота шва в опасном сечении); К — катет шва (принимается не менее 3 мм).

Проверочный расчет. Условие прочности одностороннего лобового шва на срез:

, (4)

где , — расчетное и допускаемое напряжения среза для шва (см. табл.1); l_ш — длина шва; F — нагрузка, действующая на шов.

Проектировочный расчет. Длину одностороннего лобового углового шва (см. рис. 12) при осевом нагружении определяют по формуле

; (5)

длина двустороннего лобового углового шва

. (6)

Расчет точечных сварных соединений.

Для сваривания тонкостенных листовых конструкций часто используются точечные сварные соединения. Такие соединения проверяют на срез. Условие прочности имеет вид

,

где d – диаметр сварных точек;

z – число сварных точек.

Расчет тавровых швов.

Рассмотрим наиболее характерные случаи нагружения тавровых швов, которые могут встречаться также и в комбинациях.

Рис. 13

а) нагрузка моментом в плоскости шва

Если привариваемая деталь круглая (рис.13, а) (шов круг­лый кольцевой), то расчет шва проводится на кручение в коль­цевом сечении, расположенном под углом 45° к основанию шва.

где - полярный момент инерции расчетного сечения;

R - расстояние до наиболее удаленного от центра волокна, сечения шва.

Если сечение шва не круглое (рис.13, б), то оно всё же условно рассчитывается по уравнение кручения для круглых стержней. В этом случае принято пренебрегать возникающим при такой расчетной схеме короблением сечения и нелинейный характером эпюр напряжений:

где - условный полярный момент инерции сечения;

- допускаемое напряжение кручения для наплавлен­ного металла шва.