Шейнблит А.Е. Курсовое проектирование деталей машин - файл n3.doc

приобрести
Шейнблит А.Е. Курсовое проектирование деталей машин
скачать (34962.1 kb.)
Доступные файлы (21):
rd%20014-2004.pdf7679kb.29.04.2009 17:29скачать
rd013-2009_1.pdf1086kb.29.04.2009 17:25скачать
n3.doc605kb.23.01.2009 18:43скачать
n4.doc939kb.23.01.2009 18:44скачать
sheynblit_kursovoe_proektirovanie_dm.pdf13405kb.26.11.2007 16:58скачать
n7.doc32kb.08.06.2009 15:34скачать
n8.doc2592kb.24.01.2009 11:25скачать
n9.doc729kb.01.03.2008 10:22скачать
n10.doc1885kb.01.03.2008 10:25скачать
n11.doc1064kb.23.01.2009 18:34скачать
n12.doc992kb.11.02.2009 11:00скачать
n13.doc4859kb.01.03.2008 10:20скачать
n14.doc5283kb.01.03.2008 10:26скачать
n15.doc605kb.23.01.2009 18:43скачать
n16.doc939kb.23.01.2009 18:44скачать
n17.doc832kb.23.01.2009 18:44скачать
n18.doc718kb.08.04.2009 11:25скачать
n19.doc407kb.08.09.2008 21:40скачать
n20.docx179kb.17.01.2010 17:51скачать
n21.docx24kb.17.01.2010 17:30скачать
n22.docx100kb.17.01.2010 17:52скачать

n3.doc





2 Заклепочные соединения

2.1 Общие сведения

Заклепочное соединение относится к неразъемным соединениям. В большинстве случаев его применяют для соединения листов и фасонных прокатных профилей. Соединение образуют расклепыванием стержня заклепки, вставленной отверстия деталей (рисунок 2.1). При расклепывании вследствие пластических деформаций образуется замыкающая головка, а стержень заклепки заполняет зазор в отверстии. Силы, вызванные упругими деформациями деталей и стержня заклепки, стягивают детали. Относительному сдвигу деталей оказывают сопротивление стержни заклепок и частично силы трения в стыке.

Отверстия в деталях продавливают или сверлят. Сверление менее производительно, но обеспечивает повышенную прочность (см. таблицу 2.1). При продавливании листы деформируются, по краям отверстия появляются мелкие трещины, а на выходной стороне отверстия образуется острая кромка, которая может вызвать подрез стержня заклепки. Поэтому продавливание иногда сочетают с последующим рассверливанием.

Клепку (осаживание стержня) можно производить вручную или машинным (пневматическими молотками, прессами и т. п.) способом. Машинная клепка дает соединения повышенного качества, так как она обеспечивает однородность посадки заклепок и увеличивает силы сжатия деталей. Стальные заклепки малого диаметра (до 8…10 мм) и заклепки из цветных металлов ставят без нагрева – холодная клепка. Стальные заклепки диаметром больше 8...10 мм ставят горячим способом – горячая клепка. Нагрев заклепок перед постановкой облегчает процесс клепки и повышает качество соединения (достигаются лучшее заполнение отверстия и повышенный натяг в стыке деталей, связанный с тепловыми деформациями при остывании).

В зависимости от конструкции соединения применяют различные типы заклепок [6], геометрические размеры которых стандартизованы. Основные типы заклепок изображены на рисунке 2.2 (а – с полукруглой головкой; б – полупотайная; в – потайная; г – трубчатая) [5]. Если нет доступа к замыкающей головке (например, пустотелое крыло самолета), то применяют заклепки для односторонней клепки. Например, на рисунке 2.2, д замыкающая головка образуется при протягивании конической оправки через коническое отверстие заклепки и на рисунке 2.2, е – взрывом заряда 1. Использование в конструкции той или иной формы головки определяется преимущественно эксплуатационными требованиями (аэродинамическими и т.п.).


Рисунок 2.2 – Типы заклепок

По назначению заклепочные соединения разделяют на прочные (силовые); плотные (герметичные) и прочноплотные.

Прочными называют соединения, основная задача которых состоит в передаче нагрузки (металлоконструкции машин, строительные сооружения). Плотные соединения должны обеспечивать главным образом герметичность конструкций (например, топливных баков и др.). Прочноплотные соединения служат как для передачи нагрузки, так и для обеспечения герметичности конструкций. Ранее они применялись в паровых котлах, резервуарах, баках и других устройствах. Ныне их используют в авиа- и судостроении, обеспечивая иногда плотность с помощью клея.


Рисунок 2.3
Каждая заклепка имеет свою зону действия D (рисунок 2.3), на которую распространяются деформации сжатия в стыке деталей. Если зоны действия соседних заклепок пересекаются, то соединение будет плотным. Для обеспечения плотности шва иногда выполняют чеканку (пластическое деформирование листов, например, пневматическими молотками) вокруг заклепок и по кромкам листов.

По конструктивному признаку различают заклепочные соединения внахлестку и встык, однорядные и многорядные, односрезные и многосрезные. На рисунке 2.4, а – однорядный односрезный шов внахлестку; б – однорядный двухсрезный шов встык с двумя накладками.

Область практического применения заклепочных соединений ограничивается следующими случаями:

Основные недостатки соединений связаны с невысокой технологичностью и высокой трудоемкостью изготовления, а также сложностью контроля качества.

2.2. Расчет соединений при симметричном нагружении

Основная задача расчета – определение размеров деталей, исключающих повреждения или разрушения элементов соединения.

При действии нагрузки, симметричной относительно центра масс сечений заклепок, принимают, что она равномерно распределяется между всеми одиночными соединениями (заклепками и соединяемыми деталями).

Наиболее распространены повреждения заклепочных соединений, связанные со срезом заклепок, обрывом головок, смятием стенок отверстий, возникновением и развитием трещин вблизи отверстий, приводящих к разрушению листов.

2.2.1 Расчет заклепок

Разрушение стержня заклепки нахлесточного и стыкового соединений с одной накладкой происходит в результате среза по сечению, лежащему в плоскости стыка соединяемых деталей (рисунок 2.4, а; сечение показано волнистой линией). Такие соединения называются односрезными.

В соединениях с двумя накладками (рисунок 2.4, б) соединение может разрушиться путем среза по двум сечениям (показаны волнистыми линиями), совпадающим с плоскостями контакта накладок с соединяемыми деталями. Такие соединения называют иногда двухсрезными. При их расчете принимают, что сила, приходящаяся на одно сечение, вдвое меньше общей силы.

Для определения размеров заклепки проводят условные расчеты на срез и смятие. Для упрощения принимают, что стяжка пакета и трение на стыке листов отсутствуют, а вся внешняя нагрузка воспринимается заклепками. Приближенный характер расчетов учитывается при назначении допускаемых напряжений. Номинальные напряжения среза (касательные напряжения) будут одинаковыми во всех точках сечения. Тогда условие прочности стержня заклепки по напряжениям среза будет иметь вид:

, (2.1)

где – напряжение среза в плоскости рассчитываемого сечения, МПа; – срезывающая сила, действующая в плоскости стыка, Н; – число заклепок; – число плоскостей среза; – площадь среза одной заклепки, мм2; – диаметр заклепки, мм; [] – допускаемое напряжение на срез, МПа.


а – односрезное; б – двухсрезное

Рисунок 2.4 – Схемы к расчету заклепочных соединений
Условие (2.1) при заданной нагрузке содержит три переменных проектирования. Задаваясь материалом (т.е. принимая заданным ) заклепки и числом заклепок в соединении, несложно определить требуемый диаметр:

. (2.2)

Смятием называют местное деформирование деталей в зоне их контакта. Смятие (упругопластическое обжатие) стержня заклепки может привести к преждевременному выходу из строя соединения, если заклепка изготовлена из менее прочного материала, чем соединяемые детали.

Действительные контактные напряжения, вызывающие смятие стержня заклепки, неравномерно распределены по его поверхности. При расчете на смятие принимают, что силы взаимодействия между соприкасающимися под нагрузкой деталями равномерно распределены по поверхности контакта и в каждой точке нормальны к этой поверхности. Силу взаимодействия, приходящуюся на единицу площади контактной поверхности, принято называть напряжением смятия.

Условие прочности по напряжениям смятия имеет вид:

, (2.3)

где – расчетное напряжение смятия, МПа; F – сила, передаваемая соединением, Н; i – число заклепок (как и при расчете на срез, принимают, что все заклепки нагружены одинаково); – расчетная площадь смятия, МПа; – диаметр заклепки, мм; – толщина соединяемых листов, мм; [] – допускаемое напряжение смятия, МПа.

Из допущения о характере распределения сил взаимодействия по поверхности контакта следует, что если контакт осуществляется по поверхности полуцилиндра, то расчетная площадь равна площади проекции поверхности контакта на диаметральную плоскость (произведению диаметра цилиндрической поверхности на ее высоту).

Из условия (2.3) следует, что требуемый диаметр стержня заклепки

. (2.4)

Из двух найденных расчетами на срез и смятие по формулам (2.2) и (2.4) значений диаметра d заклепки принимают большее. Можно поступить другим образом: сначала по рекомендациям в зависимости от толщины соединяемых листов определить диаметр заклепок, а затем из условий прочности (2.1) и (2.3) – требуемое число заклепок.

2.2.2 Расчет соединяемых деталей (листов)

Разрушение листа (детали) по сечению, ослабленному отверстием, может происходить под действием больших статических нагрузок. Номинальное растягивающее напряжение в этом сечении также должно удовлетворять условию прочности по допускаемым напряжениям при растяжении для материала деталей, т. е.

,

где Aнетто – площадь детали в опасном сечении с учетом ослабления ее отверстиями; ? и b – толщина и ширина листа; d – диаметр отверстия под заклепку (равен диаметру стержня заклепки); — число заклепок в одном ряду; – допускаемое напряжение при растяжении материала деталей.

Следовательно, требуемая площадь сечения детали

.

Смятие стенок отверстия деталей также нарушает работоспособность соединения и может привести к последующему прорезанию заклепкой (заклепками) соединяемых деталей. Напряжения смятия стенок отверстия равны напряжениям смятия стержня, но направлены в противоположную сторону. Допускаемые напряжения смятия определяются материалом деталей.

Для предотвращения прорезания соединяемых деталей должно выполняться условие прочности по допускаемым напряжениям среза для материала деталей (листов):

,

где – длина опасного сечения.

Обычно принимают , , где – предел прочности материала детали. Для сталей Ст0, Ст2 и Ст3 допускаемые напряжения приведены в таблице 2.1.

2.2.3 Основные конструктивные параметры шва

На основные размеры заклепочных соединений выработаны нормы, которые рекомендуют выбирать d, , , и в зависимости от толщины листов или размеров прокатного профиля [5, 6]. При этом расчет приобретает проверочный характер (см. пример 2.1).

В стальных металлоконструкциях для многорядных заклепочных соединений при расположении заклепок простыми рядами (рисунок 2.5) основные конструктивные параметры шва определяются по следующим эмпирическим зависимостям:






а – стыковое с двумя накладками; б – нахлесточное

Рисунок 2.5 – Многорядные заклепочные соединения

при расположении заклепок простыми рядами

В двухрядных и многорядных швах заклепки, как правило, располагают в шахматном порядке с целью более равномерного нагружения швов, а также для облегчения установки заклепок. На рисунке 2.6 приведены зависимости, определяющие основные конструктивные параметры шва нахлесточных соединений, а на рисунке 2.7 – основные конструктивные параметры шва стыковых соединений с двумя накладками.


а – однорядное; б – двухрядное; в – трехрядное

Рисунок 2.6 – Соединения в нахлестку



а – однорядное; б – двухрядное

Рисунок 2.7 – Стыковые соединения с двумя накладками

2.2.4 Особенности расчета соединений широких листов

В соединениях широких листов (см. рисунок 2.5) за расчетную нагрузку принимают силу , действующую на фронте одного шага . При этом значение обычно определяют по напряжениям растяжения в сечении листа, не ослабленном отверстиями под заклепки. Напряжение полагают известным из основных расчетов конструкции (расчет прочности стенок котла, резервуара и т. п.):

.

Прочность листа в сечении, ослабленном отверстиями под заклепки:

.

Отношение

(2.5)

называют коэффициентом прочности заклепочного шва.

Значение показывает, как уменьшается прочность листов при соединении заклепками. Например, для однорядного односрезного шва (рисунок 2.6, а) при стандартных размерах , т.е. образование заклепочного соединения уменьшает прочность листов на 35 %. Понижение прочности деталей – одна из главных отрицательных характеристик заклепочного соединения. Для увеличения значений ? применяют многорядные и многосрезные швы (см. рисунок 2.6, б, в и рисунок 2.7).

На рисунок 2.8 изображена конструкция прочноплотного трехрядного шва с переменным шагом заклепок в рядах (правая половина шва симметрична и на рисунке изображена частично). В этом шве на фронте основного шва расположено шесть заклепок.

Каждая заклепка передает нагрузку, равную 1/6. В соответствии с этим на рисунке 2.8 даны эпюры продольных сил, возникающих в различных сечениях листов и накладок. Сечение листа по первому ряду заклепок нагружено полной силой. Для того чтобы немного ослабить это сечение, в нем поставлена только одна заклепка (две половины заклепки). Сечение по второму ряду нагружено меньшей силой и, соблюдая условие равнопрочности, в нем можно поставить большее число заклепок и т. д. Малая нагрузка на каждую заклепку, а также две плоскости среза заклепки позволяют значительно уменьшить ее диаметр. Уменьшение диаметра приводит к увеличению коэффициента прочности шва [см. формулу (2.5)], например для рассматриваемого шва . Однако стремление получить высокое значение приводит к сложной и дорогой конструкции соединения.

2.3. Расчет соединений при несимметричном нагружении

Если соединяемые элементы подвержены изгибу (случай несимметричного нагружения), то нагрузка между одиночными заклепочными соединениями распределяется неравномерно. В этом случае расчет групповых соединений сводится обычно к определению наиболее нагруженной заклепки и оценке ее прочности.

Рассмотрим соединение, содержащее заклепок одинакового диаметра d под действием силы F (рисунок 2.9, а). Примем для упрощения, что трение между соединяемыми деталями отсутствует и вся внешняя нагрузка передается через заклепки. Предположим, что деформации (изгиб, сдвиг) соединяемых деталей малы по сравнению с деформациями стержней заклепок. При этих допущениях можно полагать, что возможный взаимный поворот соединяемых деталей (листов) произойдет вокруг точки С (рисунок 2.9, б) – центра масс поперечных сечений стержней заклепок. Следовательно, точку С можно использовать в качестве центра приведения внешней силы.

В результате приведения внецентренной силы F в точку С задача расчета группового соединения сводится к определению наиболее нагруженной заклепки от действия центральной силы F (или ее осевых составляющих) и вращающего момента T=FL (рисунок 2.9, б; L – расстояние от точки С до линии действия силы F).

Если соединение подвержено действию нескольких сил , то в результате приведения их к точке С оно будет нагружено главным вектором и главным моментом от этих сил.

При упругой деформации заклепок действие каждого силового фактора (F и Т) можно рассматривать независимо. Тогда сила, приходящаяся на каждую заклепку от силы F (рисунок 2.9, в), будет равна

,

где – номер заклепки.

Момент Т вызывает в каждой заклепке реактивную силу, направленную перпендикулярно к радиусу-вектору , проведенному из точки С в центр сечения -й заклепки (рисунок 2.9, г). Эта сила пропорциональна перемещению сечения в результате деформации сдвига. Так как сдвиги сечений заклепок прямо пропорциональны их расстояниям до центра масс, то можно записать



Откуда

; ; ;…; . (2.6)


Рисунок 2.9 – Расчетные схемы для соединения при действии несимметричной нагрузки

Если учесть, что внешний момент Т уравновешивается моментами от сил, действующих на заклепки, т.е.

, (2.7)

то после подстановки в это уравнение (2.7) равенства (2.6) получим выражение для силы, действующей на первую заклепку

,

или выражение для силы, действующей на -ю заклепку



Сила, действующая на наиболее нагруженную заклепку

,

откуда модуль этой силы

,

где – угол между векторами сил и (рисунок 2.9, д).

Диаметр заклепки при известном значении и ее материале находится по формуле (2.2).

2.4 Материалы заклепок и допускаемые напряжения

Заклепки изготовляют из стали, меди, латуни, алюминия и других металлов. Материал заклепок должен обладать пластичностью и не принимать закалки. Высокая пластичность материала облегчает клепку и способствует равномерному распределению нагрузки по заклепкам.

При выборе материала для заклепок необходимо стремиться к тому, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения заклепок и соединяемых деталей были равными или близкими. В противном случае при колебаниях температуры в соединении появляются температурные напряжения.

Особую опасность представляет сочетание разнородных материалов, которые способны образовывать гальванические пары. Гальванические токи быстро разрушают соединение. Такое явление наблюдается в химической промышленности и судостроении. Поэтому для скрепления алюминиевых деталей применяют алюминиевые заклепки, для медных – медные.

Допускаемые напряжения для заклепок (таблица 2.1) зависят в основном от характера обработки отверстия (продавленные или сверленые) и характера внешней нагрузки (статическая, динамическая).

Таблица 2.1

Вид

напряжений

Обработка

отверстия

Допускаемые

напряжения, МПа

Ст0 и Ст2

Ст3

Срез заклепок

Срез заклепок



Сверление

Продавливание

140

100

140

100

Смятие заклепок

Смятие заклепок



Сверление

Продавливание

280

240

320

280

Растяжение основных элементов





140

160

Примечание – При переменных нагрузках допускаемые напряжения рекомендуют понижать в среднем на 10...20 %.



Пример 2.1. Проверить прочность заклепочного соединения (рисунок 2.10, а) если = 100 Н/мм2; = 240 Н/мм2; = 140 Н/мм2.

Решение. Расчет включает проверку прочности заклепок на срез, стенок отверстий в листах и накладках на смятие, листов и накладок на растяжение.

Проверку прочности заклепок на срез выполняем по формуле (2.1)

,

где – число заклепок по одну сторону от стыка; – число плоскостей среза (двухсрезные заклепки).

.

Проверку на смятие выполняем по формуле

,

где – расчетная площадь смятия, мм.

В заданном соединении ( – толщина соединяемых листов; – толщина накладок), т. е. расчетная площадь смятия стенок отверстий в соединяемых листах меньше, чем стенок отверстий в накладках. Следовательно, напряжения смятия для листов больше, чем для накладок, и мм.

Подставляя числовые данные в исходную формулу, получаем

.

Проверку прочности соединяемых листов на растяжение выполняем по формуле

,

где – расчетное напряжение, Н/мм2; N – продольная сила в опасном сечении, Н; – площадь нетто, т.е. площадь поперечного сечения листа за вычетом ее ослабления отверстиями для заклепок опасного сечения, мм2.


Для определения опасного сечения строим эпюру продольных сил для листов (рисунок 2.10, б). При построении эпюры воспользуемся допущением о равномерном распределении силы между заклепками (в данном случае каждая из заклепок передает силу, равную 1/9F). Площади ослабленных сечений (I-I, II-II, III-III) различны, поэтому не ясно, какое из них опасное. Производим проверку прочности каждого из указанных сечений (на рисунке 2.10, в показаны ослабленные сечения листа).

Сечение I-I

; .

Сечение II-II

; .

Сечение III—III

; .

Опасным оказалось сечение I-I; напряжение в этом сечении выше допускаемого примерно на 2 %, т. е. можно считать, что прочность соединяемых листов достаточна.

Проверка накладок аналогична проверке листов. Эпюра продольных сил для двух накладок показана на рисунке 2.10, г. Очевидно, что для накладки опасным является сечение III-III – это сечение имеет наименьшую площадь (см. рисунок 2.10, д) и в нем возникает наибольшая продольная сила .

Напряжения в опасном сечении накладки

; .

Расчетное напряжение выше допускаемого примерно на 3,5 %, т.е. прочность накладок достаточна.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Решетов, Д.Н. Детали машин: учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов / Д.Н. Решетов. – М. : Машиностроение, 1989. – 496 с.

2. Иванов, М.Н. Детали машин: учебник для студентов техн. учеб. заведений / М.Н. Иванов. – М. : Высш. шк., 1991. – 383 с.

3. Иоселевич, Г.Б. Детали машин: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / Г.Б. Иоселевич. – М. : Машиностроение, 1988. – 368 с.

4. Трунин, С.Ф. Проектирование элементов судовых машин, транспортных и загрузочных механических устройств: учеб. пособие / С.Ф. Трунин. – Л.: Судостроение, 1989. – 272 с.

5. Орлов, П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 2. / П.И. Орлов. Под ред. П.Н. Учаева. – М. : Машиностроение, 1988. – 544 с.

6. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 томах / В.И. Анурьев. – М. : Машиностроение, 2006.

7. Ничипорчик, С.Н. Детали машин в примерах и задачах : учеб. пособие / С.Н. Ничипорчик, М.И. Корженцевский, В.Ф. Калачев [и др.]. Под общ. Ред. С.Н. Ничипорчика. – Минск : Выш. Школа, 1981. – 432 с.

2 Заклепочные соединения
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации