Тема 2: Соединения.

Вопросы темы:

1. Общие сведения о соединениях. Сварные соединения.

2. Заклепочные соединения. Паяные и клеевые соединения.

3. Резьбовые соединения.

4. Клиновые и штифтовые соединения. Шпоночные соединения.

5. Шлицевые (зубчатые соединения).

6. Соединение деталей с натягом. Профильные соединения.

1. Общие сведения о соединениях. Сварные соединения.

Под соединениями понимают узлы, образованные соединительными деталями (заклепками, винтами и др.) и прилегающими частями соединяемых деталей (фланцами), форма которых обычно подчинена задаче соединения. В отдельных соединениях специальные соединительные детали могут отсутствовать. Соединения позволяют составить – собрать из отдельных деталей машину или агрегат.

Соединения по признаку возможности разборки делят на неразъемные и разъемные.

Разъемными называют соединения, допускающие разборку и повторную сборку без нарушения работоспособности деталей. К ним относятся: резьбовые, шлицевые (зубчатые), шпоночные профильные и др.

Неразъемными называют соединения, не допускающие разборку соединенных деталей без их повреждения. К ним относятся: сварные, заклепочные, паяные, клеевые и др.

Неразъемные соединения осуществляются силами молекулярно-механического сцепления (сварные, клеевые, паяные) или механическими средствами (клепанные).

Сварные соединения — это не­разъемные соединения, основанные на ис­пользовании сил молекулярного сцепления и получаемые путем местного нагрева де­талей до расплавленного состояния или до тестообразного со­стояния, но с применением механической силы (контактная сварка).

Сварные соединения являются наиболее совершенными неразъемными соединения­ми, так как лучше других приближают составные детали к целым и позволяют из­готовлять детали неограниченных разме­ров. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла.

Сварные соединения по взаимному рас­положению соединяемых элементов можно разделить на следующие группы:

1. Соединения стыковые. Соединяемые элементы являются продолжением один другого, сварку производят по торцам (рис.1).

Рисунок 1. Стыковые соединения

2.Соединения нахлесточные. Боковые поверхности соединяемых элементов час­тично перекрывают одна другую (рис.2).

Рисунок 2. Нахлесточные соединения

3. Соединения тавровые. Соединяемые элементы перпендикулярны или реже на­клонны один к другому. Один элемент торцом приваривается к боковой поверх­ности другого (рис.3,а,б,в).

4. Соединения угловые. Соединяемые элементы перпендикулярны или наклонны один к другому и привариваются по кром­кам (рис.3,г,д,е).

Рисунок 3. Соединения тавровые и угловые

Применение стыковых соединений, как наиболее близких к целым деталям, рас­ширяется, а применение нахлесточных — сокращается.

Применение сварных конструкций обес­печивает существенную экономию металла по сравнению с клепаными и литыми.

Экономия металла по сравнению с клепаными конструкциями получается в основном в виду:

а) полного использования рабочих сечений соединяемых элементов без ослабления их отверстиями для заклепок;

б) возможности непосредственного соединения элементов без вспомогательных деталей (накладок).

Для сварки характерны высокие эконо­мические показатели: малая трудоемкость процесса, относительно низкая стоимость оборудования, возможность автоматиза­ции и т. д. Относительно низкая стоимость сварочного оборудования определяется тем, что оно не связано с использованием больших сил (как кузнечнопрессовое обо­рудование) и с необходимостью плавления большого количества металла (как литей­ное производство).

Недостатком сварки является неста­бильность качества шва, зависящая от квалификации сварщика. Этот недостаток в значительной степени устраняется приме­нением автоматической сварки.

Сварка позволяет удешевлять и совер­шенствовать конструкции деталей, полу­ченных разными заготовительными опера­циями, поковок, проката, отливок и дета­лей из разных материалов.

2. Заклепочные соединения. Паяные и клеевые соединения.

Заклепка (рис. 4, а) представляет со­бой стержень круглого сечения с головка­ми на концах, одну из которых, называе­мую закладной, выполняют на заготовке заранее, а вторую, называемую замыкаю­щей, формируют при клепке. Заклепочные соединения образуют постановкой закле­пок в совмещенные отверстия соединяемых элементов и расклепкой с осаживанием стержня (рис.4,б). Заклепки стягивают соединяемые детали, в результате чего часть или вся внешняя продольная нагруз­ка на соединения передается силами тре­ния на поверхности стыка.

Рисунок 4. Заклепочное соединение заклепками с круглыми головками

Заклепочные соединения разделяют на:

а) силовые (прочными), используемые преимущественно в металлических конструкциях машин, в строительных сооружениях;

б) силовые плотные (плотнопрочными), используемые в котлах и трубах, работающих под давлением.

Плотность также можно обеспечить с помощью клея.

Преимуществам и заклепочных соединений являются стабильность и контролируемость. качества.

Недостатки — повышенный расход металла и высокая стоимость, неудобные конструктивные формы в связи с необходимостью наложения одного листа на другой или применения специальных накладок.

Государственными стандартами предусмотрены следующие виды заклепок.

Заклепки со сплошным стержнем: с полукруглой головкой (рис.5,а), имеющие основное применение в силовых и плотных швах; с плоской головкой (рис.5,б), предназначенные для работы в коррозионных средах; с потайной головкой (рис.5,в), применяемые при недопустимости выступающих частей, в частности в самолетах; с полупотайной головкой для соединения тонких листов.

Заклепки полупустотелые (рис.5,г,д.е) и пустотелые (рис.5,ж,з,и)применяют для соединения тонких листов и неметаллических деталей, не допускающих больших нагрузок.

Рисунок 5. Стандартные стальные заклепки

Заклепочные соединения по конструкции разделяют на соединения внахлестку (рис.6,а), соединения с одной накладкой (рис.6,б) и соединения с двумя накладками (рис.6,в).

Рисунок 6. Основные типы заклепочных соединений

Изготовляют заклепки из мягкой стали, алюминия, меди или латуни с головками разных форм в зависимости от вида клепки — обыкно­венной или потайной. По­тайную клепку, при которой головки находятся запод­лицо с поверхностями склепанных деталей, применяют при наклепке фрикционных накладок на диски муфт управле­ния, при наклепке, сегментов режущего аппарата уборочных машин и т. п.

Заклепки изготовляют из прутков малоуглеродистых сталей Ст2, СтЗ и сплавов.

Заклепочные соединения применяют в тех случаях, когда соединения работают в условиях вибрационных и ударных нагрузок или соединяемые детали изготов­лены из несвариваемых материалов.

Пайкой называют процесс соединения деталей расплавлен­ным припоем. В отличие от сварки при пайке материал дета­лей не расплавляется, так как температура плавления при­поя ниже температуры плавления материала соединяемых деталей. Припой смачивает паяемые поверхности, заполняет зазор между ними. Для повышения качества соединения, уменьшения влияния окисления поверхности деталей при­меняют специальные флюсы на основе буры, канифоли.

Для размещения припоя между соединяемыми поверх­ностями оставляют зазор, величину которого выбирают к зависимости от вида припоя. При пайке происходит вза­имное растворение материалов поверхностного слоя соеди­няемых деталей и припоя. После затвердевания припоя образуется неразъемное соединение, прочность которого мри правильно выполненном соединении равна прочности основного материала детали.

В отличие от сварки пайкой можно получать соединения из разнородных материалов: черных и цветных металлов, стекла, порошковых и др. Наиболее широко в технике при­меняют пайку металлов. Пайкой получают сложные по форме конструкции из тонкостенных элементов, такие как сотовые конструкции (рис 7, г), применяемые в авиастрое­нии. При пайке в основном применяют нахлесточные сое­динения (рис. 7, а, б, в). Пайка разделяется на высоко­температурную (серебряными и медными припоями) и низкотемпературную (оловянно-свинцовыми припоями).

При высокотемпературной пайке соединения нагревают газовыми горелками, электрической дугой, токами высокой частоты, в печах. При низкотемпературной пайке поль­зуются медными паяльниками, газовыми горелками, по­гружают соединяемые детали в ванны с расплавленным при­поем.

Рисунок 7. Виды паяных соединений

Клеевые соединения. Эти соединения подобны паяным, только вместо припоя на соединяемые поверхности нано­сится слой клея. В основе процесса склеивания лежит яв­ление адгезии, т. е. способности склеивающих веществ прилипать к поверхности склеиваемых материалов. Склеи­вание происходит при определенных для каждого клея температуре, давлении, времени выдержки. С появлением прочных клеев на основе эпоксидных и фенолформальдегидных смол клееные конструкции стали широко внедрять в машиностроении. Склеиванием получают неразъемные соединения из самых разнообразных материалов: металлов, стекла, древесины, неметаллических материалов, тканей, резины и др. Клеевые соединения успешно применяют в случаях, когда материалы деталей невозможно соединить сваркой или пайкой, болтами или заклепками, являющи­мися источниками концентрации напряжений.

К недостаткам клеевых соединений можно отнести их меньшую долговеч­ность по сравнению со сварными соединениями, особенно при резких колебаниях температуры, и низкую прочность при неравномерном отрыве. При такой нагрузке применяют комбинированные клеесварные соединения, имеющие высо­кую прочность и герметичность. В основном клеи приме­няют в жидком или порошкообразном виде. Некоторые клеи применяют в виде пленок, что обеспечивает заданную тол­щину клеевого слоя.

3. Резьбовые соединения.

Резьбовыми называются разъемные сое­динения, собранные с помощью специальных крепежных деталей или резьбы, выполненной на соединяемых деталях.

Резьбовые соединения являются наиболее распростра­ненными из разъемных соединений, применяемых в маши­ностроении.

Основные преимущества резьбовых соедине­ний: высокая несущая способность и надежность, простота сборки, разборки и замены резьбовых деталей, малая стои­мость, возможность применения однотипных стандартизо­ванных деталей в различных машинах и механизмах.

К не­достаткам резьбовых соединений относится концентрация напряжений в резьбе, снижающая их прочность, особенно яри циклических нагрузках.

К основным деталям резьбовых соединений относятся болты, винты, шпильки, гайки, шайбы, резь­бовые вставки. Винты с гайками, называемые болтами (рис.8,а), применяют для соедине­ния деталей сравнитель­но небольшой толщины и имеющих места для гайки и головки винта. Болты целе­сообразно применять в соединениях, часто подвергающихся сборке и разборке. Если болтовое соединение неприме­нимо, а в детали можно сделать резьбовое отверстие, то применяют винты (рис.8, б). Недостатком винтового соединения является изнашивание резьбового отверстия детали при частой сборке и разборке соединения, особенно если материал детали не обладает высокой твердостью (например, легкие сплавы, пластмассы и т. д.). В этих слу­чаях для соединения применяют шпильки с гайками (рис.8, в) или в резьбовое отверстие одной из соединяе­мых деталей завинчивают деталь из более твердого износо­стойкого металла — резьбовую вставку, имеющую вид втулки с наружной и внутренней резьбой.

Рисунок 8. Болтовое соединение

По форме головки различают винты с шестигранной головкой (наиболее часто применяемой, рис.9,а), ква­дратной головкой (рис.9,б), с шестигранным отверстием (рис.9,б), с круглой, полукруглой или конусной го­ловкой, имеющими один (рис.9, г,д,е) или два шлица (рис.9, ж).

Рисунок 9. Виды головок винтов

В зависимости от точности изготовления различают болты и винты нормальной и повышенной точности, а в зависимости от назначения – общего назначения, установочные и специальные.

Гайки применяют в основном шестигранные с высотой, равной 0,8d (рис. 10,а), корончатые (рис.10,б), круг­лые (рис.10,в).

В зависимости от высоты различают шестигранные гайки нормальные, высокие и низкие. В зависимости от точности изготовления шестигранные гайки, как и болты, бывают нормальной и повышенной точности.

Рисунок 10. Виды гаек

Шайбы подкладывают под гайки; они служат для предохранения деталей от задиров и увеличения опорной поверхности. Имеются стопорные шайбы, которые предохраняют резьбовые соединения от самоотвинчивания.

Параметры резьбы.

По форме поверхности, на кото­рой образуют резьбу, различают цилиндрические и конические резьбы, а по форме профиля — треугольные, трапецеидальные и круглые (рис.11). По назначению резьбы делятся на крепежные, крепежно-уплотняющие и резьбы для передачи движения. В зависимости от направления винтовой линии резьбы бывают левые и правые. У правой резьбы винтовая линия поднимается вверх слева направо. Левая резьба имеет ограниченное применение.

Рисунок 11. Профили резьб: а-треугольная, б-трапецеидальная, в-круглая

Основные геометрические параметры резьбы: d — на­ружный (номинальный) диаметр; d₁ — внутренний диа­метр; d₂ — средний диаметр, т. е. диаметр воображаемо­го цилиндра, на котором ширина витка равна ширине впадины; S — шаг резьбы, т. е. расстояние между одно­имёнными сторонами двух соседних витков в осевом направлении; α — угол профиля резьбы.

Наиболее распространена метрическая резьба (рис.12), являющаяся основной крепежной резьбой. Она имеет профиль в виде равностороннего треугольника, а = 60°.

Рисунок 12. Метрическая резьба: 1-гайка, 2-болт

Метрические резьбы делятся на резьбы с крупным и мелким шагом. В качестве основной крепежной при­меняют резьбу с крупным шагом, так как она менее чувствительна к износу и неточностям изготовления.

Трубная цилиндрическая резьба (рис.13) —это мел­кая дюймовая резьба с углом профиля а = 55°, но с закруг­ленными выступами и впадинами.

Рисунок 13. Трубная резьба: 1-муфта, 2-труба

Отсутствие радиальных зазоров делает ее гер­метичной. Применяется для соединения труб. Условное обозначение резьбы дается по внутреннему диаметру трубы (в дюймах), на кото­рой она нарезана.

При выборе материала учитывают величину и характер нагрузки, условия работы, способ изготовления. Стандартные крепежные резьбовые детали общего назначения выполняют из мало- и среднеуглеродистых сталей СтЗ, Ст4, 10, 20, 35 и др. Легированные стали 35Х, ЗОХГСА используют для изготовления ответственных винтов, болтов, шпилек и гаек. Резьбовые изделия, подверженные действию воды или других окислительных сред, оксидируют, омедняют, оцинковывают и т. п. для повышения их коррозионной стойкости.

Для предотвращения самоотвинчивания резьбовых соединений в результате действия пульсирующей нагрузки, сотрясений и вибрации их стопорят. Для этой цели используют контргайки, винты, деформируемые и пружинные шайбы, разводные шплинты и контровую проволоку (рис.14).

Рисунок 14. Способы стопорения резьбовыхсоединений: 1 -контргайкой, 2-пружинной шайбой, 3-шплинтом, 4-замковой шайбой, 5-шплинтовочной проволкой.

4. Клиновые и штифтовые соединения. Шпоночные соединения.

Клиновым называют разъемное соединение, затягиваемое или регулируемое с помощью клина. Типичным примером клинового соеди­нения является соединение стержня со втулкой, показанное на рис.15. Стержень имеет попе­речный клиновый паз с углом, равным углу кли­на. Втулка имеет паз постоянного сечения. Со­единение обычно затягивают, забивая клин или перемещая его посредством винта.

Рисунок 15. Клиновые соединения стержня со втулкой.

Достоинства клинового соединения: а) бы­строта сборки и разборки; б) возможность создания больших сил затяжки и возможность восприятия больших нагрузок; в) относитель­ная простота конструкции.

По назначению клиновые соединения раз­деляют на: а) силовые, предназначенные для прочного скрепления деталей; б) установочные, предназначенные для установки и регулирова­ния требуемого взаимного положения деталей.

Штифты в основном предназначены для точного взаимного фиксирования деталей, а также для передачи относительно не­больших нагрузок. По форме штифты можно разделить на: цилиндрические (рис. 16,а,б), конические (рис.16,в,г,д), цилиндрические пружинные раз­резные (рис.16,е), просеченные ци­линдрические, конические и др. (рис.16, ж,к).

Гладкие штифты изготовляют из стали 45 и А12, штифты с канавками и пружинные — из пружинной стали.

Рисунок 16. Основные типы штифтов

Шпоночные соединения служат для закрепления на валу (оси) вращающихся деталей (зубчатых колес, муфт, шкивов) и для передачи вращающего момента от вала к ступице детали (или наоборот).

Шпоночные соединения соединяют вал со ступицей детали (шкивом, звездочкой) с помощью шпонки. Шпонка – это стальной брусок, вставляемый в пазы вала и ступицы.

Шпоночные соединения могут быть ненапряженными (соединения призматическими и сегментными шпонками) и напряженными (соединения клиновыми и тангенциальными шпонками).

Соединение призматической шпонкой показано на рис.17. Концы шпонок выполняют округленными или плоскими. Шпонку закладывают в паз вала. В радиальном направлении между шпонкой и основанием паза в ступице предусмотрен зазор.

В тех случаях, когда ступица должна перемещаться вдоль вала, устанавливают направляющую призматическую шпонку. В некоторых конст­рукциях подвижных соединений целесообразно применять корот­кие скользящие шпонки, прикреп­ленные к ступице.

Соединение этими шпонками дает хорошее центрирование деталей на валу, но не удерживает от осевого смещения. Для этого применяют распорные втулки или установочные винты.

Рисунок 17. Соединение призматической шпонкой: 1-зубчатое колесо, 2-шпонка, 3-распорная втулка, 4-вал.

Сегментные шпонки представляют собой пластины в виде сегмента, закладываемые в пазы на валу (рис.18). Их используют для передачи небольших вращающих моментов. По принципу работы эти шпонки подобны призматическим, но обладают некоторыми преимуществами. Крепление этих шпонок на валу надежнее по сравнению с призматическими шпонками вследствие большей глубины врезания, однако, сегментные шпонки значительно ослабляют валы.

Рисунок 18. Соединение сегментной шпонкой: 1-установочный винт, 2-втулка, 3-шпонка, 4-вал.

Клиновые шпонки создают напряженное состояние (рис.19). Они имеют форму самотормозящих клиньев, выполненных с уклоном. Такой же уклон имеют и пазы в ступицах деталей. Головка шпонки предназначе­на для извлечения шпонки из паза. Клиновые шпонки забивают в пазы, в результате чего создается напряженное соединение, которое передает детали вращающий момент и осевое усилие. Эти шпонки не требуют стопорения ступицы от продольного перемещения вдоль вала. При забивании в соединении возникают распорные радиальные усилия, которые нарушают центрирование детали на валу, вызывая ее биение. Поэтому соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах. Они хорошо воспринимают ударные и знакопеременные нагрузки.

Рисунок 19. Соединение клиновой шпонкой: 1-звездочка, 2-головка, 3-вал.

Достоинства шпоночных соединений – простота и надежность конструкции, а также несложность монтажа и низкая стоимость.

Недостаток – ослабление вала и ступицы детали в результате концентрации напряжений, вызываемых наличием шпоночного паза.

5. Шлицевые (зубчатые соединения).

Шлицевые (зубчатые) соединения (рис.20) образуют­ся выступами — зубьями на валу и соответствующими впадинами — пазами в ступице. Рабочими поверхностями являются боковые стороны зубьев. Шлицевые соединения выполняют подвижными и неподвижными; подвижные допускают перемещение детали вдоль вала, например, шестерни коробки передач.

Рисунок 20. Шлицевое (зубчатое) соединение: 1-шестерня, 2-шлицы, 3-распорная втулка.

В машиностроении применяют шлицы прямобочные (прямоугольного профиля), эвольвентные, треугольные. Предусмотрены три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая, отличающаяся высотой и количеством зубьев.

Прямобочные шлицевые соединения различают также по способу центрирования: центрирование по внутреннему диаметру (при закрепленной ступице); по боковым граням (при реверсивной работе соединения).

Преимущества шлицевых соединений по сравнению со шпоночными: лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление их при осевом перемещении; уменьшение числа соединительных деталей (шлицевое соединение образует две детали, шпоночное — три и более); при одинаковых габаритных размерах шлицевое соединение допускает передачу больших вращающих моментов за счет большей поверхности контакта; вследствие равно­мерного распределения нагрузки по зубьям обеспечивает­ся высокая надежность при динамических и реверсивных нагрузках.

Недостаток шлицевых соединений — более сложная технология изготовления по сравнению со шпоночными. Штифтовые соединения служат для соединения валов (осей) с установленными на них деталями (например, звездочками) при передаче небольших моментов. По наз­начению их разделяют на установочные и силовые (ко­нические и фасонные).

6. Соединение деталей с натягом. Профильные соединения.

Соединения деталей с натягом относится к фрикционным соединениям, т.е. соединениям, передающим рабочие нагрузки за счет сил трения между сопряженными поверхностями. Необходимое нормальное давление между этими поверхностями создается вследствие упругих деформаций соединяемых деталей, что получается при посадке детали на вал.

Примерами деталей, соединяемых с натягом, являются соединения венцов зубчатых и червячных колес со ступи­цами, ступиц колес с валами, соединения водила плане­тарной передачи с осями сателлитов и валом и др.

Соединение осуществляется одним из способов: с нагре­вом охватывающей детали, с охлаждением охватываемой детали, запрессовкой гидропрессовым способом (подводом масла под давлением в место сопряжения).

Под профильными (бесшпоночными) фасонно-профильными соединениями понимают соединения с поверхностью контакта, имеющей плавный некруглый профиль без шпонок и меняющих их зубьев (рис. 21,а,б).

Достоинствами этих соединений являются: а) отсутствие источников концентрации напряжений кручения; б) самоцентрирование; в) пониженный шум.

Наиболее перспективно применение бесшпоночных соединений при необходимости повторной сборки и разборки, когда соединения с натягами неприменимы, а также при действии больших крутящих моментов.

Рисунок 21. Профильные соединения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте общее определение соединениям;

2. Назовите виды разъемных и неразъемных соединений;

3. Назначение резьбовых соединений;

4. Назовите преимущества и недостатки шпоночных соединений.