Тема 3.3 Соединения с натягом

Цилиндрические соединения с натягом; достоинства и недостатки; расчет на прочность соединений с натягом; конструирование соединений с натягом.

Соединение двух деталей по круговой цилиндрической поверхности можно осуществить непосредственно без применения болтов, шпонок и т. д. Для этого достаточно при изготовлении деталей обеспечить натяг посадки, а при сборке запрессовать одну деталь в другую (рис.3.3.1)

Натягом N называют положительную разность диаметров вала и отверстия, N=B — А.

Перед запрессовкой После запрессовки

Рис. 3.3.1

После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр d посадочных поверхностей становится общим. При этом на поверхности посадки возникают удельное давление р и соответствующие ему силы трения. Силы трения обеспечивают неподвижность соединения и позволяют воспринимать как крутящие, так и осевые нагрузки. Защемление вала во втулке позволяет, кроме того, нагружать соединение изгибающим моментом. В инженерной практике такое соединение называют прессовым.

Нагрузочная способность прессового соединения прежде всего зависит от натяга, значение которого устанавливают в соответствии с нагрузкой. Практически расчетный натяг очень невелик, он измеряется микрометрами и не может быть выполнен точно. Неизбежные погрешности производства приводят к рассеиванию натяга и следовательно к рассеиванию нагрузочной способности соединения. Рассеивание натяга регламентируется стандартом допусков и посадок.

Сборку любого прессового соединения выполняют одним из трех способов: прессованием, нагревом втулки, охлаждением вала.

Прессование — распространенный и несложный способ сборки.

Однако этому способу свойственны недостатки; смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных

поверхностей, возможность неравномерных деформаций деталей и повреждения их торцов.

Шабровка и смятие шероховатостей приводят к ослаблению прочности соединения до полутора раз по сравнению со сборкой нагревом или охлаждением. Для облегчения сборки и уменьшения шабровки концу вала и краю отверстия рекомендуют придавать коническую форму.

Расчет прочности соединения

Рис3.3.2 Расчетная схема прессового соединения

На рис.2.3 приведена расчетная схема прессового соединения.

Условие прочности соединения при нагружении осевой силой

KF_a<,fpndl, (3.3.1),

где

р — давление на поверхность контакта;

К — коэффициент запаса = 1,5...2.

Условие прочности соединения при погружении крутящим момен­том

. (3,3.2)

При совместном действии Т и F_a

, (3.3.3)

где F_t=2T/d — окружная сила.

По теории расчета толстостенных цилиндров, изучаемой в курсе сопротивления материалов, удельное давление на поверхности контакта связано с натягом зависимостью

p = , (3.3.4)

где N — расчетный натяг; С₁ и С₂ — коэффициенты:

; ,

E i и Е₂, μ₁ и μ₂ — модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов вала и втулки:

для стали Е = (21...22)*10⁴ МПа и μ = 0,3,

для чугуна Е =(12...14)*10⁴ МПа и μ = О,25,

для бронзы Е = (10...11)*10⁴ МПа и μ = 0,33.

При расчете прочности соединения расчетный натяг N определяют по минимальному табличному или вероятностному натягу с поправкой и на срезание и сглаживание шероховатости поверхности при запрессовке (если сборку выполняют нагреванием или охлаждением, и =0):

N = N_min –u, u = 1.2(R_z1 + R_z2 ),

Где R_z1 и R_z2 — высоты шероховатостей посадочных поверхностей.

Наиболее распространенные значения R_z для поверхностей прессовых соединений: 10...6,3; 3,2...1,6 мкм, что соответствует 6...8-му классам шероховатости.

В приближенных расчетах прочности соединения стальных и чугунных деталей принимают: 0,08...0,1 — сборка прессованием; О,12...0,14 — сборка с нагревом или охлаждением.

Изгибающий момент, которым может быть нагружено соединение, определяют: M = FL = Rx,

где R — равнодействующая давлений на поверхностях верхнего и нижнего полуцилиндров. Значение этой равнодействующей определяется давлением р прессовой посадки и не изменяется от действия изгибающего момента

R = pld.

Для обеспечения необходимого запаса прочности соединения на практике принимают

M<0,2pdl². (3.3.5)

При этом давление в наиболее нагруженных точках соединения не должно вызывать пластических деформаций.

Изменение давлений, вызванное действием изгибающего момента, не отражается на способности соединения воспринимать осевую силу и крутящий момент, так как суммарное значение сил трения остается постоянным.

Оценка и область применения

Прессовое соединение относится к группе неразъемных и предварительно напряженных. Разборка соединения затруднена, связана с применением специальных приспособлений и сопровождается повреждением посадочных поверхностей. Однако в зависимости от натяга и технологии сборки могут быть получены соединения, сохраняющие свою работоспособность при повторных сборках.

Основное положительное свойство прессового соединения — его простота и технологичность.Это обеспечивает сравнительно низкую стоимость соединения и возможность его применения в массовом производстве. Хорошая центровка деталей и распределение нагрузки по всей посадочной поверхности позволяют использовать прессовое соединение для скрепления деталей современных высокоскоростных машин.

Существенный недостаток прессового соединения — зависимость его нагрузочной способности от ряда факторов, трудно поддающихся учету:широкого рассеивания значений коэффициента трения и натяга, влияния рабочих температур на прочность соединения и т. д. К недостаткам соединения относится также наличие высоких сборочных напряжений в деталях и уменьшение их сопротивления усталости вследствие концентрации давлений у краев отверстия.