Соединения деталей машин: разъёмные и неразъёмные

Хакасский политехнический техникум  
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по технической механике 

Тема: Соединения деталей машин: разъёмные и неразъёмные. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: Грищенко С.Г Проверил: Лобанова И.А. 
 
 
 
 
 

2011 

Содержание 

1. Соединения деталей  машин………………………………………………..стр.3

2. Неразъёмные соединения…………………………………………………..стр.4

   2.1 Заклёпочные  соединения……………………………………………….стр.4

   2.2 Сварные  соединения…………………………………………………….стр.5

   2.3 Клеевые соединения……………………………………………………..стр.6

   2.4 Соединения  деталей посадкой с натягом…………………………….стр.7

3. Разъёмные соединения……………………………………………………..стр.8

   3.1 Резьбовые  соединения…………………………………………………..стр.8

   3.1.1 Резьба…………………………………………………………………….стр.9

   3.1.2 Основные  типы крепёжных деталей…………………………………стр.10

   3.1.3 Способы стопорения резьбовых соединений………………………стр.12 

3.2 Клеммовые соединения…………………………………………………….стр.13

3.3 Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения………………………стр.13

      3.3.1 Шпоночные соединения……………………………………………....стр.13                       

      3.3.2 Зубчатые (шлицевые) соединения………………………………….стр.15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                     
 

1. Соединения деталей машин

     Детали, составляющие машину связаны между  собой тем или иным способом. Эти  связи можно разделить на подвижные (различного рода шарниры, подшипники и т.д.) и неподвижные (резьбовые, сварные и т.д.). Неподвижные связи в технике называют соединениями.

     Соединения  являются важными элементами конструкций. Многие аварии и прочие неполадки  в работе машин и сооружений обусловлены  неудовлетворительным качеством соединений.

     Основным  критерием работоспособности расчета  соединений является прочность. Необходимо стремиться к тому, чтобы соединение было равнопрочным с соединяемыми элементами. Желательно, чтобы соединение не искажало форму изделия, не вносило дополнительных элементов в его конструкции и т.п.

     По  признаку разъёмности все виды соединений можно разделить на разъемные  и неразъемные:

     1) Разъемные соединения позволяют разъединять детали без всяких повреждений. К ним относятся резьбовые, штифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.

     2) Неразъемные соединения не позволяют разъединять детали без их повреждений. Применение неразъемных соединений обусловлено в основном технологическими и экономическими требованиями. К этой группе соединений относятся заклепочные, сварные и соединения с натягом.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
 

                     2. Неразъёмные соединения

                    

                     2.1  Заклёпочные  соединения 
 

Стандартные вытяжные заклепки

      Позволяют осуществить неразъемное соединение с доступом только с одной стороны. Они производятся различной длины и диаметров, бывают с куполообразным (стандартным), увеличенным и потайным бортиком, могут быть из алюминия, стали, нержавейки, меди, в зависимости от вида применения. Для некоторых применений имеют специальную конструкцию: закрытые, многозажимные, лепестковые, рифленые, контактные и самоперфорирующие. 

Усиленные вытяжные заклепки

      Позволяют осуществить неразъемное соединение с доступом только с одной стороны. Усиленные заклёпки изготавливают из алюминия, стали, нержавейки, в зависимости от вида применения. При установке создают надежное соединение, сравнимое по структуре с соединением полнотелой заклепкой. Обладают высокой сопротивляемостью к нагрузкам на растяжение и сдвиг. Они подходят для закрепления предметов подверженных вибрации. Главный сектор применения: корпусоа автомобилей, металлические

контейнера, электрошкафы и др. 

Штифты с обжимным кольцом

      Это система быстрой установки для  сборки частей испытывающих высокие механические нагрузки или подвеграющиеся высокой вибрации. Состоят из штифта и обжимающего кольца, штифт имеет насечки для жёсткой фиксации обжимного кольца. При установке требуется доступ с обратной стороны. Выпускаются различных длин и диаметров, в зависимости от толщины пакета и нагрузок. Материал: сталь, алюминий и нержавейка. 
 

Заклепочные гайки и болты

     Являются  эффективным решением для получения  наружной или внутренней резьбы на тонкостенной детали, в том числе  и цилиндрической. Они устанавливаются в предварительно подготовленное (пробитое или просверленное) отверстие с одной стороны, обжимаются вытягиванием штока инструмента с формированием с обратной стороны замыкающего бортика. Материал: сталь, нержавейки, алюминия и бронзы.

Достоинства заклепочных соединений: 

1. Высокая прочность  и надежность соединения

2. Простота контроля  качества соединения

3. Возможность соединения  деталей из любых материалов

4. Неизменность физико-химических  свойств материалов соединяемых  деталей

5. Высокая работоспособность при ударных и повторно-переменных нагрузках

6. При разборке  скрепляемых деталей (разрушении  заклепок), соединяемые детали 
   обычно почти не повреждаются и могут быть использованы повторно 

Недостатки  заклепочных соединений: 

1. Неполное использование материала соединяемых деталей в результате их  
    ослабления заклепочными отверстиями

2. Сложность технологического процесса изготовления клепанных конструкций

3. Трудность соединения  деталей сложной конструкции

4. Соединение деталей  встык требует применения специальных накладок

5. Заклепки и соединяемые  детали должны быть однородными,  с одинаковым 
   температурным коэффициентом линейного расширения 
 

                            2.2  Сварные соединения 

СВАРКА - процесс получения неразъемного соединения деталей машин,

конструкций и сооружений при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при  совместном действии того и другого  в результате установления межатомных связей в месте их соединения. Сварке подвергают детали из металлов, керамических материалов, пластмасс, стекла и др. 

Существуют  способы сварки, при  которых материал:  

- расплавляется (дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, 
  плазменная, лазерная, газовая и др.),  

- нагревается и пластически деформируется (контактная, высокочастотная, 
  газопрессовая и пр.)  

- деформируется без нагрева (холодная, взрывом и др.); способ 
  диффузионного соединения в вакууме.  

Различают также сварки:  

по  виду используемого источника энергии:

дуговая, газовая, электронно-лучевая и др. 

по  способу защиты материала:

под флюсом, в защитных газах, вакууме и др.;  

по  степени механизации:

ручная, полуавтоматическая и автоматическая. 

Выбор того или иного  способа сварки зависит от физико-химических свойств свариваемых материалов, условий ее проведения, толщины соединяемых деталей и конструкции соединений. 

Достоинства сварных соединений: 

1. Экономия материала  (Сварные конструкции в среднем легче клепанных на 20-25%)

2. Плотность и непроницаемость  соединений

3. Возможность соединения деталей любых криволинейных профилей произвольной 
   толщины

4. Трудоемкость сварного  соединения значительно меньше  заклепочного

5. Бесшумность технологического  процесса сварки и возможность  ее автоматизации  

Недостатки сварных соединений: 

1. Сложность проверки качества шва (только визуально)

2. Возможность нарушения  физико-химических свойств соединяемых деталей в зоне 
    сварки

3. Наличие внутренних "напряжений" в зоне сварки, что снижает прочность соединения 
 

                        2.3 Клеевые соединения 

Клеевое соединение - неразъёмное соединение деталей машин или строительных конструкций, осуществляемое с помощью клея. Клеевое соединение позволяет скреплять различные, в том числе и разнородные материалы, обеспечивая равномерное распределение напряжений.

     Клеевое соединение используют при изготовлении изделий из

стали, алюминия, латуни, текстолита, стекла, фанеры, древесины,

ткани, пластмассы, резины и др. материалов, которые можно соединять

в различных сочетаниях.  

Чаще всего с  помощью клея выполняют соединения, работающие на сдвиг или равномерный отрыв. Такие соединения для стальных изделий обеспечивают предел прочности на сдвиг 20-35 Мн/м2 (200-350 кг/см2), а в ряде случаев значительно выше.

Прочность клеёного шва  пластмасс обычно превышает прочность самого материала. Недостатками клеевых соединений являются их меньшая долговечность, по сравнению со сварными и заклёпочными соединениями (особенно при резких колебаниях температуры), и низкая прочность на односторонний неравномерный отрыв. В этих случаях хорошие результаты даёт применение комбинированных соединений - клеезаклёпочных и клеесварных. 

Достоинства клеевых соединений: 

1. Коррозионная и бензомаслостойкость

2. Уменьшение массы конструкции по сравнению с другими видами неразъемных 
    соединений

3. Невысокая концентрация напряжений в месте соединения

4. Возможность соединения практически любых конструкционных материалов

5. Возможность соединения деталей практически любой толщины

6. Герметичность и достаточная надежность соединения

7. Высокая усталостная прочность

8. Значительно меньшие, чем при сварке и клепке, трудовые затраты на единицу 
    продукции

 

Недостатки сварных соединений: 

1. "Старение", т.е. снижение прочности соединения с течением времени (некоторые клеи 
    обладают устойчивостью против старения)

2. Низкая теплостойкость

3. Невысокое сопротивление  растяжению и сдвигу, особенно  в случае неравномерного 
    отрыва

4. Необходимость тщательной  зачистки и пригонки склеиваемых  поверхностей 

         

                2.4  Соединения деталей посадкой с натягом

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

     Натягом N называется положительная разность диаметров вала и отверстия: N = B – A. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр d посадочных поверхностей становится общим. При этом на поверхности возникают удельное давление р и соответствующие ему силы трения. Силы трения обеспечивают неподвижность соединения и позволяют воспринимать вращающий момент в осевую силу. Защемление вала во втулке позволяет, кроме того, нагружать соединение изгибающим моментом.

     Нагрузочная способность соединения, прежде всего, зависит от натяга, величину которого устанавливают в соответствии с  нагрузкой. Практически натяг не очень невелик, он измеряется микрометрами и не может быть выполнен точно. Неизбежные погрешности приводят к рассеиванию натяга а следовательно и к рассеиванию нагрузочной способности соединения.

     Сборку  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 от 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 рекомендуется придавать коническую форму.

     Шабровка  поверхностей контакта устраняется  полностью при сборке по методу нагревания втулки (200 - 400˚С) или охлаждения вала (твердая углекислота -79 ˚С). Недостатком метода нагревания является возможность изменения структуры металла, появления окалины и коробления. Метод охлаждения свободен от этих недостатков.

      Оценка и область применения

     Основное  положительное свойство соединения с натягом – его простота и  технологичность. Это обеспечивает сравнительно низкую стоимость соединения и возможность его применения в массовом производстве. Хорошее  центрирование деталей и распределение нагрузки по всей посадочной поверхности позволяют использовать соединение в современных высокоскоростных машинах.

     Существенный  недостаток соединения с натягом  – зависимость его нагрузочной  способности от ряда факторов, трудно поддающихся учету: широкого рассеивания величин коэффициента трения и натяга, влияние рабочих температур на прочность соединения и т.д. К недостаткам соединения также относятся наличие высоких сборочных напряжений в деталях и уменьшение их сопротивления усталости вследствие концентрации давления у краев отверстия. Влияние этих недостатков снижается по мере накопления результатов экспериментальных и теоретических исследований, позволяющих совершенствовать расчет, технологию и конструкцию соединения. Развитие технологической культуры и особенно точности производства деталей обеспечивает этому соединению все более широкое применение. С помощью натяга с валом соединяют зубчатые колеса, маховики, подшипники качения, роторы электродвигателей, диски турбин и др. Соединения с натягом могут быть основными вспомогательными. В первом случае большая доля нагрузки воспринимается посадкой, а шпонка только гарантирует прочность соединения. Во втором случае посадку используют для частичной разгрузки шпонки и центрирования деталей.  

               3. Разъёмные соединения 

                       3.1  Резьбовые соединения

     Соединение  деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемного соединения. К ним относятся соединения с помощью болтов, винтов, шпилек, винтовых стяжек и т.д.  

                    3.1.1 Резьба

          Резьба – выступы, образованные на основной поверхности винтов или гаек и расположенные по винтовой линии.

     Классификация резьб:

1. По форме профиля:
• упорные;
• треугольные;
• прямоугольные;
• круглые;
• трапецеидальные;
2. По форме основной поверхности:

• цилиндрические;

• конические;

3. По назначению:

• крепежные;
• ходовые;
• специальные;

4. По направлению винтовой линии:

• правые;
• левые.

 

     Методы  изготовления резьбы:

1. Нарезкой вручную метчиками или плашками. Способ малопроизводительный. Его применяют в индивидуальном производстве и при ремонтных работах.
2. Фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы.
3. Накаткой на специальных резьбонакатных станках-автоматах. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготовляют большинство резьб стандартных крепежных изделий. Накатка существенно упрочняет резьбовые детали.
4. Литьем на деталях стекла, пластмассы, металлокерамики и др.

     Основными элементами резьбы являются диаметр  наружный d, средний d2 и внутренний d1; шаг S, угол профиля а, высота профиля h (рис. 1) 
 

     

            Рис. 1 Элементы резьбы 

              3.1.2. Основные типы крепежных деталей 

     Для соединения деталей применяют болты, винты, шпильки с гайками (рис.2).

     Болтом называется крепежная деталь, представляющая собой цилиндрический стержень, как правило, с шестигранной головкой на одном конце и винтовой резьбой на другом. Головки болтов могут иметь и другую форму: квадратную, прямоугольную, полукруглую с квадратными головками или усом.

     Винт отличается от болта наличием прорези (шлица) под отвертку. Винты подразделяются на два типа: крепежные и установочные. Основные типы крепежных винтов различаются по форме головки (цилиндрическая, полукруглая, потайная, полупотайная).

     Шпилька – цилиндрический стержень, на обоих концах которого нарезана резьба.

     Гайка представляет собой деталь призматической формы, снабженную сквозным, а иногда глухим осевым резьбовым отверстием. 

     

     Рис. 2 а — болт; б — винт; в - шпилька; г — установочный винт; д — гайка; e — пружинная шайба; ж — деформируемая шайба; з — плоская шайба 

     Основным  преимуществом болтового соединения (рис.3) является то, что при нем не требуется нарезать резьбу в соединяемых деталях. К недостаткам можно отнести следующее: обе соединяемые детали должны иметь место для расположения гайки или головки винта; при завинчивании и отвинчивании гайки необходимо удерживать головку винта от проворачивания; по сравнению с винтовым болтовое соединение несколько увеличивает массу изделия и искажает его внешние очертания.  
 

     

     Рис.3 Болтовое соединение, Винтовое соединение.   

     Винты и шпильки применяют в тех  случаях, когда постановка болта  невозможна или нерациональна. Например, нет места для размещения гайки, нет доступа к гайке, при большой толщине детали необходимо глубокое сверление и длинный болт и т.п.

     Если  при эксплуатации деталь часто снимают  и затем снова ставят на место, то ее следует закреплять болтами  или шпильками, так как винты в многократном завинчивании может повредить резьбу в детали. Повреждение резьбы в этом случае более вероятно, если деталь изготовлена из малопрочных хрупких материалов, например из чугуна, дюралюминия и т.п.

     Подкладную  шайбу ставят под гайку или головку винта для уменьшения смятия детали (гайкой, если деталь сделана из менее прочного материала(пластмассы, дерева и т.д.), предохранения чистых поверхностей деталей от царапин при завинчивании гайки(винта); перекрытия большого зазора отверстия. В других случаях подкладную шайбу использовать нецелесообразно. Кроме подкладных шайб применяют стопорные или предохранительные шайбы, которые предохранят соединение от самоотвинчивания.

     Шпонки  – это конструктивный элемент, служащий для соединения с валом деталей передающих вращательное и колебательное движение. По конструкции шпонки делятся на призматические, сегментные, клиновые (рис.4). 

     

     Рис. 4 Шпонки: а – призматическая; б – сегментная, в – клиновая. 

          3.1.3 Способы стопорения резьбовых соединений 

     Самоотвинчивание  разрушает соединение и может  привести к аварии. Предохранение  от самоотвинчивания весьма важно для  повышения надежности резьбовых  соединений и совершенно необходимо при вибрациях, переменных и ударных нагрузках. Вибрации понижают трения и нарушают условие самоторможения в резьбе.

     Существует  много способов стопорения или предохранения  от самоотвинчивания:

     1. Повышают и стабилизируют трение  в резьбе путем постановки контргайки, пружинной шайбы, применения резьбовых пар в резьбе и т.п. контргайка создает дополнительное натяжение и трение в резьбе. Пружинная шайба поддерживает натяг и трение в резьбе на большом участке самоотвинчивания. Кроме того, упругость шайбы значительно уменьшает влияние вибрации на трение в резьбе, а остальные кромки ее прорези затрудняют поворот гайки (головки винта) относительно детали при отвинчивании.

     2. Гайку жестко соединяют со стержнем винта, например, с помощью шплинта или прошивают группу винтов проволокой. Способы стопорения этой группы позволяют производить только ступенчатую регулировку затяжки соединения.

     3. Гайку жестко соединяют с деталью, например, с помощью специальной шайбы или планки.  

                            3.2 Клеммовые соединения 

     Применяют для закрепления деталей на осях и валах, цилиндрических колоннах, кронштейнах  и т.д.

     По  конструктивным признакам различают  два типа клеммовых соединений: а) со ступицей, имеющей прорезь; б) с разъемной ступицей. Разъемная ступица несколько увеличивает массу и стоимость соединения, но при этом становится возможным устанавливать клемму в любой части вала независимо от формы соседних участков и других расположенных на валу деталей.

     При соединении деталей с помощью  клемм используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов, но клеммовые соединения не рекомендуют применять для больших нагрузок.

     Достоинство клеммового соединения: простота монтажа и демонтажа, самопредохранение от перегрузки, а также возможность перестановки и регулировки взаимного расположения деталей как в осевом, так и в окружном направлениях. Наличие больших зазоров в соединении может привести к разрушению клеммы от напряжений изгиба. Практически конструкция с большим зазором считается дефектной.  

                 3.3  Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения 

     Служат  для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки  и т.д. Соединения в основном нагружаются  вращающим моментом. 

                3.3.1 Шпоночные соединения

    Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные (в соединении образуется напряжение до приложения внешней нагрузки), а вторая – ненапряженные соединения.

     1) Соединение клиновыми шпонками (например, врезной клиновой шпонкой) характеризуется свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающегося момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки. Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на величину ∆, равную половине зазора и деформации деталей. Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения.

     Клиновая  форма шпонки может вызвать перекос  детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна  оси вала. Обработка паза в ступице  с уклоном шпонки, создает дополнительные технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства. Значительное сокращение применения клиновых шпонок позволяет не рассматривать в настоящем курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.