Шпоночные и бесшпоночные соединения.

Соединения.

 

Под соединениями в машиностроении понимают узлы, образованные соединяемыми деталями (заклепками, винтами) и прилегающими частями соединяемых деталей (например, фланцами), форма которых обычно подчинена задаче соединения.

Соединения по признаку возможности сборки делят на неразъемные, которые нельзя разобрать без разрушения или повреждения (заклепочные, сварные), и разъемные, позволяющие повторные сборку и разборку (резьбовые, клиновые.

Неразъемные соединения осуществляются силами молекулярно-механического трения (сварные, паяные, клеевые) или механическими средствами (клепаные, соединения с натягом, вальцованные).

Соединения элементов сосудов и трубопроводов, содержащих жидкости или газы, должны удовлетворять условиям плотной герметичности. Для этого контактируемые поверхности механических соединений должны быть сжаты давлением.

 

 

1.2. Неразъёмные соединения.

 

Сварные соединения.

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

Существуют следующие виды сварки:

1. Дуговая сварка металлическим электродом (соединения являются наиболее совершенными)

2. Электрошлаковая сварка

3. Сварка трением

 

Также существуют специальные виды сварки:

1.Диффузионная

2.Электронно-лучевая

3.Лазерная

4.Радиочастотная

5.Ультразвуковая

6. Сварка взрывом

 

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.

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

3. Соединения тавровые. Соединяемые элементы перпендикулярны или реже наклонны один к другому. Один элемент торцом приваривается к боковой поверхности другого

4. Соединения угловые. Соединяемые элементы перпендикулярны или наклонны один к другому и привариваются по кромкам.

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

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

 

 

Клеевые соединения.

 

Клеевые соединения – это соединения неметаллическим веществом посредством поверхностного схватывания и внутренней межмолекулярной связи в клеящем слое. Эти соединения в последнее время получили широкое применение.

Достоинствами этих соединений являются: возможность соединения деталей из разных материалов, соединения тонких листов, пониженная концентрация напряжений и хорошее сопротивление усталости, возможность обеспечения герметичности, уменьшенная масса, возможность получения гладкой поверхности изделия.

Применяемые в машиностроении клеи подразделяют на термореактивные – эпоксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные, полиуретановые; термопластичные на основе полиэтилена, поливенилхлорида; эластомеры на основе каучуков.

Наряду с жидкими клеями применяют клеи в виде пленок, которые вкладывают между соединяемыми деталями, а потом нагревают и сжимают.

Клеевые соединения могут упрочнять или полностью заменять соединения с натягом. Успешно применяют клей для повышения прочности сопряжения зубчатых колес с валами и зубчатых венцов со ступицами. Для особопрочных соединений, испытывающих произвольную нагрузку, включая неравномерный отрыв, и вибрационную нагрузку, применяют комбинированные соединения, клеесварные и клеезаклепочные, клеерезьбовые. Комбинированные соединения обеспечивают равнопрочность с целыми листами и широко применяются в ответственных машинах (в частности, в тяжелых самолетах соединяемые поверхности по несколько сот квадратных метров).Клеесварные соединения выполняют обычно в виде сочетания клеевых и точечных сварных швов. Толстые листы соединяют двухрядными швами с шахматным расположением точек. Точечную сварку преимущественно производят по жидкому (эпоксидному) клею. Клеезаклепочные соединения еще прочнее клеесварных.

 

 

Заклепочные соединения.

 

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

Заклепочные соединения разделяют на:

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

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

 

Преимуществами заклепочных соединений являются стабильность и контролируемость качества. Недостатки – повышенный расход материала и высокая стоимость, неудобные конструктивные формы в связи с необходимостью наложения одного листа на другой или применение специальных накладок.

Область практического применения заклепочных соединений ограничивается следующими случаями:соединения, в которых нагрев при сварке недопустим из-за опасности отпуска термообработанных деталей или коробления окончательно обработанных точных деталей; соединения несвариваемых материалов; соединения в автомобилестроении для рам грузовых машин.

Преимущественно заклепками соединяют листовые конструкции. Заклепки изготавливают из прутков на высадочных автоматах. Заклепочные соединения по конструкции разделяют на соединения внахлестку, соединения с одной накладкой и соединения с двумя накладками.

Типовыми примерами силовых заклепочных соединений могут служить балки, фермы, колонны в существующих строительных сооружениях.

 

Соединения с натягом.

 

Соединения деталей с натягом – это напряженные соединения, в которых натяг создается необходимой разностью посадочных размеров насаживаемых одна на другую деталей. Для скрепления деталей используются силы упругости предварительно деформированных деталей.

 

Соединения можно разделить на две группы:

1) соединения деталей по цилиндрическим или коническим поверхностям, причем одна деталь охватывает другую; специальные соединительные детали отсутствуют; Это наиболее распространенное соединение.

2) соединения деталей по плоскости с помощью стяжных колец или планок.

Основное применение имеют соединения первой группы.

Общим достоинством соединений с натягом является возможность выполнения их для очень больших нагрузок и хорошее восприятие ими ударных нагрузок.

Смещение деталей предотвращается их взаимным направлением и силами трения на поверхности контакта. Соединения с натягом могут воспринимать произвольно направленные силы и моменты.

Цилиндрические и конические соединения просты в изготовлении, обеспечивают хорошее центрирование, не требуют специальных крепежных деталей.

Соединения имеют широкое применение при больших, особенно динамических нагрузках и отсутствии необходимости в частой сборке и разборке

Недостатки соединений с натягом: возможность ослабления посадки и повреждения посадочных поверхностей при разборке; большое рассеяние сил сцепления в связи с рассеянием действительных посадочных размеров в пределах допусков и коэффициентов трения; трудность неразрушающего контроля.

 

Паяные соединения.

 

Паяные соединения - это неразъемные соединения, обеспечиваемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и припоем. Припой – это сплав или металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями и имеющий более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали.Отличие пайки от сварки - отсутствие расплавления или высокотемпературного нагрева соединяемых деталей.

Связь в паяном шве основана на: растворении металла деталей в расплавленном припое; взаимной диффузии элементов припоя и металла соединяемых деталей; бездиффузионной атомной связи.

Прочность паяного шва существенно выше, чем припоя, в связи с растворением в слое материала деталей и в связи с тем, что слой находится в стесненном напряженном состоянии между соединяемыми деталями.

Процесс пайки состоит из операций: прогрева соединяемых поверхностей, расплавления припоя, растекания припоя и заполнения шва, охлаждения и кристаллизации.

В процессе пайки для защиты поверхностей от загрязнения и окисления и соответственно для улучшения растекания жидкого припоя при­меняют флюсы.

При низкотемпературной пайке применяют в виде флюса канифоль и ее растворы, вазелин, а также более активные флюсы, содержащие органические кислоты (олеиновую, молочную, лимонную) и др.

Пайкой соединяют листы, стержни, трубы между собой и с плоскими деталями и др. Важную роль составляют сотовые паяные конструкции.

 

 

 

Разъемные.

 

Резьбовые соединения.

 

 

Резьбовыми соединениями называют разъемные соединения деталей с помощью резьбы или резьбовыми крепежными деталями – винтами, болтами, шпильками, гайками.

 

 

Резьбовые соединения получили большое распространение в машиностроении. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60% от общего количества деталей. К ним относятся крепежные детали (болты, винты, гайки), большинство корпусных деталей, так как они свинчиваются винтами и к ним привинчиваются другие детали; валы в связи с креплением и регулированием подшипников и других деталей; шкивы, зубчатые колеса в связи с необходимостью стопорения и т. д.

Широко применяют резьбовые соединения (с сильной затяжкой) в крановых и строительных металлических конструкциях, так как они облегчают изготовление и сборку.

Широкое применение резьбовых соединений определяется: 1) возможностью создания больших осевых сил (ввиду клинового действия резьбы, а также большого отношения длины ключа к радиусу резьбы); 2) возможностью фиксирования зажима в любом положении благодаря самоторможению; 3) удобными формами и габаритами; 4) простотой и возможностью точного изготовления.

 

 

Помимо крепежных целей винтовые пары в машинах применяют для осуществления поступательного движения и, в частности, для подъема грузов и точных перемещений.

 

 

Шлицевые соединения.

 

Шлицевые соединения вал – ступица представляют собой соединения, образуемые выступами – зубьями на валу, входящими во впадины – шлицы соответствующей формы в ступице. Эти соединения можно представить как многошпоночные, у которых шпонки выполнены как одно целое с валом.

Шлицевые соединения имеют по сравнению со шпоночными следующие преимущества: а) большую несущую способность при одинаковых габаритах благодаря значительно большей рабочей поверхности и равномерному распределению давления по высоте зубьев; б) большую усталостную прочность вала; в) детали на валах лучше центрируются и имеют лучшее направление при передвижении вдоль вала.

Шлицевые соединения применяют в качестве неподвижных для жесткого соединения ступицы с валом; для соединения с компенсацией небольшой несоосности; для подвижного соединения (с осевым перемещением) без нагрузки и под нагрузкой.

Шлицевые соединения выходят из строя из-за повреждения рабочих поверхностей зубьев: износа, смятия, заедания и из-за поломок шлицевых валов и зубьев.

 

 

Шпоночные и бесшпоночные соединения.

 

Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу этих деталей. Шпонки преимущественно применяют для передачи вращающего момента от вала к ступице или наоборот.

Шпоночные соединения могут быть разделены на две группы: ненапряженные, осуществляемые призматическими или сегментными шпонками; напряженными – клиновыми шпонками или штифтовыми.

Основное применение имеют ненапряженные соединения, в которых для обеспечения надлежащего центрирования и исключения контактной коррозии следует ступицы устанавливать на валы с натягом.

В качестве материала для шпонок обычно применяют среднеуглеродистые стали. При малых моментах вместо шпонок можно применять штифты, которые располагают в радиальных отверстиях.

 

Под бесшпоночными или фасонно-профильнымипонимают соединения с поверхностью контакта, имеющей плавный некруглый профиль без шпонок и заменяющих их зубьев.

К причинам, затрудняющим внедрение бесшпоночных соединений, относятся: необходимость увеличения номенклатуры инструмента и оборудования для изготовления и ремонта соединений вал – ступица, трудность замены при ремонте, неблагоприятные условия перемещений под нагрузкой, значительные распорные силы, деформирующие тонкостенные ступицы.

Достоинствами этих соединений являются: отсутствие источников концентрации напряжений кручения; самоцентрирование; 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.

 

Штифтовые соединения.

 

Штифты в основном предназначены для точного взаимного фиксирования а также для передачи относительно больших нагрузок.

Цилиндрические штифты в основном ставят с натягом, они удерживаются от выпадания силами трения. В соединениях, подверженных толчкам и ударам, и в соединениях быстровращающихся деталей конические штифты необходимо специально предохранять от ослабления натяга и выпадания. Для этого их выполняют с прорезью и разведением концов или в виде призонных болтов.В соединениях деталей по плоскости применяют обычно по два штифта и осуществляют фиксацию, тогда как основная нагрузка воспринимается силами трения в стыке, создаваемыми затяжкой винтов.