галтель что это в механике
Концевые участки валов, галтели, канавки, фаски
Концевые участки валов и осей
Концевые участки валов и осей применяют для установки на них зубчатых колес, шкивов ременных передач, звездочек цепных передач и т. п., а таже как опорные участки под подшипники. Концы валов под ступицы выполняют коническими (рисунок 18.2.1) или цилиндрическими (рисунок 18,2.2). В настоящее время считается более надежным при насаживании ступицы на конический конец вала применить резьбовой участок для гайки (рисунок 18.2.1, а), но при этом на изготовление вала необходимо больше металла. Концы валов под подшипники скольжения выполняют цилиндрическими (рисунок 18.2.3), под подшипники качения — в большинстве своем цилиндрическими (рисунок 18.2.4) и только иногда коническими (рисунок 18.2.5).
Переходные участки валов и осей (галтели, канавки, фаски)
Большое влияние на прочность и выносливость валов и осей оказывает форма и размеры переходных участков (галтелей) между соседними ступенями разных диаметров, где возникает концентрация напряжений. Для уменьшения концентрации напряжений галтели переходных участков должны иметь возможно большие радиусы. Наиболее простая форма переходного участка — круговая галтель постоянного радиуса (рисунок 18.3.2). Еще больший эффект по снижению концентрации напряжений дает применение галтелей переменного радиуса кривизны (рисунок 18.3.4, 18.3.5). Неглубокие канавки (рисунок 18.3.3 и 18.3.6) для выхода шлифовального круга применяют в случае, если необходимо шлифование посадочных поверхностей. Концевые участки валов и осей обычно делают с фасками (рисунок 18.3.1).
Чтобы вал не уставал
От автора
Вал, упомянутый в заголовке – это коленчатый вал. Надеюсь, что читателям блога «Механики» будет интересно узнать о секретах заводских технологий этой детали. Потому что в «Механике» знают о деталях двигателя всё. И на ее интернет-площадках будет уместной информация о любых технологиях, связанных с профилем компании.
А коленчатый вал – это целая система. Все в нем взаимосвязано. И как автор, я надеюсь, что читатели вспомнят эту публикацию, когда привезут в «Механику» двигатель для ремонта. И при измерении биения вала на призмах вспомнят. И при шлифовании шеек вспомнят. И при покупке в «Механике» оборудования для ремонта в своем сервисе – тоже вспомнят. А теперь к теме.
Он очень непрост
В свое время я занимался технологией коленчатого вала – пусть не слишком долго, зато обстоятельно. Часто ездил в командировки на Минский моторный и Алтайский моторный заводы, на Челябинский тракторный… Именно тогда у меня родилось трепетное уважение к этой детали двигателя – родилось, чтобы с годами расти и укрепляться.
Действительно, смотришь на коленчатый вал – вроде прост, а на деле сложен и многообразен. Бывает тяжелым и легким, коротким и длинным, жестким и не слишком, «плоским» или пространственным с кривошипами под 120 о или 90 о – словом, любым.
С точки зрения механики, поведение коленчатого вала при внешних воздействиях трудно предсказуемо, особенно если вал имеет пространственную форму. Если он близок к идеальному, то исправно принимает возвратно-поступательное движение поршня, чтобы передать вращение дальше в трансмиссию. Но стоит возникнуть несоосности, кривизне, биению, вообще любой остаточной деформации – жди беды. Тут он капризен, как женщина.
Переменные напряжения
По первичной технологии изготовления коленчатый вал является одной из самых консервативных деталей. На многих заводах его до сих пор куют на молотах, меняя ручьи, либо изготавливают на мощных прессах методом горячей объемной штамповки.
Такая технология не стареет веками, поскольку именно горячая пластическая деформация металла обеспечивает правильную структуру будущей детали – оптимальный размер зерна, его ориентацию при воздействии кузнечного инструмента, отсутствие внутренних раковин. То есть прочность и выносливость закладываются в «колено» уже с рождения.
Потом коленчатый вал проходит множество операций термической, механической и финишной обработки – и все они направлены на повышение его точности, надежности и долговечности. Но жизнь есть жизнь – иногда коленчатые валы ломаются, разрушаются физически прямо в моторе. Причина звучит совершенно по-человечески – усталость…
Давайте, не особо углубляясь в физику, сопромат и металловедение, вспомним – почему происходит усталостный излом детали?
Рассмотрим, например, нагруженный вал, показанный на рис. 1. Не коленчатый, а обычный цилиндрический. При изгибе верхняя часть его поверхности (слой А), обозначенная зеленым цветом, находится под действием сжимающих напряжений, а нижняя часть поверхности (слой Б), обозначенная красным — под действием растягивающих напряжений.
Чтобы было уж совсем понятно, приведем простейший бытовой пример. Согнем обычный прут дерева. Снаружи изгиба кора натянется – там возникнут растягивающие напряжения. Внутри изгиба она соберется складками, сморщится – там возникнут сжимающие напряжения. Согнем сильнее – снаружи кора вообще лопнет, а на противоположной стороне только сильнее сморщится.
А теперь вернемся к нашему цилиндрическому валу. Вот он провернулся на 180 о, и картина изменилась: слой А получил растягивающие напряжения, а слой Б — сжимающие. Потом вал опять повернулся… и так далее. Словом, поверхностный слой все время получает знакопеременные напряжения: сжался-растянулся, сжался-растянулся…
То же происходит с другим валом – коленчатым. Но только у него есть заведомо слабые места – галтели коренных и шатунных шеек, зоны перехода от шейки вала к щеке. В технике такие участки называют концентраторами напряжений.
При работе в двигателе коленчатый вал под нагрузкой стремится изогнуться. Поэтому в галтелях попеременно возникают то растягивающие, то сжимающие напряжения, уже знакомые нам по примеру с простым цилиндрическим собратом. При работе вала в двигателе так происходит миллионы раз подряд: сжимающие – растягивающие, сжимающие – растягивающие (рис. 2).
А теперь вспомним, что на поверхности галтели есть микроскопические дефекты – шероховатости, трещины, раковины. А они есть обязательно, даже после шлифования – весь вопрос только в их размерах, то есть в классе чистоте поверхности.
Напряжения сжатия этим дефектам не страшны, а вот напряжения растяжения как раз наоборот… В каждом цикле они буквально атакуют микродефекты, будто вбивая клин в растущие трещинки (рис. 3). Дефект растет, растет! растет! и в один далеко не прекрасный момент происходит разрушение детали. И тогда механики скорбно вздыхают, закуривают и говорят, что вал «устал». Еще раз подчеркнем: такие изломы особенно характерны для участков с концентраторами напряжений – канавками, галтелями и т.д. (рис. 4)
Предупреждать усталость можно специальной термообработкой, высокоточными финишными операциями – и все это (как и многое другое) успешно делается, но есть способ и поинтереснее.
Пластика для галтелей — теория
Прежде чем раскрыть его, зададимся вопросом: если уж цикличные растягивающие напряжения играют такую роковую роль, нельзя ли их нейтрализовать — например, заложить в деталь напряжения сжатия?
Что же, логично. Напряжения сжатия будут складываться с опасными напряжениями растяжения, давая в результате ноль (или величину близкую к нему), и трещина расти не будет!
Да, но заложенные нами напряжения будут складываться не только с циклическим растяжением, но и с циклическим сжатием! А вот это как раз не страшно – как уже говорилось, поверхностное сжатие, даже усиленное остаточными напряжениями, на рост трещин никак не влияет.
А как создать в поверхностном слое сжимающие напряжения? Тут-то и придет на помощь метод поверхностного пластического деформирования – сокращенно ППД.
Упрочнение деталей методом ППД применяется практически во всех отраслях машиностроения уже давно. Для различных деталей созданы довольно хитроумные приспособления и станки. Мы же, следуя уговору, продолжим рассмотрение процесса в упрощенном варианте.
Как это работает? Представим, что на токарном станке только что выточили галтель на простеньком цилиндрическом вале. Просто галтель на ступеньке от одного диаметра к другому.
А теперь следите за руками. Вместо резца устанавливаем в суппорт специальную оправку с твердосплавным роликом на конце, который может вращаться (рис. 5). Запускаем станок, подводим к детали оправку с роликом, но не просто касаемся вращающейся поверхности галтели, а вдавливаем ролик на определенное число делений лимба поперечной подачи. На поверхности галтели возникает блестящая, будто из олова, кольцевая полоска. Красивая такая, зеркальная полоска…
Что при этом происходит с поверхностью галтели в пределах полоски? Изначально она имеет шероховатости. Изобразим их на рис 6. условно в виде волны. Обозначим площадь этой поверхности S.
И вот ролик с усилием прокатал эту поверхность. Что же произошло с волнами? Они не завалились, не завальцевались, как можно было бы предположить – все гораздо интереснее! Поверхностный слой пластически деформировался следующим образом: он как бы «ожил», впадинки приподнялись, волны опустились, поверхность галтели разгладилась.
Как изменилась площадь полоски? Естественно, она уменьшилась. Если обозначить новую площадь S1, то можно написать, что S1 
Обрабатываемый вал подается в зев станка, автоматически укладывается в постели «клешней», после чего «клешни» смыкаются на коренных и шатунных шейках, а ролики оказываются на галтелях. После укладки «клешни» смыкаются и поджимаются гидравликой, позволяющей регулировать усилие.
После зажима «клешней» мастер-вал начинает вращаться, «клешни» на коренных шейках, естественно, стоят на месте, а на шатунных – копируют движения шеек мастер-вала. Таким образом, галтели всех шеек накатываются и упрочняются одновременно. Весь процесс занимает менее одной минуты. Затем происходит выгрузка вала, загрузка очередного и т.д. (рис. 8 и 9).
А теперь посмотрим на фото обработанной галтели (рис. 10). Да, она зеркальная, как мы и обещали. Но главное, теперь в ней заложены остаточные напряжения сжатия. И при знакопеременных нагрузках на вал, напряжения теперь будут чередоваться не как раньше «сжимающие-растягивающие, сжимающие-растягивающие», а более благоприятным образом: «сжимающие-нулевые, сжимающие-нулевые». Благодаря этому усталостная прочность коленчатого вала возрастет многократно. И еще: класс чистоты галтелей повышается, им не потребуется финишная обработка.
Специалистами давно установлена связь между упрочняющим усилием, геометрией и материалом инструмента и величиной остаточных напряжений. Для упрочнения различных деталей созданы хитроумные приспособления и оснастка. Упрочняюще станки могут развивать пульсирующее давление, повышающее эффективность обработки. Существует оборудование с микропроцессорным управлением – оно не только упрочняет, но и позволяет закладывать остаточные напряжения и деформации, исправляющие кривизну, устраняющие биения.
Много есть интересного – хватит на десятки публикаций о коленчатом вале. Мы же просто рассказали о старой, доброй, надежной, работающей технологи упрочнения галтелей. Рассказали в намеренно популярной форме. Если вы знали об этой технологии – извините; не знали – значит, теперь будет знать. Как принято говорить в таких случаях, спасибо за внимание и до новых встреч.
ГАЛТЕЛЬ
место перехода от одного размера диаметра вала (оси) к другому размеру. Для подвижного состава ж. д. особенно важны Г. осей колесных пар и пальцев кривошипов, т. к. в этих Г. сосредоточиваются большие внутренние напряжения. Как при изготовлении осей и пальцев, так и при их ремонте очень важна правильная и тщательная отделка Г., на допускающая никаких отступлений от установленных требований. Исключительно вредными являются подрезы Г. или наличие на них рисок, что приводит к излому осей, а следовательно, к авариям и крушениям.
Смотреть что такое «ГАЛТЕЛЬ» в других словарях:
ГАЛТЕЛЬ — 1) особого рода столярный инструмент для строгания; 2) неширокий карниз в виде дорожки с продольными выпуклостями и впадинами, выструганная галтелем. Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке. Попов М., 1907.… … Словарь иностранных слов русского языка
Галтель — – полукруглый желобок в столярных деталях, а также деревянная планка, брусок с выемкой, например плинтус, прикрывающий щели в стыках соединений. [Словарь терминов архитектуры. Юсупов Э. С., 1994] Галтель – 1. Деревянная рейка с… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Галтель — столярный инструмент для выстругивания желобков и валиков разной ширины, глубины и с различным радиусом закругления. См. также: Режущие инструменты Столярные инструменты Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь
галтель — утолщение; желобок, плинтус, рубанок, скругление, рейка Словарь русских синонимов. галтель сущ., кол во синонимов: 7 • голтель (3) • … Словарь синонимов
галтель — (галтирь) (нім. виїмка) 1. Профільована дерев яна планка, що закриває стик стіни і підлоги або поділяє стіну на ділянки. Прийнято відрізняти: галтель фальшиву виконану з дюймової дошки. 2. Штукатурний перехід у формі викружки від стіни до стелі.… … Архітектура і монументальне мистецтво
ГАЛТЕЛЬ — (от нем. Hohlkehle выемка желобок), 1) скругление внутренних и внешних углов на деталях машин, в литейных формах и т. п.2) Узкая планка, прикрывающая щели в стыках соединений, напр., деталей мебели.3) Столярный рубанок для выстругивания на… … Большой Энциклопедический словарь
ГАЛТЕЛЬ — ГАЛТЕЛЬ, галтели, жен. (от нем. Hohlkehle) (стол.). 1. Выстроганный желобок, выемка. 2. Фигурный рубанок для строгания карнизов, багетов. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
Галтель — I галтель м., галтель ж. 1. Выструганный полукруглый желобок, выемка. 2. Деревянная планка, прикрывающая щели в стыках соединений. 3. Скругление угла на деталях машин, в литейных формах и т.п. II галтель м., галтель ж. Столярный инструмент для… … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
ГАЛТЕЛЬ — жен., нем. (Hohlkehle) голтель, голтыль, рубанок или струг, у которого железко и самая колодка выпуклы; ·противоп. штаб. | Полоса, желобок проведенный этим рубанком, карнизец; дорожка, каветь; на столбах или колоннах она называется ложкой.… … Толковый словарь Даля
Галтель — (от нем. Hohlkehle желобок, выемка) имеет несколько значений[1]: Скруглённый желобок (выемка), а также столярный инструмент для выстругивания желобков (выкружек), валиков, багетов. Планка, прикрывающая стыки деталей (например, мебели). В… … Википедия
ГАЛТЕЛЬ
Смотреть что такое «ГАЛТЕЛЬ» в других словарях:
ГАЛТЕЛЬ — 1) особого рода столярный инструмент для строгания; 2) неширокий карниз в виде дорожки с продольными выпуклостями и впадинами, выструганная галтелем. Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке. Попов М., 1907.… … Словарь иностранных слов русского языка
Галтель — – полукруглый желобок в столярных деталях, а также деревянная планка, брусок с выемкой, например плинтус, прикрывающий щели в стыках соединений. [Словарь терминов архитектуры. Юсупов Э. С., 1994] Галтель – 1. Деревянная рейка с… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Галтель — столярный инструмент для выстругивания желобков и валиков разной ширины, глубины и с различным радиусом закругления. См. также: Режущие инструменты Столярные инструменты Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь
галтель — утолщение; желобок, плинтус, рубанок, скругление, рейка Словарь русских синонимов. галтель сущ., кол во синонимов: 7 • голтель (3) • … Словарь синонимов
галтель — (галтирь) (нім. виїмка) 1. Профільована дерев яна планка, що закриває стик стіни і підлоги або поділяє стіну на ділянки. Прийнято відрізняти: галтель фальшиву виконану з дюймової дошки. 2. Штукатурний перехід у формі викружки від стіни до стелі.… … Архітектура і монументальне мистецтво
ГАЛТЕЛЬ — (от нем. Hohlkehle выемка желобок), 1) скругление внутренних и внешних углов на деталях машин, в литейных формах и т. п.2) Узкая планка, прикрывающая щели в стыках соединений, напр., деталей мебели.3) Столярный рубанок для выстругивания на… … Большой Энциклопедический словарь
ГАЛТЕЛЬ — ГАЛТЕЛЬ, галтели, жен. (от нем. Hohlkehle) (стол.). 1. Выстроганный желобок, выемка. 2. Фигурный рубанок для строгания карнизов, багетов. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
Галтель — I галтель м., галтель ж. 1. Выструганный полукруглый желобок, выемка. 2. Деревянная планка, прикрывающая щели в стыках соединений. 3. Скругление угла на деталях машин, в литейных формах и т.п. II галтель м., галтель ж. Столярный инструмент для… … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
ГАЛТЕЛЬ — жен., нем. (Hohlkehle) голтель, голтыль, рубанок или струг, у которого железко и самая колодка выпуклы; ·противоп. штаб. | Полоса, желобок проведенный этим рубанком, карнизец; дорожка, каветь; на столбах или колоннах она называется ложкой.… … Толковый словарь Даля
ГАЛТЕЛЬ — место перехода от одного размера диаметра вала (оси) к другому разме … Технический железнодорожный словарь
Галтель — (от нем. Hohlkehle желобок, выемка) имеет несколько значений[1]: Скруглённый желобок (выемка), а также столярный инструмент для выстругивания желобков (выкружек), валиков, багетов. Планка, прикрывающая стыки деталей (например, мебели). В… … Википедия
Конструирование циклически нагруженных деталей
Конструирование циклически нагруженных деталей.
Уменьшение концентрации напряжений. Если устранить концентраторы напряжений полностью невозможно, то следует заменять сильные концентраторы умеренно действующими. Например, резьбовые отверстия, принадлежащие к числу наиболее сильных концентраторов, целесообразно заменять гладкими отверстиями, отрицательный эффект которых меньше и может быть ослаблен рядом мер.
Концентраторы следует удалять из наиболее напряженных участков детали и переносить, если это допускает конструкция, в зоны наименьших напряжений. С целью уменьшения номинальных напряжений целесообразно увеличивать сечения детали на участках расположения концентраторов.
Примеры устранения и снижения концентрации напряжений приведены в табл. 26.
Галтели. Концентрацию напряжений во входящих углах ступенчатых деталей, например, ступенчатых валов, можно значительно снизить рациональной формой сопряжения ступеней.
Острые входящие углы на участках перехода (рис. 200, а, б) вызывают значительную концентрацию напряжений. Конические сопряжения (рис. 200, в) увеличивают прочность переходных участков, но сокращают длину цилиндрической поверхности малого диаметра. Их применяют только на свободных переходах, где деталь конструктивно не связана со смежными деталями.
Чаше всего для снижения концентрации напряжений на участках перехода вводят галтели (рис. 200, г, ж).
Концентрация напряжений падает с уменьшением перепада диаметров и увеличением относительного радиуса галтели ρ = R/d (рис. 201).
Достаточно низкие значения эффективного коэффициента концентрации напряжений (kэ = 1,5) получаются при ρ = 0,05—0,08 для малых перепадов и ρ = 0,1—0,15 для больших (рис. 202).
Если ступенька используется для упора насадной детали и имеет плоский участок h, то максимальный радиус галтели
и при обычных значениях D/d = 1,2—1,3 и h/d = 0,03 не может быть больше ρ ≈ 0,1.
Эллиптические галтели (рис. 200, е) обеспечивают при одинаковых перепадах диаметров относительно большее (примерно на 20%) увеличение прочности. Эффективность таких галтелей зависит от отношения большой полуоси b эллипса к диаметру d вала. При b = (0,4—0,45)d и a/b = 0,4 коэффициент концентрации напряжений не превышает 1,5.
Недостатком эллиптических галтелей является сокращение длины цилиндрической части вала, что нежелательно как в случаях установки насадных деталей, так и при установке шейки вала в подшипниках скольжения.
Сокращения длины цилиндрической части вала можно избежать, если применить поднутренные галтели (рис. 200, ж), которые по эффективности приблизительно равноценны круговым галтелям с одинаковыми значениями R/d. Поднутрение целесообразно применять в случаях сопряжения цилиндрических валов с призматическими частями, когда есть место для расположения галтели достаточно большого радиуса.
На рис. 203 представлены способы перекрытия галтелей повышенной прочности при установке насадных деталей, например, подшипников качения, имеющих небольшой радиус закругления или фаску на входе. В случае круговых галтелей большого радиуса и эллиптических галтелей эти приемы свалятся к установке промежуточных шайб I с выемками под галтель.
У деталей, испытывающих большие циклические нагрузки, галтели обязательны во всех входящих углах.
На рис. 204 показаны примеры введения галтелей в шпоночных, шлицевых соединениях и зубчатых передачах (а, в, д — неправильные, б, г, е — правильные конструкции). В зубчатых передачах наиболее высокую циклическую прочность обеспечивает выполнение впадины между зубьями по радиусу: для фрезерованных зубьев — по рис. 204, ж, для шлифованных — по рис. 204, з.
Отверстия. Участки деталей, ослабленные отверстиями, упрочняют путем увеличения сечений в зоне расположения отверстий, скругления кромок отверстий, обжатия кромок, дорнования отверстий и т. д.
На рис. 205 приведена последовательность операций при обработке отверстий в высоконагруженных деталях (разгрузочные отверстия дисков турбин): а — сверление; б — снятие фаски; в — зенкерование; г — развертывание; д — округление кромок; е — уплотнение галтели, ж — прошивание отверстия шариком.
Полые валы. Внутренние полости валов, подвергающихся большим циклическим нагрузкам, следует обрабатывать с наиболее низкой, экономически приемлемой шероховатостью, вплоть до полирования, и подвергать упрочняющей обработке (раскатыванию, калиброванию, уплотняющему протягиванию, чеканке взрывом). На внутренних поверхностях следует избегать выточек, резьб и других резких концентраторов напряжений. В ступенчатых отверстиях следует делать плавные переходы между ступеньками.
Острые входящие углы около ступенек (рис. 206, а, б) вызывают концентрацию напряжений и резко снижают прочность вала. В конструкциях в, г прочность повышена введением галтелей. На рис. 206, д—и показаны валы с бутылочными отверстиями.
Галтели в открытых бутылочных отверстиях обрабатывают по копиру, управляющему поперечным перемещением суппорта. Чистовую обработку производят фасонным зенкером или резцом 1, устанавливаемым в борштанге, центрированной по малому диаметру отверстия (рис. 207, а). Полости, ограниченные галтелями с обеих сторон (бочкообразные отверстия), обрабатывают фасонным резцом 2 (рис. 207, б), закрепленным в скалке 3, установленной эксцентрично в борштанге 4. Поворотом скалки резец убирают, после чего борштангу вводят в отверстие и выдвигают резец.
Производительнее обработка бочкообразных отверстий поворотным резцом, установленным в борштанге и управляемым тягой (рис. 207, в), рейкой (рис. 207, г) или червячной передачей (рис. 207, д).
Радиус галтели определяется положением точки крепления резцедержателя. По конструкции поворотного механизма выгодно, когда ось резцедержателя расположена в центре борштанги, т. е. когда галтель образована сферой с центром по оси вала. Такая форма обеспечивает достаточно плавный переход от одного диаметра отверстия к другому. Более плавный переход можно обеспечить смещением точки крепления резцедержателя с оси вала (рис. 207, е).
Для определения максимального технологически допустимого радиуса галтелей во внутренних полостях можно пользоваться ориентировочным соотношением Rmax = 0,5(D + 0,7d), где D и d — соответственно наибольший и наименьший диаметры отверстия.
При обработке ступенчатых внутренних полостей в заготовках из массивных труб происходит перерезание волокон в напряженных участках перехода от одной ступеньки к другой.
С целью упрочнения валы с бочкообразной внутренней полостью изготовляют обжатием вгорячую концов труб (рис. 208). Заготовкой служит толстостенная цельнотянутая труба, наружную поверхность которой редуцируют, оставляя напуски h на уковку концов (рис. 208, а). Поверхность m служит базой для последующих операций.
Затем концы обжимают (рис. 208, б) до полной уковки отверстия (рис. 208, в). Вслед за этим, базируясь на поверхность m, растачивают отверстия n цапф вала и обрабатывают (одним из способов, описанных выше) поверхность бочкообразной полости (рис. 208, г). Далее, базируясь на отверстия n, производят чистовую обработку наружной поверхности вала.
Как общее правило, детали, подверженные высоким циклическим нагрузкам, должны иметь плавные формы, обеспечивающие равномерность силового потока. Сечение деталей следует во избежание скачков напряжений определять из условия приблизительной одинаковости напряжений с учетом всех действующих нагрузок.
Детали, хорошо сконструированные под высокие циклические нагрузки, имеют характерные сглаженные формы (рис. 209), которые условно называют обтекаемыми.
Коленчатые валы. На рис. 210 показаны способы повышения циклической прочности коленчатых валов. Исходная конструкция 1 обладает малой прочностью. В конструкции 2 прочность повышена увеличением диаметра коренных и шатунных шеек, а также сечений щек. Увеличение диаметра шеек сокращает длину наиболее опасных по прочности участков m между шейками. Смещение внутренней расточки шатунной шейки с геометрической оси шейки на величину k (конструкция 3) усиливает связь шатунных шеек со щеками и повышает прочность шейки при изгибе силами вспышки.
В конструкции 4 диаметр шеек увеличен до появления перекрытия шатунных и коренных шеек, обеспечивающего прямую связь шеек (участок n). Введена бочкообразная расточка шатунной и коренной шеек, снижающая концентрацию напряжении от маслоподводящих отверстий в щеках коленчатого вала и увеличивающая прочность соединения шеек со щеками. Совокупность всех этих мер значительно увеличивает прочность коленчатого вала по сравнению с исходной конструкцией.
Формы с глубокими внутренними полостями и усиленными щеками (5 и 6) осуществимы в конструкциях литых коленчатых валов.
Во избежание увеличения осевых размеров коленчатого вала и сокращения длины коренных и шатунных шеек, вызываемого утолщением щек, последние развивают в поперечном направлении, заменяя призматические щеки 7 ромбическими 8, эллиптическими 9 и круглыми 10.
Устранение концентрации нагрузок. Важное правило конструирования циклически нагруженных деталей — это устранение местных скачков напряжений, возникающих в точках приложения сосредоточенных нагрузок.
В зубчатых колесах непрямолинейность зуба, погрешности угла наклона спиральных зубьев, перекос осей колес могут вызвать сосредоточение нагрузки на кромках и, как следствие, повышенные напряжения изгиба и смятия. Обязательно снятие фасок или галтелей на углах зубьев (рис. 211, а). Полезно увеличивать податливость зуба путем уменьшения жесткости обода по направлению к торцам (рис. 211, б).
Действенным средством предупреждения повышенных кромочных давлений является придание зубу слегка бочкообразной формы ( бомбинирование ) с одновременным скруглением торцовых кромок (рис 211, в). Этот способ обеспечивает при возможных перекосах и неточностях наиболее благоприятное расположение пятна контакта примерно в центре зуба.
Посадки с натягом. Задача упрочнения прессовых соединений заключается, прежде всего, в уменьшении давления на посадочных поверхностях и напряжений в охватывающей и охватываемой деталях рациональным выбором параметров соединения (диаметра и длины посадочной поверхности, толщины стенок охватывающей и охватываемой детали).
Как общее правило, диаметр D посадочной поверхности должен быть больше диаметра D0 вала по крайней мере на 5—10% (рис. 212, а) и соединен с ним плавными галтелями R = (0,2—0,25)D. Скачки напряжений на кромках соединения снижают введением на краях ступицы разгружающих фасок m (рис. 212, б), утонением ступицы к торцам (рис. 212, в), бомбинированием вала (рис. 212, г).
Значительное повышение прочности дает круговое накатывание посадочной поверхности вала. Не рекомендуется применять накатывание ограниченных кольцевых участков у торцов соединения (рис. 212, д), так как на границах этих участков возникают скачки напряжений.
Эффективный способ повышения сопротивления усталости прессовых соединений — это упрочнение контактных поверхностей химико-термической обработкой.
Основной причиной этих дефектов являются многократно повторные деформации и микросдвиги сопряженных поверхностей в окружном и продольном направлениях, вызывающие нагрев металла.
Фрикционная коррозия (фреттинг-коррозия) заключается в окислении поверхности металла. На стальных и чугунных поверхностях образуются оксиды железа (преимущественно Fe2O3) в виде ржавых пятен, а при далеко зашедшей коррозии — в виде скоплений порошка коричневого цвета. На бронзовых поверхностях появляются зеленые пленки окислов меди, а на алюминиевых — белые пленки Al2O3. Фрикционная коррозия, как и всякий вид коррозии, резко снижает циклическую прочность.
Сваривание может происходить при температуре, значительно меньшей сварочной температуры. В обычных условиях поверхность металлов покрыта прочными адсорбированными пленками смазки, оксидов, влаги и паров, предотвращающими металлический контакт. Нагрев и повышенное давление, особенно в точках соприкосновения микронеровностей, разрушают пленки; частицы металла сближаются на расстояние, при котором возникают силы молекулярного и кристаллического взаимодействия. Сначала образуются отдельные мостики сварки, которые затем охватывают обширные участки. Сварившееся соединение невозможно разобрать без его разрушения.
Наиболее склонны к свариванию одинаковые металлы и металлы со сходным атомно-кристаллическим строением, образующие друг с другом твердые растворы замещения. Структурная неоднородность, наличие в металле нескольких фаз, особенно неметаллических (карбидов, силицидов и др.) предотвращают сваривание. Устойчивы против сваривания закаленные стали (если не происходит отпуска стали из-за перегрева во время термообработки).
Главные средства предотвращения этих явлений следующие:
Главный конструктивный прием предотвращения наклепа и сваривания — создание на сопрягающихся поверхностях натяга — радиального (по цилиндрическим поверхностям) или осевого (по торцовым поверхностям) который резко повышает жесткость узла в целом, уменьшает упругие деформации системы и эффективно тормозит взаимные смещения сопрягающихся поверхностей (узла, системы).
Крепление насадных деталей без затяжки (рис. 213, 1) или со слабой затяжкой (2) неприемлемо для силовых соединений. При осевой затяжке, с упором ступицы в буртик вала (3), натяг зависит от типа посадки ступицы на вал. Чем тяжелее условия работы, тем более плотной следует делать посадку. В концевых соединениях применяют также затяжку центральным болтом (4) или более сильную затяжку внутренней гайкой (5).
Чисто радиальный натяг обеспечивает посадка с натягом (6). Вводя в соединение конические штифты (7) можно достичь практически беззазорной передачи крутящего момента и исключить возможность угловых микросмещений сопрягающихся поверхностей. Соединение, однако, получается неразборным.
Хорошее соединение обеспечивает затяжка на конус (8). Радиальный натяг регулируют, затягивая гайку динамометрическим ключом или (способ более точный) выдерживая определенное осевое перемещение ступицы (осевой натяг).
В шлицевых соединениях со скользящей посадкой (по центрирующему по рабочим граням шлицев) обязательна затяжка гайкой (9). Для неразборных или редко разбираемых соединении применяют Н7/n6 по центрирующему диаметру и F8/js7 по рабочим граням (10).
Радиальный натяг создается при запрессовке пробки во внутреннюю полость вала (11). Соединение неразборное. В разборных конструкциях затяжку осуществляют пробкой с конической резьбой (12) или конусом, стягиваемым центральным болтом (13). В последнем случае на пробке должна быть предусмотрена резьба под съемник.
Тяжелонагруженные шлицевые соединения затягивают на конусы, устанавливаемые с одной (14) или с двух (15) сторон ступицы.
При соединении цилиндрических деталей с призматическими (например, шеек со щеками в разъемных коленчатых валах) применяют посадки H7/r6, H7/s6 (16); на конус (17); на коническую втулку (18), а также затяжку конической пробкой (19). Во избежание наклепа между сопрягающимися поверхностями устанавливают тонкостенную бронзовую или свернутую из латунной ленты втулку. Применяют также затяжку клеммами (20).
В конструкции клеммных соединений необходимо обеспечивать равномерную затяжку по всей окружности клеммы. На рис. 214 показан пример ошибочной конструкции 1. Крутящий момент от шейки к щеке передают два шипа. При затяжке клеммы верхние грани шипов упираются в стенки пазов 2. Участок АА остается незатянутым; на нем неизбежно возникает наклеп. В правильной конструкции 3 шип расположен по оси симметрии клеммы. Равномерную затяжку обеспечивает также конструкция 4 с передачей крутящего момента призонным болтом, установленным в лунке шейки. По указанным выше причинам клеммная затяжка неприменима для нагруженных шлицевых соединений.