Неразъёмные соединения (НС)
Соединения, классификация
Соединение деталей – конструктивное обеспечение их контакта с целью кинематического и силового взаимодействия либо для образования из них частей (деталей, сборочных единиц) механизмов, машин и приборов. Нормальная работа машины возможна только в том случае, когда детали, её составляющие, связаны между собой и взаимодействуют заданным образом. При этом часть таких деталей имеют относительную взаимную подвижность, эта подвижность обусловлена, как правило, кинематической схемой узлов и механизмов. Другие детали соединены так, что сохраняют в процессе работы машины постоянное и неизменное положение относительно друг друга. Неподвижные связи между деталями обусловлены необходимостью расчленения машины для удобства изготовления, сборки, транспортировки, ремонта и т.п. Неподвижные связи между элементами машин называют соединениями.
Соединения являются важными элементами всех машин и механизмов. Во многих случаях именно выход из строя соединений является причиной аварий при работе машин. В арсенале конструктора имеется значительное количество различных видов соединений, которые могут быть классифицированы по разным признакам.
Классификация соединений:
1. По возможности разборки без разрушения соединяемых деталей – разъёмные и неразъёмные соединения;
2. По возможности относительного взаимного перемещения соединяемых деталей – подвижные и неподвижные соединения;
3. По форме сопрягаемых (контактных) поверхностей – плоское, цилиндрическое, коническое, сферическое, винтовое, профильное соединения;
4. По технологическому методу образования – сварное, паяное, клеёное (клеевое), клёпаное, прессовое, резьбовое, шпоночное, шлицевое, штифтовое, клиновое, профильное соединения.
Первыми в настоящей лекции представлены неразъёмные соединения – такие соединения, которые после изготовления невозможно разобрать без разрушения деталей, участвующих в соединении.
Из всех известных видов неразъёмных соединений наиболее широко распространены заклёпочные, сварные, паяные и клеевые соединения.
Заклёпочные соединения
Заклёпочным (клёпаным) называют неразъёмное неподвижное соединение, образованное с применением специальных закладных деталей заклёпок, выполненных из высокопластичного материала. Таким образом, заклёпочное соединение (Рис. 12.1) включает, по меньшей мере, 3 элемента (рис. 12.1, а): две соединяемых детали 1 и 2 и заклёпку 3, которая помещена в соосные отверстия, выполненные в соединяемых деталях. После сформирования соединения заклёпка, удерживающая во взаимном контакте соединяемые детали, имеет следующие 3 части (рис. 12.1, б): тело заклёпки или стержень 4 и две головки – закладную 5, изготавливаемую до формирования соединения, и замыкающую 6, создаваемую в момент образования заклёпочного соединения. Ряд заклёпок, соединяющих кромки двух или нескольких деталей, принято называть заклёпочным швом.
 Рис. 12.1. Заклёпочное соединение: а –в процессе сборки; б –в собранном виде
|
До появления современных видов сварки заклёпочные соединения были распространены особенно широко, однако и в настоящее время этот вид соединения достаточно активно используется в некоторых областях техники, например, в авиации, водном транспорте, приборостроении. Они применяются для соединения листовых, профильных (уголок, швеллер, двутавр и т.п.) и штампованных деталей, работающих в условиях переменных, вибрационных и ударных нагрузок. Особенно широко употребляются заклёпки для соединения разнородных или нагортованных (подвергнутых холодной деформации) материалов (сталь – алюминиевые сплавы; холоднокатаный лист; соединение металла с неметаллом).
Достоинства заклёпочных соединений:
1. Простота конструкции и технологического исполнения;
2. Возможность соединения разнородных и нагортованных материалов;
3. Пригодность для неразрушающего контроля;
4. Высокая стабильность;
5. Высокая стойкость при действии ударных и вибрационных нагрузок.
Недостатки заклёпочных соединений:
1. Высокий расход металла на образование соединения;
2. Высокая трудоёмкость, а значит, и стоимость соединения;
3. Ослабление прочности соединяемых деталей отверстиями под заклёпки;
4. Нарушение плотности швов в процессе эксплуатациии.
Большое разнообразие областей применения заклёпочных соединений порождает и большое число их разновидностей.
Классификация заклёпочных соединений:
1) по функциональному назначению – прочные, предназначенные только для передачи нагрузки; плотные, обеспечивающие герметичное разделение сред, и прочно-плотные, способные выполнять обе названные функции;
2) по конструктивным признакам шва – нахлёсточное соединение (рис. 12.2, а); стыковое соединение, которое в свою очередь может быть выполнено с одной (рис. 12.2, б) либо с двумя (рис. 12.2, в) накладками;
 Рис. 12.2. Основные типы заклёпочных швов: а –нахлёсточный; б – стыковой с одной накладкой; в – стыковой с двумя накладками.
|
3) по числу поверхностей среза, приходящихся на одну заклёпку под действием рабочей нагрузки – односрезные; двухсрезные; и т.д.; многосрезные;
4) по количеству заклёпочных рядов в шве – однорядные; двухрядные; и т.д.; многорядные.
 Рис. 12.3. Некоторые виды заклёпок (пояснения в тексте)
|
 Рис. 12.4. Параметры заклёпочного соединения
|
Разнообразие заклёпочных соединений порождает соответственно большое число разновидностей самих заклёпок. По форме закладных головок заклёпки бывают: с полукруглой (полусферической, рис. 12.3, а), потайной, (рис. 12.3, б), полупотайной (рис. 12.3, в), цилиндрической (рис. 12.3, г) и др. головками. А по форме стержня (тела) заклёпки могут быть сплошными (полнотельными, рис. 12.3, а-в); пустотелыми (со сквозным центральным отверстием, рис. 12.3, д); полупустотелыми (часть стержня сплошная, а часть пустотелая – с отверстием, рис. 12.3, г). Большая часть типоразмеров заклёпок стандартизована. Обозначение заклёпки в конструкторской документации обычно включает номер стандарта, диаметр стержня и длину тела заклёпки, выбираемую из ряда нормальных линейных размеров с учётом запаса длины на формирование замыкающей головки.
Подбор заклёпок для заклёпочного соединения при равной толщине склёпываемых листов и одинаковой их прочности и заклёпок выполняется в зависимости от толщины листов s (рис. 12.4), а для соединения листов разной толщины диаметр заклёпки устанавливают в соответствии с суммарной толщиной всего пакета S.
При соединении листов равной толщины (все размеры в мм) диаметр заклёпки
; (12.1)
шаг установки заклёпок в ряду
; (12.2)
расстояние оси заклёпки от края листа
. (12.3)
Для соединения листов разной толщины диаметр заклёпки
; (12.4)
остальные размеры можно назначать в соответствии с зависимостями (12.2) и (12.3).
Для швов с накладками толщина накладок составляет при одной накладке 
; для двухнакладочного шва толщина каждой из накладок 
.
Заклёпки изготавливают из малоуглеродистых и легированных сталей, меди и медных сплавов (чаще это латуни), алюминия и алюминиевых сплавов.
Материал заклёпок должен удовлетворять следующим требованиям:
- высокая пластичность и незакаливаемость при нагревании, облегчающие клёпку и способствующие равномерному нагружению заклёпок рабочими нагрузками;
- температурный коэффициент расширения, мало отличающийся от такового для материала склёпываемых деталей;
- не образовывать гальваническую пару с материалом склёпываемых деталей.
Критерием работоспособности большинства заклёпочных соединений является их прочность. При недостаточной прочности соединения возможно его разрушение четырёх различных видов (рис. 12.5):
 Рис. 12.5. Напряжения в заклёпочном шве
|
1. Под действием касательных напряжений в теле заклёпки возможен её срез по сечению, лежащему в плоскости контакта склёпываемых листов;
2. Под действием контактных напряжений, действующих между телом заклёпки и поверхностью отверстий под её установку, возможно смятие контактирующих (цилиндрических) поверхностей;
3. Под действием нормальных напряжений в теле склёпываемых листов, действующих в сечении шва, ослабленном отверстиями под установку заклёпок (сечение 1-1, рис. 12.5), возможен разрыв листов по этому ослабленному сечению;
4. Под действием касательных напряжений в теле склёпываемых листов возможен вырыв (срез) части металла склёпываемых листов (часть листа, ограниченная сечениями 2-2, рис. 12.5).
Поэтому ответственные соединения требуют прочностного расчета по всем четырём видам напряжений. При этом допускаемые напряжения назначаются в зависимости от прочностных показателей материала заклёпок и склёпываемого металла, от качества подготовки соединения под клёпку (чистота и точность обработки отверстий, точность их совмещения, прилегание склёпываемых деталей и т.п.), от характера рабочей нагрузки (статическая, отнулевая, знакопеременная), а также от внешних условий, в которых должно работать соединение (температура, агрессивность среды и др.).
Таблица 12.1. Допускаемые напряжения для заклёпок из малоуглеродистой стали
|
Допускаемые напряжения для заклёпок из малоуглеродистой стали, работающих при статической нагрузке можно принять в соответствии с табл. 12.1. Для швов работающих при отнулевой (пульсирующей) нагрузке, допускаемое напряжение должно быть снижено на 10-20%, а для швов, нагруженных знакопеременной (циклической) нагрузкой – на 30-50%.
Сварные соединения
Сварные соединения нашли самое широкое применение в промышленности и, в частности, при производстве транспортной и военной техники. Без применения сварки в настоящее время не выпускается практически ни одна машина. Многие автомобили имеют сварные рамы, корпус заднего моста, диски колёс, кузова. В военной технике сварными изготавливаются бронекорпуса боевых машин (танки, БМП, БТР), башни, опорные плиты миномётов, орудийные лафеты и многое другое.
Сварные соединения – неразъёмные соединения, образованные посредством установления между деталями межатомных связей, при помощи расплавления соединяемых кромок, их пластического деформирования или совместным действием того и другого.
Широкому распространению сварных соединений способствовало наличие у них большого числа преимуществ перед клёпаными соединениями.
Достоинства сварных соединений:
1. Высокая технологичность сварки, обусловливающая низкую стоимость сварного соединения;
2. Снижение массы сварных деталей по сравнению с литыми и клёпаными на 25-30%;
3. Возможность получения сварного шва, равнопрочного основному металлу (при правильном конструировании и изготовлении);
4. Возможность получения деталей сложной формы из простых заготовок;
5. Возможность получения герметичных соединений;
6. Высокая ремонтопригодность сварных изделий.
Недостатки сварных соединений:
1. Коробление (самопроизвольная деформация) изделий в процессе сварки и при старении;
2. Возможность создания в процессе сварки сильных концентраторов напряжений;
3. Сложность контроля качества сварных соединений без их разрушения;
4. Сложность обеспечения высокой надежности при действии ударных и циклических, в том числе и вибрационных, нагрузок.
По способу образования сварного шва сварные соединения можно разделить на образованные с расплавлением соединяемых кромок (сварка плавлением) и без расплавления кромок соединяемых деталей. Из наиболее распространённых способов к сварке плавлением относятся соединения, выполненные электродуговой сваркой с различными её модификациями (ручная дуговаяплавящимся и неплавящимся электродом, сварка под слоем флюса, сварка в среде защитных газов и пр.), газовой сваркой(при нагреве свариваемых кромок теплом газового пламени), электрошлаковой сваркой, сваркой лазерным лучом, электронным пучком и некоторые другие виды сварных соединений.
В группу соединений без расплавления кромок входят соединения, выполненные кузнечной сваркой, всеми видами контактной сварки (стыковой, точечной, шовной), сваркой посредством пластического холодного деформирования, сваркой взрывом, диффузионной сваркой в вакууме, сваркой трением и другие виды соединений.
Но, пожалуй, самое широкое применение в промышленности, строительстве и других областях производства нашла электродуговая сварка плавлением с применением неплавящихся (уголь, вольфрам) и плавящихся электродов. Электродуговая сварка неплавящимся электродом изобретена в конце XIX века (сварка угольным электродом предложена в 1882 г., патент в 1885 г.) Николаем Николаевичем Бенардосом (1842-1905), а в 1888 Николай Гаврилович Славянов (1854-1897) усовершенствовал этот метод, применив металлический плавящийся электрод.
 Рис. 12.6. Типы сварных соединений: а) стыковое; б) угловое; в) тавровое; г) нахлёсточное; д) торцовое
|
В настоящее время основная масса сварных соединений, выполненных электродуговой сваркой стандартизованы. По взаимному расположению частей сварного соединения последние можно разделить на 5 основных типов: стыковое (рис. 12.6, а), угловое (рис.12.6, б), тавровое (рис. 12.6, в), нахлёсточное (рис. 12.6, г) и торцовое (рис. 12.6, д).
Металл, затвердевший после расплавления и соединяющий сваренные детали соединения, называют сварочным швом. Формирование сварочного шва сопровождается частичным оплавлением поверхностей деталей, участвующих в образовании сварного соединения. Поверхности свариваемых деталей, подвергающиеся частичному оплавлению при формировании сварчного шва и участвующие в образовании соединения, называются свариваемыми кромками.
По аналогии с заклёпочными швами сварные швы по функциональному назначению делят на прочные, от которых не требуется обеспечение герметичности, плотные, главное требование к которым герметичность, и прочноплотные, у которых требование прочности сочетается с требованием герметичности разделяемых пространств.
РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Разъемными называют соединения, разборка которых происходит без нарушения целостности составных частей изделия. Разъемные соединения могут быть как подвижными, так и неподвижными. Наиболее распространенными в машиностроении видами разъемных соединений являются: резьбовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые, клиновые, штифтовые и профильные.
Резьбовым называют соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу. Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии.
Резьбовые соединения являются самым распространенным видом соединений вообще и разъемных в частности. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60% от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в машиностроении объясняется их достоинствами: универсальностью, высокой надежностью, малыми габаритами и весом крепежных резьбовых деталей, способностью создавать и воспринимать большие осевые силы, технологичностью и возможностью точного изготовления.
Недостатки резьбовых деталей: значительная концентрация напряжений в местах резкого изменения поперечного сечения и низкий КПД подвижных резьбовых соединений.
Метрическая резьба (рис. 58) имеет исходный профиль в виде равностороннего треугольника с высотой Н, вершины профиля срезаны, как показано на рисунке, а впадины притуплены, что необходимо для уменьшения концентрации напряжений и по технологическим соображениям (для увеличения стойкости резьбонарезного и резьбонакатного инструмента). Форма впадины резьбы болта может быть закругленной или плоскосрезанной. В резьбе предусмотрен радиальный зазор, который делает ее негерметичной.
Дюймовая резьба (рис. 59) имеет треугольный профиль с углом a=55°, номинальный диаметр ее задается в дюймах (1"=25,4 мм), а шаг – числом витков, приходящихся на один дюйм длины резьбы. Дюймовая резьба подобна применяемой в Англии, США и некоторых других странах резьбе Витворта; она используется у нас лишь при ремонте импортных машин. Применение дюймовой крепежной
Рис. 58
Рис. 59
резьбы в новых конструкциях запрещено, а стандарт на нее ликвидирован без замены.
Из дюймовых резьб в нашей стране стандартизованы и находят применение: трубная цилиндрическая, трубная коническая (обе с углом профиля 55°) и коническая дюймовая с углом профиля 60°. Эти резьбы применяют в трубопроводах, они являются крепежно-уплотнительными.
Трапецеидальная резьба (рис. 60). Профиль этой резьбы представляет собой равнобокую трапецию с углом между боковыми сторонами a=30°. Профили, основные размеры и допуски трапецеидальных резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мелким, средним и крупным шагами.
Упорная резьба (рис. 61). Профиль этой резьбы представляет собой неравнобокую трапецию с углами наклона боковых сторон к прямой, перпендикулярной оси резьбы, равными 3 и 30°. Основные размеры и допуски упорной резьбы для диаметров от 10 до 600 мм регламентированы ГОСТом. Стандартизована также резьба упорная усиленная для диаметров от 80 до 2000 мм, у которой одна сторона профиля наклонена под углом 45°.
Трапецеидальная и упорная резьбы являются ходовыми и применяются в передачах винт–гайка. Так, например, трапецеидальная резьба применяется для ходовых винтов токарно-винторезных станков, где возникают реверсивные нагрузки; упорная резьба применяется при односторонних нагрузках, например для грузовых винтов домкратов и прессов, причем усилие воспринимается стороной, имеющей угол наклона 3°.
Прямоугольная резьба (рис. 62). Эта резьба не стандартизована и имеет ограниченное применение в неответственных передачах винт–гайка. Эта резьба из всех имеет наибольший КПД, но ее нельзя фрезеровать и шлифовать, так как угол профиля a=0; прочность прямоугольной резьбы ниже, чем у других резьб.
Крепежные резьбовые соединения и их детали. Основные и наиболее распространенные типы крепежных резьбовых соединений (рис. 63): болтовое (а), винтовое (б) и шпилечное (в).
Детали этих соединений: болты, гайки, винты, шпильки и шайбы. Геометрические формы, размеры, варианты исполнения и технические требования на эти детали и их элементы регламентированы многочисленными стандартами.