Фрикционные соединения

 

Фрикционные соединения

Фрикционные соединения, это соединение на высокопрочных болтах, создающих необходимую силу трения между сопрягаемыми металлическими элементами за счет их обжатия.

 

Принцип действия фрикционных соединений

Для фрикционных соединений используются прессовые посадки (поверхности трения являются зонами действия), при которых собираемые детали находятся в прямом кон­такте. Поверхностное давлениер может соз­даваться усилиями, прилагаемыми болтами, шпонками, упругими распорами или самими компонентами. Результирующая нормаль­ная сила FN=pA (с поверхностью трения А) создает силу трения FR, которая противодей­ствует перемещению под действием внешних сил.

Прессовая посадка

 

Применение прессовых насадок

Для прессовой посадки (посадки гладких цилиндрических соединений с натягом) тре­буемое поверхностное давление создается за счет упругой деформации вала и ступицы. «Посадка с натягом» представляет собой спаривание сопрягающихся цилиндрических деталей, имеющих натяг перед сборкой (см. рис.2 «Прессовые посадки)).

Поскольку прессовые посадки легко вы­полняются и могут передавать даже преры­вистые или переменные крутящие моменты, они подходят для соединений цилиндри­ческих поверхностей, которые не должны отсоединяться в дальнейшем (например, посадка шестерни на вал, колеса на ось или втулки в корпус).

Упругая конструкция посадок с натягом цилиндрических деталей

Прессовая посадка должна быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечить наличие минимального поверхностного давления pmim, необходимого для передачи максимальных возникающих напряжений, но в то же время была исключена возможность превышения максимального поверхностного давления рmaх во избежание избыточного напряжения компонентов.

Прессовые посадки

Фрикционные соединения

В принципе возможны две цели вычислений: определение требуемой посадки при данном напряжении (см. табл.2 «Определение посадок для данного напряжения»), или определение допустимого напряжения при данной посадке (см. табл.3 «Определение напряжения для данной посадки»).

Определение посадок для анного напряжения

Соотношения диаметров:

QA = DF/DAa и QI = DIi/DF

и удельный припуск [1]

могут быть использованы для расчета поса­док в соответствии с их функциями и требуе­мой безопасностью компонентов.

Определение напряжения для данной посадки

В формулу вычисления диаметра соеди­нения DF входит номинальный диаметр. При соединении деталей с натягом происходит пластичное выравнивание шероховатостей на поверхности деталей. В соответствии со стандартом DIN 7190 [2] при расчете учиты­вается сглаживание двух поверхностей со средней высотой неровностей профиля 40% Rzi (вала) и RzA (отверстия).

Максимальные напряжения возникают в областях внутренних диаметров полого вала и ступицы. Сплошные валы некритичны и обычно не требуют расчета.

 



Сборка фрикционных соединений

В зависимости от метода сборки существуют два типа прессовой посадки: линейная и поперечная. Линейная прессовая посадка производится по­средством «холодной» сборки при комнатной температуре. Требуемые для этого большие усилия прессования обычно создаются при по­мощи гидростатических прессов. Скорость за­прессовки не должна превышать 2 мм/с. Усилие прессования вычисляется по формуле:

Fe =(Ug-0,8 (Rzi+Rza))μπDFb / ξ

Перед выполнением поперечной прессовой посадки наружная деталь расширяется по­средством нагрева, или диаметр внутренней детали уменьшается посредством ее пере­охлаждения, что позволяет собрать детали без напряжений. Если нагревается наружная деталь,то при охлаждении она обжимает внутреннюю деталь (горячая посадка). Если охлаждается внутренняя деталь, при нагреве до комнатной температуры она расширяется (посадка с охлаждением охватываемой де­тали). Чтобы сборка без напряжений была возможна, необходимо обеспечить зазор в со­единении равный  ΔD = 0,001 • DF (см. табл.4 «Коэффициент Пуассона, модуль упругости и коэффициент линейного расширения металлических материалов»).

Коэффициент Пуасона

Температура, требуемая для горячей посадки:

Температура, требуемая для посадки с охлаждением охватываемой детали:

ta = tu + (Ug + XD) / aDF

Конусное соединение

 

Применение конусного соединения

Конусное соединениеКонусное соединение (конусная посадка с на­тягом) пригодно для передачи динамических усилий и моментов. Эти соединения в основ­ном используются для крепления деталей на концах валов (например шкива генератора). Они имеют следующие преимущества: могут быть подтянуты, легко разнимаются, не осла­бляют вал и дают очень хорошую центровку (т.е. отсутствует дисбаланс).

Недостатками являются высокие про­изводственные затраты и отсутствие возможности регулировки положения в осевом направлении. При этом приме­нимы следующие выражения (см. рис.3):

конусность:    C = (d1 — d2) / l

угол конуса:  tan a/2 = (d1 — d2) / 2l

В качестве руководящих указаний приведены следующие значения (DIN 254 [3], DIN 406[4]):

С = 1 : 5 — соединение разнимается легко;

С = 1 : 10 — соединение разнимается с тру­дом;

С= 1 : 20— для держателя спирального сверла (конус Морзе).

Работа системы

Эффективная область конусного соединения имеет форму усеченного конуса. Требуемое поверхностное давление р обычно создается осевым усилием со стороны болта крепления Fa. Соотношение между осевым усилием Fa и передаваемым моментом Мt выражается следующим уравнением:

Fa ⩾ 2KAMtnom / μudm ⋅ (sin a/2μA cos a/2)

Это выражение учитывает возможное раз­личие коэффициентов трения μu в окружном направлении и μA в осевом направлении. Если для разъема соединения требуется сила вы­талкивания (Fa становится отрицательной), имеет место самостопорение. Это означает, что после посадки крутящий момент может передаваться даже при снятом болте кре­пления. В отличие от этого, при соединении без самостопорения давление между эффек­тивными областями после снятия осевого усилия исчезает. Условие самостопорения заключается в следующем:

a/2 ⩽ arctan μA

Безопасность компонентов

Критичным компонентом является ступица. Она рассчитывается как открытый, толсто­стенный полый цилиндр. Если Q = dm/Da, в отношении безопасности ступицы с заданной упругостью, в соответствии с модифициро­ванной теорией напряжений сдвига имеет место следующее выражение:

SF = (1-Q2) / √3 ⋅ (sin a/2μA cos a/2) πdml /Fa max



Соединения с зажимным конусом

Требуемое поверхностное давление в эффективных областях может быть также прило­жено при помощи упругих распоров (см. табл.5 «Соединения с зажимным конусом»). Большое преимущество таких соединений заключается в том, что они могут исполь­зоваться для надежного крепления ступиц, зубчатых колес, соединительных муфт и т.д. на гладких цилиндрических валах. В отличие от цилиндрических посадок с натягом, эти соединения позволяют свободно регулировать положение деталей в осевом и окружном на­правлениях и кроме того легко разнимаются. Поэтому они особенно хорошо подходят для ступиц (например, шкивов ремней), которые требуют регулировки положения и/или перио­дической замены. Их недостатками являются большое требуемое пространство и высокая стоимость. Обычно они рассчитываются в со­ответствии с указаниями изготовителя (см. каталоги изготовителей и табл.5).

Соединения с зажимным конусом

Зажимы

В случае использования зажимов внешние уси­лия, необходимые для создания требуемого по­верхностного давления, прилагаются в основном при помощи болтов. Соединения с секционными или разрезными ступицами в основном исполь­зуются в случаях низких и относительно ста­бильных крутящих моментов. Их преимущество заключается в том, что положение ступицы легко регулируется как в осевом, так и в окружном направлениях. Они представляют собой очень легкий способ крепления колес или рычагов на гладких валах. Существуют также самостопорящиеся зажимы. Здесь наклонная сила FK создает краевые давления в областях А и В (см. табл.6), предотвращающие осевое смещение.

Зажимы

Шпоночные соединения

 

Трехсекционный шпоночный профильПродольные шпоночные соединения

Односторонняя радиальная деформация до­стигается посредством забивания стандар­тизованной шпонки (угол шпонки = 0,57°) между валом и ступицей. Однако, вследствие неточной сборки («молотковая» сборка) мо­жет возникнуть эксцентриситет, поэтому при­менение таких соединений ограничено.

Круговые шпоночные соединения

Шпоночное соединение нового типа имеет трехсекционный профиль (см. рис.4 «Трехсекионный шпоночный профиль»). Три круговых шпонки располагаются по окруж­ности на цилиндрической поверхности вала (внутренняя часть). Ступица (наружная часть) содержит такое же количество соответству­ющих шпонок в цилиндрическом отверстии. В результате кручения возникает радиальная деформация, позволяющая передавать вы­сокие осевые и радиальные усилия в любом направлении.

В отличие от прессовых посадок, кру­говые шпоночные соединения являются разъемными. Они используются, например, для соединения валов со ступицами на рас­пределительных валах и в иных шарнирах автомобиля.

В следующей статье я расскажу о поведении автомобиля на дороге.

Список литературы «Фрикционные соединения»:

(1) Haberhauer/Bodenstein: Maschinen-elemente, 15th Ed., Springer-Verlag 2008.

(2) DIN 7190: Interference fits. Calculation and design rules.

(3) DIN 254: Geometrical product specifications (GPS) — Series of conical tapers and taper angles.

(4) DIN 406: Technical drawings; dimensioning.

(5) Kollmann: Welle-Nabe-Verbindungen, Springer-Verlag 1984.

(6) Dubbel, Taschenbuch f r den Maschinenbau, 22nd Ed., Springer-Verlag 2007.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *