Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин Курс «Детали машин» Надежность машин Соединения с натягом Резьбовые соединения Расчет шпоночных соединений Механические передачи Расчет на изгиб Редукторы

Расчет на прочность сварных соединений

Основным критерием работоспособности швов сварных соединений является прочность. Расчет на прочность основан на допущении, что напряжения в шве распределены равномерно как по длине, так и по сечению.

Стыковые соединения. Расчет швов (рис. 4.7) производят на растяжение или сжатие по сечению соединяемых деталей без учета возвышения шва. Условие прочности шва на растяжение

(4.1)

Рис. 4.7. 40

Стыковое соединение

где F— растягивающая сила; А — площадь расчетного сечения; δ — толщина шва (принимают равной толщине детали); lш — длина шва; σр и [σ]'р — расчетное и допускаемое напряжения растяжения для материала шва (см. табл. 4.1).

Нахлесточные соединения угловыми швами (см. рис. 4.4). Угловые швы рассчитывают на срез по опасному сечению I—I (см. рис. 4.5, а), совпадающему с биссектрисой прямого угла. Расчетная высота h опасного сечения шва: h = 0,7к — для ручной сварки; h = к — для автоматической.

Условие прочности шва на срез при действии растягивающей или сжимающей силы

(4.2)

Где τср и [τ]’ср - расчетное и допускаемое напряжения среза для шва (см. табл. 4.1); lш — расчетная длина шва. В соединении лобовыми швами lш = 2lл (см. рис. 4.4, а), фланговыми швами lш = 2lфл (см. рис. 4.4, б). 15 комбинированном сварном шве (см. рис. 4.4, в) lш равна сумме длин нобовых и фланговых швов.

4.4. Допускаемые напряжения для сварных швов

Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке определяют по табл. 4.1 в зависимости от допускаемого напряжения [σ]р основного металла на растяжение:

(4.3)

где σт — предел текучести основного металла; [s]T — допускаемый коэффициент запаса прочности; [s]T= 1,35...1,6 —для низкоуглеродистой и [s]T = 1,5...1,7 — для низколегированной стали.

Рекомендации по конструированию сварных соединений

Из-за дефектов сварки на концах сварного шва (в местах зажи-гания и гашения дуги) минимальная длина шва должна быть не менее 30 мм.

В нахлесточных соединениях (см. рис. 4.4, а) длину перекрытия принимают не менее 4δ, где δ — минимальная толщина свариваемых деталей.

Длина лобовых швов не ограничивается. Длина фланговых швов ограничивается: lфЛ<50k. Это связано с возрастанием неравномерности

Рис. 4.8. Пример сварной конструкции

распределения напряжений по длине шва с увеличением его длины. На концах шва напряжения больше, чем в середине.

4. Сварные швы располагают так, чтобы напряжения в них были
одинаковыми. Исходя из этого, при конструировании соединения угол
ков с косынками (рис. 4.8) длины фланговых швов определяют из
решения системы уравнений:

где lфл — суммарная длина фланговых швов по формуле (4.2). Имеем

и, следовательно,

 (4.4)

5. В конструкциях, подверженных действию переменных нагрузок, применение нахлесточных соединений нежелательно, так как они характеризуются значительной концентрацией напряжений. По этой причине неследует применять «усиливающие» накладки в стыковых соединениях.

Пример Рассчитать сварное соединение уголка с косынкой, нагруженное силой F= 30 кН (см. рис. 4.8). Материал уголка и косынки — сталь марки СтЗ (от = 220 Н/мм2). Сварка ручная дуговая электродом типа Э50А. Размеры уголка: А = 32 мм, 3) = 9,4 мм, d=4 мм.

Решение. 1. Катет сварного шва. В нахлесточных соединениях угловыми швами катет сварного шва принимают равным толщине свариваемых деталей (см. § 4.2). Принимаем k = d=4 мм. Расчетная высота опасного сечения шва h-u,lk.

2. Допускаемое напряжение среза. По формуле (4.3) находим допускаемые напряже
ния основного металла на растяжение при [s]T = 1,5:

По табл. 4.1 допускаемые напряжениясреза для сварных соединений

3. Суммарная длина фланговых швов [формула (4.2)]:

4. Длины фланговых швов [формула (4.4)):

Паяные соединения

Паяные соединения — неразъемные соединения, образуемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и присадочным материалом, называемым припоем.

Припой — сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей.

По конструкции паяные соединения подобны сварным (рис. 4.9, а — ж). Преимущественное применение имеют соединения нахлесточные. Стыковые и тавровые соединения применяют при малых нагрузках.

Рис. 4.9. Основные типы паяных соединений:

а — стыковое; б— нахлесточное; в — косостыконое; г —тавровые; д — с одной накладкой; е — телескопическое; ж — сотовая конструкция

В отличие от сварки пайка позволяет соединять не только однородные, но и разнородные материалы: черные и цветные металлы, сплавы, керамику, стекло и др.

При пайке поверхности деталей очищают от окислов и обезжиривают с целью получения хорошей смачиваемости поверхностей припоем и качественного заполнения им зазоров. Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, ТВЧ, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргона). Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении затвердевает, прочно соединяя детали.

Размер зазора в стыке определяет прочность соединения. При малом зазоpe лучше проявляется эффект капиллярного течения припоя, процесс растворения материала деталей в расплавленном припое распро-еграняется на всю толщину паяного шва (прочность образующегося раствора на 30...60 % выше прочности припоя).

  Размер зазора принимают 0,01...0,25 мм в зависимости от припоя (легкоплавкий или тугоплавкий) и материала деталей.

Припои с температурой плавления до 400 °С называют легкоплавкими. Наиболее широкое применение имеют оловянно-свинцовые, оло-вянно-свинцовые сурьмянистые припои (марок ПОС90, ПОС61). Эти припои не следует применять для соединений, работающих при температуре свыше 100 "С или подверженных действию ударных нагрузок.

Припои с температурой плавления свыше 400 0С называют тугоплавкими (серебряные или на медной основе). Припои на медной основе отличаются повышенной хрупкостью, их применяют для соединения деталей, нагруженных статической нагрузкой. Серебряные припои (марок ПСр40, ПСр45) применяют для ответственных соединений. Они устойчивы против коррозии и пригодны для соединения деталей, воспринимающих ударную и вибрационную нагрузки.

Достоинством паяных соединений является возможность соединения разнородных материалов, стойкость против коррозии, возможность соединения тонкостенных деталей, герметичность, малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя. Пайка позволяет распаивать соединение, а также получать соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах конструкции.

Недостатком пайки по сравнению со сваркой является сравнительно невысокая прочность, необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки, а также предварительной обработки поверхностей перед пайкой.

Применение паяных соединений в машиностроении расширяется в связи с внедрением пластмасс, керамики и высокопрочных сталей, которые плохо свариваются. Пайкой соединяют листы, стержни, топливные и масляные трубопроводы, лопатки турбин и др. Ее широко применяют в автомобилестроении (радиаторы и др.) и самолетостроении (обшивка из тонких стальных листов с сотовым промежуточным заполнением, см. рис. 4.9, ж). Пайка является одним из основных видов соединений в радиоэлектронике и приборостроении. Процессы пайки поддаются механизации и автоматизации.

Расчет на прочность паяных соединений выполняют на сдвиг методами сопротивления материалов. Надо учитывать, что в нахлесточном соединении площадь расчетного сечения равна площади контакта деталей. Для нахлесточных соединений деталей из низкоуглеродистой стали, полученных оловянно-свинцовыми припоями (марки ПОС40), допускаемое напряжение на сдвиг [τ]с = 60 Н/мм2.

4.7. Клееные соединения

Клееные соединения применяют для деталей из металла и неметаллических материалов. Это соединение деталей неметаллическим веществом (клеем) посредством поверхностного схватывания и межмолекулярной связи в клеящем слое.

Достоинства клееных соединений — возможность соединения дета-лей из однородных и неоднородных материалов, герметичность, стойкость против коррозии, возможность соединения очень тонких листо-выx деталей, малая концентрация напряжений и высокое сопротивление усталости, малая масса.

Недостатки — сравнительно невысокая прочность, необходимость тщательной подготовки поверхностей под склеивание, снижение несущей способности при повышенных температурах.

На прочность клееных соединений влияют характер нагрузки, конструкция соединения, тип и толщина слоя клея (при увеличении толщины прочность падает), технология склеивания и время эксплуатации (с течением времени прочность некоторых клеев уменьшается).

Технология склеивания деталей состоит из ряда последовательных операций: взаимной пригонки склеиваемых поверхностей, получения шероховатости (обработкой пескоструйным аппаратом или зачисткой наждачной шкуркой), удаления пыли, обезжиривания (растворителем); нанесения клея на подготовленные поверхности, сборки и выдержки соединения при требуемых давлении и температуре.

Шероховатость увеличивает поверхность склеивания. Оптимальная толщина слоя клея 0,05...0,15 мм (зависит от вязкости клея и давления при склеивании). Длительная выдержка при склеивании является недостатком этого соединения.

На практике применяется большое количество марок клея, отличающихся хорошими физико-механическими и технологическими свойствами (клеи марок БФ, ВК-1, ВК-2, МПФ-1 и др.).

Наибольшее применение в машиностроении получили клееные соединения, работающие на сдвиг. Поэтому предпочтительнее нахлесточ-пые соединения.

Расчет на прочность клееных соединений производят на сдвиг метопами сопротивления материалов. Допускаемое напряжение на сдвиг |τ|с= 10...30 Н/мм2.

Клееными соединениями создают новые конструкции (сотовые, слоистые), отдельные зубчатые колеса соединяют в общий блок, повышают прочность сопряжения зубчатых венцов со ступицами, ступиц с валами, закрепляют в корпусе неподвижное центральное зубчатое колесо 4 планетарной передачи (см. рис. 16.3), наружное кольцо подшипника качения, стопорят резьбовые соединения, крепят пластинки режущего инструмента и др. Для повышения прочности применяют комбинированные соединения: клееклепаные, клеесварные (с точечной сваркой), клеерезьбовые.

Контрольные вопросы

Какие преимущества имеют сварные соединения? Область применения сварных соединений.

Как образуется сварной шов? Типы сварных швов.

Какие факторы учитывают при выборе допускаемых напряжений для расчетов на прочность сварных соединений?

Как рассчитывают стыковое сварное соединение, нагруженное растягивающей силой?

Каковы достоинства и недостатки паяных соединений по сравнению со сварными? Область их применения.

Каковы достоинства и недостатки клееных соединений по сравнению со сварными? Область их применения.

Курс "Детали машин и основы конструирования" непосредственно опирается на курсы "Сопротивление материалов" и "Теория механизмов и машин", которыми, мы надеемся, студенты овладели в совершенстве. Кроме того, для успешного выполнения расчётно-графических работ и курсового проекта необходимы хорошие знания правил и приёмов курса "Инженерная графика".
Расчет на прочность сварных соединений