3.1.3. Соединения с натягом

Самым простым по устройству соединением является соединение 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 трения, вызванные упругими деформациями деформированных деталей.

Соединения разделяют на две группы:

1) соединения деталей по цилиндрическим или коническим поверхностям, когда одна деталь охватывает другую;

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

Достоинства соединений с натягом:

– возможность передачи больших, в том числе и ударных нагрузок;

– восприятие произвольно направленных сил и моментов;

– хорошее центрирование;

– простота в изготовлении.

Недостатки:

– относительная сложность сборки и разборки;

– ослабление посадки и повреждение посадочных поверхностей при разборке;

– большое рассеяние сил сцепления в связи с рассеянием действительных значений коэффициентов трения и посадочных размеров в пределах допусков;

– трудность неразрушающего контроля.

Натягом чаще всего соединяют детали по круговым цилиндрическим поверхностям, хотя эти поверхности могут быть любой формы – эллиптической, призматической и пр. В данном курсе будут рассмотрены только соединения типа «вал – втулка», как наиболее распространенные.

Натягом чаще всего соединяют детали по круговым цилиндрическим поверхностям, хотя эти поверхности могут быть любой формы – эллиптической, призматической и пр. В данном курсе рассмотрены только соединения типа «вал – втулка» как наиболее распространенные.

Натягом называется положительная разность диаметров вала и отверстия. После сборки из-за упругих и пластических деформаций диаметр d посадочных поверхностей становится общим. При этом на посадочной поверхности возникают контактные давления р_к и, при попытке относительного перемещения деталей, силы трения. Они и позволяют соединению воспринимать как осевые, так и вращающие нагрузки.

Сборку с натягом выполняют запрессовкой или температурным деформированием.

Запрессовку деталей производят на прессах с небольшой скоростью и со смазкой сопрягаемых поверхностей. При запрессовке происходит смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных поверхностей, что приводит к ослаблению прочности соединения. Для облегчения сборки и уменьшения шабровки конец вала и край отверстия выполняют коническими (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Выполнение кромок валов и отверстий

для их сборки прессованием

Шабровка может быть полностью устранена при сборке с температурным деформированием. Для этого втулку нагревают до температуры ниже той, при которой происходят структурные изменения в металле. Для сталей, например, это около 250 °С, для бронз 150 ... 200 °С. Вал охлаждают сухим льдом (около –80°С), жидким воздухом или азотом (около –190 °С). Затем вал быстро сажают во втулку и дают температуре выравняться.

Чтобы сборку можно было осуществить свободно, разность температур Δt втулки и вала рассчитывают по формуле

, (3.4)

где N_max – наибольший натяг посадки;

z₀ – минимальный зазор, необходимый для свободного соединения деталей ( z₀ = 10 мкм при d= 30 ... 80 мм, z₀ = 15 мкм при d = 80 ... 180 мм

и z₀ = 20 мкм при d = 180 ... 400 мм);

α_t – коэффициент линейного расширения (для черных металлов

α_t ≈ 10^-5 °С^-1, для алюминия, бронзы, латуни α_t ≈ 2·10^-5 °С^-1);

d – номинальный диаметр соединяемых поверхностей.

Расчет соединений с натягом. Если на детали соединения действуют осевая сила F или крутящий момент Т (рис. 3.7) и контактные давления р_к, то для предотвращения относительного перемещения деталей должны быть выполнены условия

F ≤ π d l p_к f; (3.5)

T ≤ 0,5π d ² l p_к f, (3.6)

где l – длина соединения;

d – его номинальный диаметр;

f – коэффициент трения (для чугунных и стальных деталей при запрессовке f = 0,07 ... 0,1, при горячей или холодной посадке f = 0,12 ... 0,14, при наличии латунных или бронзовых деталей f = 0,05 при запрессовке, f = 0,07 при горячей или холодной посадке).

Рис. 3.7. Расчетная схема соединения с натягом

Минимально необходимые значения контактного давления из формул (3.5) и (3.6):

; (3.7)

. (3.8)

Если крутящий момент Т и осевая сила F действуют одновре­менно, то

. (3.9)

Полученное минимальное значение контактного давления p_{к min} необходимо умножить на коэффициент запаса сцепления K_зсц = 1,5 ... 3.

По заданному расчетному значению р_к = K_зсц p_{к min}, считая втулку и вал, если он с отверстием, толстостенными цилиндрами (т. е. такими, где толщина стенки не более чем в пять раз меньше среднего ра­диуса цилиндра), получаем расчетный натяг N_P :

, (3.10)

; , (3.11)

где Е₁, μ₁ и Е₂, μ₂ – модули упругости материала и коэффициенты Пуассона соответственно для вала и втулки (для стали μ = 0,3, для чугуна μ = 0,25, для бронзы μ = 0,33).

Размеры d, d₁ и d₂ см. на рис. 3.7; если вал без отверстия, то d₁ = 0.

Учитывая, что при прессовании микронеровности посадочных поверхностей частично срезаются и сглаживаются, полученное значение расчетного натяга N_p увеличивают на величину поправки:

, (3.12)

где Ra₁ и Ra₂ – средние арифметические отклонения профиля микронеровностей посадочных поверхностей.

Для соединений с натягом наиболее характерны Ra = 1,25; 0,8; 0,63; 0,4 мкм.

Если сборку выполняют горячей или холодной посадкой, то поправку не вводят: N_т = N_p.

Исходя из величины требуемого натяга N_т подбирают стандартную посадку, при которой N_т = N_min.

Проверку прочности деталей соединения с натягом проводят по контактному давлению р_к, соответствующему наибольшему натягу выбранной посадки.

Для наиболее характерного случая посадки толстостенной втулки-ступицы на вал без отверстия предельный наибольший натяг можно определить по формуле

, (3.13)

где [σ] – допускаемое напряжение растяжения для материала втулки;

d – номинальный диаметр контактной поверхности;

Е – модуль упругости материала втулки.

На рис. 3.8 представлены наиболее характерные примеры использования соединений с натягом.

На рис. 3.8, а изображено червячное колесо, полученное посадкой с натягом бронзового венца червячного колеса на чугунную ступицу. На рис. 3.8, б показана характерная посадка внутреннего кольца подшипника качения на вал. Соединения с натягом используют, например, для соединения с валом зубчатых колес, шкивов, звездочек, роторов электродвигателей, для посадки на оси железнодорожных колес и для посадки бандажей этих колес на литые центры, а также во многих других случаях.

Рис. 3.8. Соединения с натягом в типовых конструкциях:

а – червячное колесо с напрессованным зубчатым венцом;

б – крепление внутреннего кольца подшипника на валу