Конструктивные соображения при проектировании

Ни одна деталь не может быть сконструирована вне узла, в который она входит. Поэтому детали получают форму и размеры в процессе раз­работки конструкции узлов.

При разработке узлов учитываются как технологические, так и конс­трук­тивные соображения. Последние направлены на получение конструк­ций деталей, обладающих высокой прочностью, компактностью, жёсткостью, износостойкостью, удобством сборки-разборки и другими полезными свой­ствами. Основные конструктивные соображения изложены ниже.

С точки зрения величины напряжений, самым выгодным видом нагруже­ния является нагружение центральной силой, самым невыгодным – нагружение моментом. Это положение убедительно доказывается расчетными схемами, приведенными на рис. 3.10.

При одинаковых нагружающем усилии и размерах стержня в случае изгиба (рис. 3.10а) напряжения в 18 раз (!) больше, чем в случае сжатия (рис. 3.10б). Поэтому при разборке узлов стараются устранять изгиб, заменяя его цент­раль­ным растяжением или сжатием. На рис. 3.11а, в, д показаны узлы с на­гру­же­ни­ем деталей изгибом. На рис. 3.11б, г, е показаны те же узлы с конструктивными изменениями, полностью устраняющими изгиб.

Если изгиб устранить не удается, стремятся уменьшить его величину путём сближения опор при пролётном нагружении (рис. 3.12 б) или уменьшением консоли при консольном нагружении (рис. 3.13 б).

На рис. 3.14 показана возможность уменьшения изгиба путём замены консольного нагружения пролётным.

σU max = MU max/W = 3Fa/(a3/6)

а)

б)

F

аxа

3а

σСЖ = F/а2

Рис. 3.10. Расчётные схемы деталей на изгиб (а) и сжатие (б)

а)

г)

б)

д)

в)

е)

консоль

Центр тяжести сечения шва

Рис. 3.11. Примеры устранения изгиба

а)

МИЗ

б)

МИЗ

Рис. 3.12. Уменьшение изгиба за счёт уменьшения длины пролёта

При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. Они имеют максимальную вели­чину в крайних точках сечения. В центре сечения (при кручении) или по нейтральному слою (при изгибе) напряжения снижаются до нуля.

Путем удаления металла из наименее нагруженных участков сечения и сосредоточения его в наиболее нагруженных местах (на периферии сече­ния) можно почти выровнять напряжения по сечению. При этом снижается масса детали благодаря приближению ее формы к условию равнопрочности.

О снижении массы можно судить по рис. 3.15 [4], изображающему ряд профилей с одинаковой площадью сечения (а, следовательно, с одинаковой массой). Профили расположены в порядке возрастания осевого момента сопротивления. Последний увеличивается за счёт разнесения металла к периферии. При одинаковой массе последний профиль (двутавр) при из­гибе прочнее первого профиля (массивного круга) в 5,2 раза при при­нятых на рисунке соотношениях размеров. Следовательно, при одинаковой прочности двутавровая деталь будет легче круглой массивной.

Из сказанного вытекает, что при изгибе следует предпочитать сече­ния деталей с разнесённой к периферии площадью – трубы круглые и прямоугольные, двутавр, тавры, швеллеры и т. п. При кручении приме­нимы только замкнутые профили (трубы).

Концентрация напряжений, возникающая вследствие резких переходов сечений, может вызвать появление усталостной трещины и разрушение детали.

Для уменьшения концентрации напряжений улучшают геометрию мест переходов. Например для зубчатых колёс и эвольвентных шлицев предусматривают радиусы закругления у основания зубьев (рис. 3.16 б, в).

Геометрию переходов валов улучшают галтелями (рис. 3.16 е, з) и разгрузочными канавками (рис. 3.16 ж, и). Галтели эллиптические эффективнее круговых (радиусных). Разгрузочные канавки (рис. 3.16 и) умень­шают концентрацию напряжений на кромках втулки, вызванную посадкой с натягом.

Геометрию переходов целесообразно улучшать только при переменных нагрузках. Так, заплечик (рис.3.16 д), недопустимый при переменных нагрузках, допустим (и даже целесообразен по технологическим соображе­ниям) при постоянных нагрузках.

Местные ослабления резко снижают прочность деталей вследствие уме­нь­шения сечений и особенно из-за концентрации напряжений. Обычно местные ослабления устраняются перемещением ослабляющего элемента в область сечений большего размера. Втулка (рис. 3.17 а) ослаблена двумя расположенными в одной плос­кости проточками для выхода режущего инструмента. Размещение проточек в разных плоскостях (рис. 3.17. б) устраняет это ослабление.

а)

l

б)

Рис. 3.13. Уменьшение изгиба за счет изменения длины консоли

Рис. 3.14. Уменьшение изгиба за счет замены

консольного нагружения пролётным

W=1 W=1,6 W=2,7 W=3,3 W=5,2

Рис. 3.15. Формы поперечных сечений деталей

б)

а)

а)

и)

ж)

з)

е)

д)

г)

в)

б)

R

R1

Рис. 3.16. Способы снижения концентрации напряжений

Рис. 3.17. Устранение ослабления втулки

А) б)

Рис. 3.18. Устранение изгиба в проушине