МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ "ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ" для студентов дневной и заочной формы обучения

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

К выполнению лабораторной работы № 1 студент должен быть подготовлен и знать типы и классификацию разъемных соединений.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Основной целью лабораторной работы является изучение конструкций и основных параметров разъемных соединений и экспериментальное определение величины силы, вызывающий относительный сдвиг скрепляемых деталей в зависимости от усилий, сжимающего (силы затяжки болтов) эти детали и коэффициента трения.

В процессе выполнения лабораторной работы студент, помимо изучения разъемных соединений, углубляет знания в проведении исследований и обработке экспериментальных данных.

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Группа студентов, явившихся на лабораторную работу, разбивается на 3 бригады. Первая и вторая бригады приступают к изучению основных разъемных соединений, а третья - к испытанию разъемного соединения, работающего на сдвиг. Через каждые 20-30 мин. бригады меняются местами с тем, чтобы до конца занятий каждый студент подгруппы отработал все три задания.

Результаты работы оформляются в виде отчета по лабораторной работе.

4. ИЗУЧЕНИЕ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ДЕТАЛЕЙ

Изучение конструкции разъемных соединений проводится по плакатам и натурным образцам. В процессе работы студент изучает резьбовые, клеммовые, шпоночные и шлицевые соединения и их основные параметры.

По мере изучения конструкций делаются эскизы основных профилей с указанием основных параметров.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

В зависимости от поверхности, на которой расположена резьба, различают резьбы цилиндрические, конические, наружные и внутренние (рис. 1) пробил и резьб в сечении плоскостью, проходящей через её ось бывают: треугольные (I), упорные (2), трапециидальные (3), прямоугольные (4), круглые (5).

Рис. 1.

По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбу.

По числу заходов различают однозаходовые и многозаходовые. С двухзаходные, трехзаходные) резьбы.

По назначению резьбы разделяют на крепежные и ходовые.

Для крепежных деталей применяют резьбы треугольного профиля. которые разделены на две основные группы: метрические (угол профиля α = 60°) и дюймовые (α = 55°).

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗЬБЫ

Основные параметры резьбового соединения представлены на рис.2/

Рис.2.

Дюймовой резьба называется потому, что наружный диаметр измеряется в дюймах (I" = 25,4 мм). Шаг резьбы задается числом ниток винтовой линии на один дюйм (I") длины нарезанного стержня.

У нас в стране дюймовые резьбы (цилиндрические и конические) применяются для нарезки труб (которые называются трубными), а также при изготовлении запасных частей к существующему оборудованию. При проектировании новых машин дюймовые резьбы не применяют, т. к. у нас принята метрическая резьба на которую разработаны стандарты»

Упорную резьбу применяют в грузовых винтах при одностороннем направлении усилия.

Трапециидальную резьбу применяют на винтах которые должны передавать усилие и движение (ходовые винты), а не скреплять детали.

Круглая резьба мало распространена в машинах и встречается главным образом в арматуре.

Если рассматривать различные профили резьб с точки зрения их прочности, го следует иметь ввиду, что при одном и том же внутреннем диаметре (d1) и шаге резьбы (S), наиболее прочной будет резьба с треугольным профилем. Менее прочной будет резьба упорная; ещё менее прочной будет трапецеидальная резьба; относительно самой слабой должна быть прямоугольная; круглая резьба обладает повышенной динамической прочностью, благодаря наличию плавных закруглений»

Обычные резьбовые соединения чаще всего состоят из болта (винта) и гайки. Разновидностью болтов являются шпильки (стержни с резьбой на обоих концах).

Стопорящие устройства предотвращают самоотвинчивание резьбовых соединений, воспринимающих переменные и ударные нагрузки или подверженных вибрации. Вибрации понижают трение и нарушают условие самоторможения в резьбе.

Существует очень много способов стопорения или предохранения от самоотвинчивания.

Описание этих способов приводится в справочниках и специаль­ной литературе.

КЛЕММОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

При соединении деталей на валах и осях с помощью клемм исполь­зуют силы трения, которые возникают от затяжки болтов и позволяют нагружать соединение моментом и осевой силой (рис.3).

Рис.1 3.

ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Все виды шпонок можно разделить на сегментные (1), призматические (2), клиновые (3). (Рис.4).

Первые два вида шпонок образуют ненапряженные, а третий тип - напряженные соединения.

Рис. 4.

Сегментные шпоночные соединения (I) передают относительно не­большие крутящие моменты, а сравнительно глубокие пазы под шпонки значительно ослабляют сечение вала, что относится к недостаткам этих соединений.

Сегментные шпонки по принципу работы подобны призматическим шпонкам, но глубокая посадка предохраняет их от перекоса (выворачивания) под нагрузкой и обеспечивает устойчивое положение.

Соединения призматическими шпонками (2) требуют изготовления вала и отверстия в ступице с большой точностью. Момент передаётся с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки, параллельность которых позволяет осуществлять подвижные (в осевом направлении) соединения.

Соединения клиновыми шпонками (3) характеризуются:

- свободной посадкой ступицы на вал;

- расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням;

- передачей момента от вала к ступице за счет сил трения обусловленных запрессовкой шпонки.

Клиновая форма шпонки вызывает смещение и перекос детали на валу, что послужило причиной резкого сокращения применения их.

Основные элементы (сечения и пазы) шпоночных соединений стандартизированы и зависят от диаметра вала.

ЗУБЧАТЫЕ (ШЛИЦЕВЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ.

Шлицевые соединения представляют собой много шпоночное соединение в котором шпонки выполнены заодно с валом. Все размера шлицевых соединений стандартизированы.

По форме профиля шлицев различают три типа соединений (рис.5): прямобочные (I), треугольные (2), эвольвентные (3).

Рис. 5.

Наибольшее распространение получили соединения с прямобочной и эвольвентной нормой шлицев.

Шлицевые соединения могут быть подвижными и неподвижными, ГОСТом предусмотрено три серии прямобочных шлицевых соединений:

- легкая серия для подвижных легко нагруженных соединений;

- средняя серия, имеющая большее число шлицев, для подвижных средне нагруженных соединений;

- тяжелая серия служит для подвижных соединений и передачи больших крутящих моментов.

Соединения с треугольными зубьями (шлицами) не стандартизованы, их применяют главным образом для неподвижных конструкций и передачи малых крутящих моментов.

Размеры зубцов, аналогично шпонкам, выбирают по диаметру вала.

В современной технической литературе вместо "шлицев" принято название "зубья" с целью унификации терминологии общей с зубчатыми колесами.

ИСПЫТАНИЕ РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СДВИГ.

Опытная установка (рис. 6) состоит из вертикально поставленной рамы 1, к верхней поперечине которой подвешен с помощью натяжного винта 2 и гайки с маховиком 3, динамометр 4 с тензометрическим датчиком "Д".

Сдвигаемый брусок 5 испытуемого соединения шарнирно соединен с динамометром - 4.

Боковые полосы б своими концевыми отверстиями соединяются с рамой I. Обе полосы б стянуты с центральным бруском 5 болтом 7, насквозь пропущенным через эти детали.

Усилие, с которым затягивается гайка 8 болтового соединения измеряется индикатором, установленном на тарировочном ключе.

Рис. 6. Схема установки: Испытание разъемного соединения работающего на сдвиг.

В процессе опыта для сдвига бруска 5 относительно полос 6 перемещают натяжной винт 2 вверх вращением гайки-маховика 3. Усилие сдвига контролируют тензометрическим датчиком "Д". На динамометре 4 с двух сторон наклеено по одному активному и компенсационному тензометрическому датчику "Д", которые включены в смежные плечи электрического моста.

Сопротивление каждого датчика по - 100 Ом. При нагружении активные датчики растягиваются и изменяется их сопротивление. Каждый тензодатчик типа ПКБ представляет собой петлевую решетку из константановой проволоки диаметром 25 мкм, вклеенную между двумя полосками конденсатной бумаги, В качестве вторичного прибора для изменена показаний датчиков используется измеритель деформации ИД-62М.

Компенсационные датчики предназначены для компенсации ошибки при колебаниях температуры в помещениях. Прибор ИД-62М представляет собой тензометрический мост, работающий в равновесном режиме. Балансировка моста производится вручную, питание осуществляется от батарей типа' КПСЛ.

Показания измеряются в условных единицах. Разница между рабочим показанием Sр датчика (в момент нагружения) и нулевым показанием So (до нагружения) называется измеренным сигналом

Умножив сигнал на тарировочный коэффициент К, можно узнать величину нагружающего усилия в Н, т. о.:

Q = (Sp – S0) · K = S · K (1)

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1. Исходя из условия прочности болта, подсчитать допускаемую максимальную силу затяжки:

(2)

где: F - площадь ослабленного резьбой сечения болта (табл.1);

σT - 220 · 106 Па - предел текучести материала болта;

β = 1,3 - коэффициент, учитывающий дополнительные напряжения от скручивания болта.

6.2. Задаться тремя значениями усилия затяжки болта:

1) Nmax; 2) 0,75 Nmax; 3) 0,5 Nmax.

Определить крутящие моменты Мкр, необходимые для затяжки болтового соединения с заданными усилиями.

Для упрощения расчета допускается определять значение Мкр не по формуле СЗ), приведенной ниже, а используя данные табл.1.

(3)

где: N - заданная сила, Н

dср - средний диаметр резьбы, м.

α - угол подъема средней винтовой линия, град,

f - коэффициент трения горца гайки об опорную поверхность

φ - приведенный коэффициент трения в резьбе, град.

D - наружный диаметр опорной поверхности гайки, м.

dо - диаметр отверстия под болт, м.

Ъ табл. 1 приведены рассчитанные по формуле (3) значения М в зависимости от принятой величины осевого усилия, приложенного к болтам. Данные приведены для болтов с метрической резьбой М 12, M14, M 16.

Таблица 1.

Болт	dср·10-2, м	α, град.	φ, град.	f	D·10-2, м	d·10-2, м	F·10-4, м2	Величина Мкр, Нм
М 12	1,105	11º20	2º50	0,1	2,4	1,25	0,803	0,00234 N
М 14	1,295	11º20	2º50	0,1	2,4	1,45	1,11	0,00262 N
М 16	1,495	11º20	2º50	0,1	2,4	1,65	1,54	0,0058 N

6.3. Определить показания "С" индикатора тарировочного ключа, соответствующие трем значениям крутящего момента Мкр, при

1) Nmax; 2) 0,75 Nmax; 3) 0,5 Nmax.

где: МКР - крутящий момент в нм.

Δ = 13,7 Нм/мм - цена деления индикатора тарировочного ключа.

6.4. Перед сдвигом бруска " 5" при ослабленном натяжном винте 2 снять нулевой отсчет "So " по прибору ИД-62М.

6.5. Сдвиг бруска 5 натяжным винтом 2 и измерение сдвигающего усилия "5 " произвести трижды для каждого из значений:

1) Nmax; 2) 0,75 Nmax; 3) 0,5 Nmax.

Затягивая гайку маховичком 3 натяжного устройства до появления относительного перемещения соединяемых деталей, что может быть обнаружено по резкому снижению роста показаний "Sр" на приборе ИД-62М. До этого момента показания "Sр " все время растут.

Величину сдвигаемой силы Q определить по максимальному значению сигнала:

Q = (Sp – S0) · K,

причем К = 12,5 Н/ед. шкалы.

6.6. Подсчитать экспериментальные значения коэффициента трения, пользуясь выражением:

где: Q - сдвигающая сила, Н;

i - число стыков между бруском и полосами;

z - число болтов, соединяющих детали;

N - усилие затяжки каждого болта, Н.

6.7. Результаты испытаний и подсчетов занести в протокол и построить график зависимости сдвигающей силы от силы затяжки болтов.

ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНЕНИЯ

Число стыков i = 2.

Материал скрепляемых деталей – сталь.

Количество болтов z = 1.

Диаметр болтов d -

Площадь ослабленного сечения болта, м2.

Материал болта σT = 220 · 106 Па

Максимальное допустимое усилие затяжки Nmax = (Н).

Измерительные приборы: тензометрическое звено с тензодатчиками, измеритель деформации МД-62М, тарировочный ключ.

СХЕМА ОТЧЕТА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I

Изучение конструкций резьбовых соединений и испытание болтового соединения, работающего на сдвиг.

Студент__________________________

Группа __________________________

1. Краткая классификация резьбовых соединений и основные параметры их, с изображением схем.

2. Схема установки (для испытания болтового соединения на сдвиг)

3. Схема тензометрического звена и принцип его действия*

4. Схема тарировочного ключа.

5. Характеристика соединения.

6. Результаты опытов, замеряемые и получаемые величины.

№	Усилие затяжки болта N, Н	Сдвигающая сила	Нулевой отсчет
1-й замер	2-й замер	3-й замер	средний замер
Sp	Sp2	Sp3	Spср	S0
1
2
3

7. График зависимости Q от N в Н.

8. Выводы:

Дата: «___» ______________ 200 __ г.

Выполнил студент _____________________________

Принял преподаватель __________________________

Вопросы для самопроверки

1. Какие стандартные резьбы применяются в строительных машинах?

2. Каковы условия обеспечения самоторможения в резьбе и какое значение это имеет в крепежных резьбах?

3. Чем отличается методика расчета болтов поставленных с зазором и без зазора (в стягиваемые детали) и подверженных действию поперечной нагрузки?

4. Какие средства применяют против самоотвинчивания в резьбовых соединениях?

5. Какие шпонки применяют для напряженных и ненапряженных шпоночных соединений?

6. Какие грани шпонок являются рабочими у напряженных шпоночных соединений.

7. Изложите основные положения методики расчета соединений с призматической шпонкой.

8. Перечислите конструкции и преимущества шлицевых соединений сравнительно со шпоночными.

9. 3 основе работы тензодатчиков лежит явление тензоэффекта, в чём оно заключается?

10. Какой, параметр материала тензометрического звена определяет допустимые напряжения в нём?