Введение к работе
Актуальность работы. В современном машиностроении в конструкциях машин и механизмов широко применяются соединения с гарантированным натягом. Обладая высокой точностью центрирования, технологичностью, способностью передавать одновременно и осевые силы, и крутящий момент, низкой чувствительностью к ударному нагружению, эти соединения вытесняют неподвижные шпоночные и шлицевые соединения. Обычно с помощью натяга соединяют детали с цилиндрическими, коническими и реже другими поверхностями контакта, при этом контакт - непрерывный.
Однако в практике конструирования иногда возникает необходимость применения соединения с натягом с макропрерывистым контактом (под макропрерывистостью следует понимать выпадение из области контакта отдельных, участков геометрической формы соединяемых деталей). Примером такого соединения может служить посадка зубчатого колеса в упор к зубчатому венцу вал-шестерни по цилиндрической поверхности частично прорезанной выходом червячной фрезы, когда диаметр посадки превышает диаметр впадин вал-шестерни. Другим примером может служить посадка подшипника качения на концевой шип вал-шестерни также прорезанным выходом червячной фрезы. Применение таких решений диктуется стремлением к повышению прочности и жесткости конструкции. Оценка прочности таких соединений производится на практике интуитивно: относительное уменьшение прочности соединения с оставшейся в контакте поверхностью оценивается близкой к относительному уменьшению величины поверхности контакта. Однако в обоих случаях неполноту контакта ограничивают величиной 15-25% из-за «осторожности» и неумения рассчитывать такие соединения.
Еще одним примером применения посадки с макропрерывистым контактом может служить посадка зубчатого колеса предыдущей ступени на централыгую часть шевронной вал-шестерни. Условием посадки на непроре-занную среднюю часть цилиндрической поверхности вал-шестерни является значительное увеличение осевых габаритов передачи. Стремление реализовать этот вариант с одновременным достижением осевой компактности привело к решению машиностроительной фирмы ООО «НИПРО» (г. Орел) применить посадку колеса по цилиндрической поверхности диаметром выступов da прорезанной с обеих сторон выходами червячной фрезы (неполнота контакта достигла в этом случае 60-70%). Решение принималось на основе опи-
санного выше интуитивного соображения и требовало для своего обоснования проведения теоретических и экспериментальных исследований, чему и посвящена настоящая работа. Применение такого соединения по макропре-рывистой поверхности указывает на возможность значительного расширения области применения в конструировании посадок с гарантированным натягом по прерывистым поверхностям в общем.
Таким образом, задача исследования конструкционной прочности и разработка методов расчета соединений с прерывистым цилиндрическим контактом представляет значительный научный и практический интерес и делает поставленную задачу важной и актуальной. В основе расчета посадок с гарантированным натягом лежит определение напряжений на поверхностях контакта в функции от перемещений (натяга), что достигается исследованием напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей соединения.
Целью работы является разработка метода расчета напряженно-деформированного состояния соединения с гарантированным натягом по прерывистой цилиндрической поверхности (посадка ступицы по выступам зубчатого вала), обоснование работоспособности и достаточной нагрузочной способности - конструкционной прочности такого соединения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы основные задачи исследований:
- выбрать и обосновать расчетную модель соединения;
разработать математическую модель исследуемого соединения и обосновать метод теоретического решения;
разработать алгоритм теоретического решения и пакет машинных программ для его реализации;
определить критерии конструкционной прочности соединения с прерывистым контактом;
реализовать полученное решение исследованием многочисленных вариантов соединения и на основе их сделать выводы о влиянии основных параметров соединения на его прочность;
оценить точность полученного решения;
разработать рекомендации по применению соединений и методики их расчета на прочность.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена математическая модель определения НДС соединения с гарантированным натягом с прерывистым цилиндрическим контактом;
разработан алгоритм численного решения по исследованию работоспособности исследуемого соединения с учетом сложной геометрической формы неконтактирующих участков вала;
разработан пакет компьютерных программ «PRESS», определяющий характер распределения напряжений в зубчатом вале и ступице на границе контакта;
предложены критерии конструкционной прочности соединения: коэффициент прочности С0, коэффициент прочности по сдвигу CF и коэффициент прочности при передаче крутящего момента См ;
разработан инженерный метод расчета коэффициентов прочности Со, CF, См.
Автор защищает:
математическую модель соединения с гарантированным натягом по прерывистой цилиндрической поверхности;
результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволивших определить параметры НДС вала и ступицы и судить о конструкционной прочности исследуемого соединения;
методики расчета соединения с натягом на прочность: компьютерную по программе «PRESS» и инженерную для расчета коэффициентов прочности.
Достоверность результатов, полученных в ходе теоретических исследований подтверждается не превышающей 0,05% разницей между теоретическим решением по комплексу «PRESS» и решением задач-эталонов по программам «LAME» и «KONTROL». Разница между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 18%.
Практическая ценность. Результаты работы - пакет программ «PRESS» и инженерный метод расчета внедрены в производство машиностроительной фирмой ООО «НИПРО» (г. Орел). Результаты работы приняты к использованию на Майкопском и Ижевском редукторных заводах.
Апробация работы. По содержанию диссертационной работы был выполнен ряд докладов на международных конференциях и конгрессах, в том числе: на 28, 29, 30-ых международных научно-технических конференциях «Проблемы качества и долговечности зубчатых передач и редукторов», г.
Севастополь, 1995, 1997, 1999 г.г.; XVI международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов», С.-Петербург, 1998 г.; З-ем международном конгрессе «THERMAL STRESSES'99», Краков, 1999 г.; 2-ом Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике «Механика - 99», Минск, 1999 г.; З-ем международном конгрессе «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред», Москва, 2000 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и фотографий, 4 таблицы. Состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка литературы (120 наименований) и 2-х приложений.
