Типичным представителем узлов, передающих силу и момент, являются стыковые узлы лонжеронов крыла и оперения. Эти узлы служат для передачи в зоне стыка момента от осевых сил, действующих по оси центров тяжести поясов лонжеронов;

поперечной силы, передаваемой стенкой лонжерона, и поперечной силы, возникающей от действия крутящего момента, воспринятого бортовой нервюрой. Кроме того, они воспринимают еще незначительную боковую силу от лобового сопротивления крыла или оперения.

Стыковой узел может быть выполнен как с вертикально (рис. 3), так и с горизонтально расположенными проушинами. Узел выполнен в виде двух стыковых башмаков, установленных на поясах лонжеронов. При малой строительной высоте крыла возможно объединение двух башмаков в один общий узел.

В настоящее время технологически возможно выполнять стыковые проушины за одно целое с поясом лонжерона. Но как бы ни были выполнены верхняя и нижняя проушины, между ними обязательно должна существовать жесткая связь; в рассматриваемой схеме эта жесткая связь осуществляется в виде вертикального профиля, распределяющего между ними поровну перерезывающую силу Q.

Рис. 3 Стыковой узел крыла, передающий силу и момент.

Рис. 4 Виды стыковых башмаков

Стыковые узлы обычно изготавливают из стали ЗОХГСА штамповкой, а затем механической обработкой доводят до требуемых размеров. Обработке подлежат поверхности сопряжения узла с поясами лонжеронов, боковые поверхности проушин. Сверлятся отверстия под стыковочный болт и под элементы крепления башмака к лонжерону. С целью уменьшения массы конструкции башмака и элементов его крепления к лонжерону соединение целесообразно выполнять двухсрезным. Такое соединение можно осуществить, выфрезеровывая в башмаке паз (в виде вилки), который позволяет завести башмак с охватом двух сторон пояса лонжерона (рис. 4). Такое соединение обеспечивает симметрию передачи осевой нагрузки с пояса лонжерона на стыковую проушину, а также двухсрезность болтов крепления башмака к ножке пояса. Крепление полки пояса при этом в варианте, показанном на рис. 4, а, остается односрезным, на рис. 4, б - двухсрезным. Верхний и нижний башмаки соединяются между собой стойками, приклепанными в промежутке между башмаками к стенке лонжерона. Стойки обеспечивают совместность восприятия верхним и нижним узлом перерезывающей силы, действующей по стенке лонжерона. Расчетным случаем как для нижней, так и для верхней проушины является растяжение. При сжатии сама проушина практически не работает. Нижняя проушина рассчитывается на разрыв в случае А (А'), верхняя работает на растяжение при обратном нагружении крыла (случай D (D')) с половинной нагрузкой. Поэтому нижняя проушина выполняется больших размеров, чем верхняя. Так как стыковой узел помимо изгибающего момента и перерезывающей силы должен передавать поперечную силу от крутящего момента, приходящего по бортовой нервюре, то необходимо предусматривать связь стыкового башмака со стенкой и поясом нервюры.

Приведем последовательность проектировочного расчета стыкового узла.

1. Определяют суммарную силу, действующую на болт:

где N = М/Н - осевое усилие; М - изгибающий момент в зоне стыка; Q - перерезывающая сила, возникающая от крутящего момента и перерезывающей силы, действующей на крыло; Н - расстояние между центрами стыковочных болтов.

2. По суммарной силе определяют площадь болта

где т - число срезов болта. Отсюда d_б, = 2 . Если по действующей силе можно подобрать стандартный болт, то диаметр болта определять не надо.

3. Рассчитывают толщину нижней проушины на разрыв и смятие от силы R по методике, рассмотренной на лек. №14, для разъемных неподвижных соединений а =, считая, что _см=_в. Из условия прочности на разрыв определяют остальные параметры проушины.

4. Рассчитывают опасное сечение башмака с-с, подвергающееся разрыву силой N, срезу силой Q/2 и изгибу моментом

где F_c-c - площадь башмака в сечении с-с; а₁ - расстояние от оси болта до сечения с-с; J_c-c - момент инерции сечения с-с башмака

5. Для определения размеров вилки башмака проводят расчет болтов ее крепления к поясу лонжерона. Принимают, что осевая сила N воспринимается всеми болтами, соединяющими вилку с поясом. Поперечная сила Q воспринимается болтами, соединяющими стойки с вилкой. Момент от силы Q воспринимается всеми болтами пропорционально их жесткости на срез. В первом приближении сечения болтов подбирают без учета догрузки от момента. Диаметр болтов принимают не менее 8 мм. При этом учитывают, что все горизонтальные болты двухсрезные, а вертикальные односрезные. Если позволяет высота ножки пояса лонжерона, то болты устанавливают в шахматном порядке (чтобы меньше ослаблять отверстиями сечения пояса и башмака). Расстояния между болтами и до горизонтальной части вилки от болтов выбирают из условия возможности подхода гаечным ключом. Для крепления башмака к горизонтальной полке применяю болты с потайной головкой.

Рис. 5 Схема крепления башмака к поясу лонжерона

Учтя все эти условия, получают потребное число срезов болтов для передачи силы

где P_б - нагрузка, воспринимаемая одним срезом болта принятого диаметра.

Аналогичным образом подбирают потребные сечения болтов крепления стоек по действию силы Q. При этом потребные сечения болтов, соединяющих башмак со стойкой и поясом, получаются большими, так как болты воспринимают одновременно осевую и поперечную силу. После расчета болтов в первом приближении определяют положение центра жесткости соединения как центра масс площадей среза всех болтов. За радиус r для всех вертикальных болтов принимаем перпендикуляр, опущенный из центра жесткости на плоскости среза этих болтов. Определив суммарные нагрузки на все болты, уточняют их диаметры. Если сечения болтов изменились, то, подобрав новые диаметры, проводят вторую итерацию.

6. В соответствии с потребным числом болтов и их расположением уточняют параметры вилки башмака. Толщину вертикальных ребер вилки ₂ находят из условия смятия под наиболее нагруженным болтом. Проводят расчет опасного сечения В-В вилки (см. рис. 3), расположенного на расстоянии а₂ от оси болтов проушины. В сечении действуют растягивающая сила N, изгибающие моменты (Q/2) a₂ и Nq, где q - расстояние от центра масс сечения В-В до линии действия силы N. В результате таких нагрузок в сечении В-В возникает напряжение

где F_в-в - площадь сечения башмака; J_x - момент инерции башмака относительно оси Ох.

Место приложения силы N можно подобрать так, чтобы (Q/2) a₂-Nq = 0. Поскольку N>>Q, то а₂>>q, т.е. эксцентриситет может быть незначительным. С целью уменьшения массы пояса лонжерона и вилки башмака можно постепенно по мере передачи на башмак нагрузки наращивать его сечение за счет увеличения толщины горизонтальных полок и одновременно в том же порядке уменьшать сечение пояса лонжерона с уменьшением действующей на него нагрузки (рис. 5). На рисунке приведена эпюра осевых сил, действующих по поясу лонжерона.

Рис. 6 Стыковой узел с вертикальными (а) и горизонтальными проушинами (б)

Такое конструктивное решение имеет один существенный недостаток, заключающийся в том, что затруднительно сверлить отверстия под вертикальные болты в наклонной плоскости. Возможным решением в данном случае будет совместное сверление отверстий для поясов лонжерона и башмака.

7. При проектировочном расчете сечения стойки ее толщину подбирают из условия смятия под болтами при передаче силы Q/2, а ширину - из условия разрыва (или сжатия) силой Q/2. Обе стойки, как правило, выбираются швеллерного сечения. Возможно применение в стыковом соединении горизонтально расположенных проушин (рис.18.6). Такие проушины технологичны, так как упрощают сверление отверстий под стыковой болт и обеспечивают взаимозаменяемость.

С точки зрения работы самой проушины обе конструкции равнопрочны. Но при рассмотрении прочности башмака в сечении С-С видно, что проушина с горизонтальным болтом воспринимает изгибающий момент (Q/2) а₁ в плоскости наибольшей жесткости с моментом инерции J_г= ab³/12, а проушина с вертикальным болтом - в плоскости наименьшей жесткости с моментом инерции J_г>J_в, это приводит к значительному увеличению массы стыкового башмака. Поэтому применение проушины с горизонтальным расположением болта возможно только при введении дополнительных соединений, передающих только перерезывающую силу. Одно из возможных конструктивных решений такого соединения показано на рис. 7.

Рис. 7 Стыковой узел с дополнительной Рис. 8 Гребенчатое стыковое

проушиной, передающей соединение.

перерезывающую силу

При том же значении изгибающего момента с уменьшением строительной высоты крыла значительно возрастает величина осевой силы N = М/Н, где Н - расстояние между центрами проушин. Потребные размеры проушин становятся чрезвычайно большими, и они или должны сильно выйти за обвод крыла или при уменьшающемся за счет размеров проушин размере Н их масса должна сильно увеличиться. Одним из возможных решений в этом случае является переход от соединения ухо - вилка к гребенчатому с несколькими проушинами (рис. 8). Это приводит к увеличению числа срезов стыковых болтов и соответствующему уменьшению их потребных диаметров, что влечет за собой увеличение плеча Н и уменьшение размера проушин. Недостатком гребенчатого соединения является эксцентриситет в передаче сил на крайние проушины. Средняя проушина, которую делают в два раза шире крайних, подвергается действию только осевого усилия. Крайние догружаются моментом на плече с, что снижает сопротивление усталости соединения. Кроме того, наличие момента при небольшой технологической неточности может привести к изгибу стыковочного болта и к его преждевременному разрушению. В связи с этим такие соединения применяются редко. При малой строительной высоте крыла изменяется соотношение между осевой N и перерезывающей Q силами. За счет роста осевых сил и из-за малого плеча Н определяющим при расчете сечения С-С оказывается разрыв силой N, а не изгиб моментом, равным (Q/2) a₁. В этом случае постановка горизонтальных проушин с несколькими двухсрезными вертикальными болтами становится целесообразной (рис. 9). Если лонжерон выполняется штамповкой, то обычно заодно штампуется и узел, который потом дополнительно обрабатывается по местам сопряжения с ответным узлом. Из-за достаточно большой ширины сечения С-С возрастает жесткость в плоскости проушины, и триситет в передаче сил на крайние проушины не вызывает их изгиба. В связи с этим нагружение всех трех (или двух) болтов становится более равномерным. Исключается изгиб стыковых болтов, что имело место в гребенчатом соединении.

Рис. 9 Стыковое соединение с горизонтальной проушиной с тремя вертикальными болтами.

Дополнительного повышения жесткости соединения при работе на изгиб от поперечной силы Q можно добиться путем установки в ответной проушине центроплана ребер (рис. 10). Возможным конструктивным решением подобного узла может быть постановка отдельной проушины, воспринимающей перерезывающую силу (рис. 11, б). В ответных вильчатых проушинах при этом между ребрами выполняется паз (рис. 11, а), в который заходит проушина, передающая перерезывающую силу и, соединяется с ними двухсрезным болтом.

Рис. 10. Стыковое соединение, усиленное ребром для восприятия вертикальных сил

В связи с тем, что стыковые узлы помимо поперечной силы Q должны передать составляющую Q„p, вызванную крутящим моментом, необходимо обеспечить их связь с бортовой нервюрой. При этом обычно бывает целесообразным соединить стенку нервюры со стенкой лонжерона, с которой сила передается на стыковые узлы. Пояса бортовой нервюры должны соединяться с башмаком стыкового узла, для чего на узле желательно предусмотреть небольшие дополнительные элементы крепления (см. рис. 3). В отдельных случаях перестык осуществляется накладкой или специальным фитингом.

Для очень тонких однолонжеронных крыльев иногда из компоновочных соображений бывает целесообразно применять стыковой узел с горизонтальной базой (рис. 12). В качестве такого узла применяется "клык", изготовленный заодно с силовым шпангоутом.

Рис. 11. Стыковое соединение Рис. 12. Стыковой узел с с

горизонтальными проушинами горизонтальной базой.

и дополнительной проушиной для

восприятия поперечной силы

Клык заводится внутрь крыла и стыкуется с лонжероном в точках А и В болтами, работающими на срез под действием реакций R_A и R_B. На рисунке приведены эпюры моментов. На лонжероне, начиная от опоры А, момент падает до нуля. В то же время изгибающий момент по клыку нарастает от опоры А к опоре В.

Так как строительная высота клыка меньше, чем высота лонжерона, то масса клыка, потребная для восприятия им момента, должна быть больше массы лонжерона при восприятии им момента вплоть до опоры В. Но при этом к массе лонжерона надо добавить массу стыковых узлов, которые надо было бы установить на лонжерон для передачи момента и силы на центроплан. Поэтому решить вопрос о целесообразности постановки клыка или узлов с горизонтальными проушинами можно только после сравнения значения массы для каждого конкретного случая, характеризуемого как действующими на крыло нагрузками, так и значением его максимальной строительной высоты.

Ключевые слова и выражения.

Стыковой узел, шарнирный узел, моментный узел, стыковой башмак, односрезное и двухсрезное соединение, совместность восприятия перерезывающей силы, работа на растяжение, работа на сжатие, разрыв и смятие, потребное сечение болта, центр жесткости, центр масс площадей среза, равнопрочность конструкций, площадь наибольшей (наименьшей) жесткости, гребенчатое соединение, эксцентриситет, фитинг, клык.

Контрольные вопросы