Размещено на http://www.allbest.ru

Московский авиационный институт

Национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВО МАИ (НИУ)

Кафедра 101 Проектирование и сертификация авиационной техники

Лабораторная работа №2 по дисциплине "Конструирование деталей и узлов"

Тема: Конструирование элементов болтового соединения

Москва, 2021



Содержание

1. Задание

2. Исходные данные

3. Расчет неподвижного шарнирно-болтового соединения типа «ухо-вилка»

3.1 Определение диаметра болта из условия прочности на срез

3.1.1 Определение диаметра болта из условия прочности по касательным напряжениям на срез (материал 30ХГСА)

3.1.2 Определение диаметра болта из условия прочности по усилиям среза (материал 30ХГСА)

3.2 Определение толщины проушины из условия прочности на смятие 10

Параметры болтового соединения

3.3 Определение размеров (x, y, b) проушин из условия прочности на разрыв

3.4 Проверка прочности проушин на срез

3.5 Конструктивные параметры

4. Расчет подвижного соединения (со втулками)

Особенности подвижного (малоподвижного) соединения

4.1 Определение толщины проушины уха из условия прочности на смятие

4.1.1 Смятие втулки болтом по внутреннему диаметру d

4.1.2 Смятие проушины втулкой по внешнему диаметру D

Параметры болтового соединения

4.2 Определение размеров (x, y, b) проушины уха из условия прочности на разрыв

4.3 Проверка прочности проушины на срез

4.4 Конструктивные параметры

5. Сводная таблица запасов прочности

Список использованной литературы



1. Задание

Требуется разработать конструкцию шарнирно-болтового соединения типа «ухо-вилка» в двух вариантах.

Вариант 1.

Рис.1 Конструкция разъемного неподвижного соединения типа «ухо-вилка»

Вариант 2.Конструкция разъемного подвижного соединения типа «ухо-вилка» со втулками

шарнирный болтовой ухо вилка



2. Исходные данные

Рис.2

Вариант 1

Расчетно-разрушающая сила, действующая на соединение:

В данной работе рассмотрен расчет неподвижного и подвижного соединения со втулками и без.

Материал «уха»: сталь 30ХГСА

Материал «вилки»: ВНС-8А

Материал болтового комплекса: сталь 30ХГСА

Материал втулок: бронза БрАЖМц10-3-1,5 (заменен на сталь 30ХГСА)

Механические характеристики материалов приведены в таблице 2.1 (по табл. 1.1 на 9 стр. [1])



Табл. 2.1

Характеристика	Обозначение	Материал
		30ХГСА	ВНС-2	БрАЖМц 10-3-1,5
Модуль упругости при растяжении (модуль Юнга)	E	210000	190000	100000
Модуль упругости при сдвиге	G	80000		38000
Плотность материала		7850	7800	8000
Удельный вес материала		77009		78480
Предел прочности при растяжении		1080	1250	600
Условный предел текучести		850	1100	220
Предел прочности при сдвиге		648		360
Предельное значение деформации		0,51%	0,66%	0,6%
Удельная прочность материала		14 км	км	7,6 км

Для 30ХГСА:

; для 30ХГСА , тогда:



Для ВНС-2:

; для ВНС-2 , тогда:

Для БрАЖМц10-3-1,5:

; для 30ХГСА , тогда:



3. Расчет неподвижного шарнирно-болтового соединения типа «ухо-вилка»

Произведем расчет неподвижного соединения.

Рис.3

Схема неподвижного соединения.

Схема членения

Детали:

- Ухо

- Вилка

Крепежные элементы:

- Болт

- Гайка

- Шайба

- Шплинт



Таблица 2 Конструктивные параметры

Элемент конструкции	Деформация	Форма разрушения	Конструктивный параметр
Болт	срез	срез	диаметр болта
Ухо	смятие	смятие	толщина уха
	растяжение	разрыв	ширина уха
	срез	срез	-
Вилка	смятие	смятие	толщина вилки
	растяжение	разрыв	ширина вилки
	срез	срез	-

3.1 Определение диаметра болта из условия прочности на срез

3.1.1 Определение диаметра болта из условия прочности по касательным напряжениям на срез (материал 30ХГСА)

По табл.2.1 из [2] выбираем болт, работающий на срез, типа К (с короткой резьбовой частью) из 30ХГСА для разъемного соединения с полем допуска h8 ОСТ 1 31132-80.

Рис.4

Его диаметр найдем из условия прочности на срез по касательным напряжениям:

, где

- действующие напряжения среза;

- расчетно-разрушающие напряжения среза.

Запас прочности по касательным напряжениям будет определяться так:

Действующие напряжения среза определяются по формуле:

, где

- действующее усилие среза;

- площадь среза

Соединение двухсрезное (две плоскости среза болта), поэтому действующее усилие среза будем определять по формуле:

, где P - усилие, действующее на соединение, тогда:

Так как стержень болта имеет круглое сечение, то:

(в расчетах будем за d принимать диаметр тела болта)

Тогда:



Расчетно-разрушающие усилия среза можно определить по формуле:

- коэффициент, который для стали 30ХГСА примем равным [1]

Тогда:

Потребный диаметр болта определим, приравняв действующие и расчетно-разрушающие усилия :

Далее выразим потребный диаметр болта:

Рис4

Подставив значения в формулу, получим:



По ОСТ 1 31132-80 выбираем ближайшее большее значение:

Теперь определим действующие усилия среза:

Тогда, запас прочности по касательным напряжениям:

Условие прочности по коэффициенту запаса прочности выполняется.

По условию прочности по касательным напряжениям диаметр принимается равным 14 мм.

3.1.2 Определение диаметра болта из условия прочности по усилиям среза (материал 30ХГСА)

Для определения потребного диаметра болта необходимо записать условие прочности по усилиям среза:

, где

- действующее усилие среза,

- расчетно-разрушающее усилие среза.

Т.к. соединение двухсрезное (две плоскости среза болта), то действующее усилие среза будем определять по формуле:

, где

P - усилие, действующее на соединение, тогда:

Согласно таблице 2.5 из [2], основанной на ОСТ 1 31100-80, выберем болт из 30ХГСА с расчетным разрушающим усилием среза . По этому условию подходит болт с диаметром стержня и с разрушающей нагрузкой на срез .

По табл. 2.2 [2] определяем его основные параметры:

; ; ; ; ; ; ;

Определим коэффициент запаса прочности по усилиям среза:

Условие прочности по коэффициенту запаса прочности выполняется.

Для дальнейших расчетов принимаем болт с .

Уточним для выбранного болта. Т.к. , а с другой стороны: , то:

3.2 Определение толщины проушины из условия прочности на смятие

Запишем условие прочности по смятию:

, где

- действующие напряжения смятия;

- расчетно-разрушающие напряжения смятия.

Коэффициент запаса прочности:

Действующие напряжения смятия найдем по формуле:

Для уха , а для вилки

Площадь смятия будет равна:



- для уха:

- для вилки:

Тогда в общем виде:

Рис.5

Расчетные разрушающие напряжения для проушины будут равны:

Для разъемного неподвижного соединения

Для уха из 30ХГСА:

Для вилки из ВНС-2

Для определения потребной толщины проушины, приравняем действующие и расчетно-разрушающие напряжения смятия :

Тогда:



Потребная толщина проушины уха:

Потребная толщина проушины вилки:

Рис.5

Таким образом, потребная толщина проушины для уха составляет 12 мм, а для проушины вилки - 6 мм.

Теперь определяем действующие напряжения смятия:

Для уха:

Для вилки:

Определим коэффициент запаса прочности для уха и вилки:



Для уха:

Для вилки:

Условие прочности выполняется.

Параметры болтового соединения

Определим длину болта:

Толщина стягиваемого пакета равна:

Будем использовать низкую гайку с прорезью под шплинт. Гайку выберем по табл. 2.7 [2], по параметрам нам подходит гайка из стали 30ХГСА по ОСТ 1 33048-80. Резьба - М14х1,5, тогда высота гайки H - 8 мм. Размер под ключ S - 19 мм. Диаметр головки D=21,1 мм. Обозначение - Гайка 14-Кд-ОСТ 1 33048-80

Шайбу также возьмём из стали 30ХГСА по ГОСТ 11371-78. Её высота S=2,5 мм, , . Обозначение - Шайба А.14.01 ГОСТ 11371-78

Рис. 6



Дополнительно к размеру болта добавим 2 мм, чтобы болт выходил за гайку.

Таким образом, потребная длина болта будет равна:

Ближайшее большее стандартное значение длины болта по ОСТ 1 31132-80: 38 мм

Значит, будем использовать Болт (2)-14-38-Кд-ОСТ 1 31132-80

3.3 Определение размеров (x, y, b) проушин из условия прочности на разрыв

Рис.6

Определим параметры проушины - x, y, b

Запишем условие прочности на разрыв:

, где

- действующие напряжения разрыва

- расчетно-разрушающие напряжения разрыва

Действующие напряжения разрыва найдем по формуле:



Для уха , а для вилки Площадь разрыва будет равна:

- для уха: (т.к. )

Рис.7

- для вилки:

Тогда в общем виде:

Расчетно-разрушающие напряжения будут равны:

Коэффициент определим по формуле:

, где

- ширина проушины.

Для неподвижного соединения примем , .

Тогда коэффициент будет равен:

Так как , то примем .

Значит,

Выразим ширину перемычки уха, подставив полученные зависимости в записанное ранее условие прочности на разрыв , получим:

Подставим в формулу наши значения:

Тогда, по условию задачи:

Ширина проушины:

Значения размеров проушины вилки определяем аналогично размерам проушины уха:

Тогда по условию задачи:

Ширина проушины:

Выбираем конструктивные параметры обоих проушин:

Рис. 8

;

;

;

Определим коэффициент запаса прочности:

Расчетно-разрушающие напряжения:

-для уха:

-для вилки:

Действующие напряжения разрыва в проушинах уха:



Действующие напряжения разрыва в проушинах вилки:

Тогда, коэффициент запаса прочности будет равен:

-для уха:

-для вилки:

Таким образом, условие прочности на разрыв выполняется.

3.4 Проверка прочности проушин на срез

Рис. 9

Запишем условие прочности при срезе проушины:



, где

- действующие напряжения среза;

- расчетно-разрушающие напряжения среза.

Запас прочности по касательным напряжениям:

Действующие напряжения среза определяются по формуле:

Для уха , а для вилки

Площадь среза будет равна:

- для уха:

- для вилки:

Расстояние будем снимать с чертежа:

Действующие напряжения среза:

-для уха:

-для вилки:

Расчетно-разрушающие напряжения среза будут равны:



, где

- коэффициент, который:

для стали 30ХГСА примем равным [1]

для титана ВНС-2 примем равным [1]

Тогда:

-для уха из ВНС-2:

-для вилки из 30ХГСА

Определим коэффициенты запаса прочности при срезе:

-для уха:

-для вилки:

Условие прочности на срез выполняется.

3.5 Конструктивные параметры

Проушина уха

Материал: ВНС-2

;

;

;

;

;

Рис.10

Проушина вилки

Материал: 30ХГСА

;

;

;

;

;



Болт

Рис.11

Материал: 30ХГСА

ОСТ 1 31132-80 «Болты с уменьшенной шестигранной головкой с полем допуска диаметра стержня h8 и короткой резьбовой частью»

Болт (2)-14-38-Кд-ОСТ 1 31132-80

; ; ; ; ; ;

Гайка:

Материал: 30ХГСА

ОСТ 1 33048-80 «Гайки шестигранные прорезные низкие»

Гайка 14-Кд-ОСТ 1 33048-80

, , , , , ,



Рис.12

Шайба:

Материал: 30ХГСА

ГОСТ 11371-78 «Шайбы»

Шайба А.14.01 ГОСТ 11371-78

, , S=2,5 мм

Шплинт:

Материал: ст.10

ГОСТ 397-79 «Шплинты»

Шплинт 2,5х32.2.029 ГОСТ 397-79

Рис.13



4. Расчет подвижного соединения (со втулками)

Произведем расчет подвижного соединения.

Схема подвижного соединения

Рис.13

Схема членения

Детали:

- Ухо

- Вилка

- Втулки

Крепежные элементы:

- Болт специальный

- Гайка

- Шайба

- Шплинт



Таблица . Конструктивные параметры

Элемент конструкции	Деформация	Форма разрушения	Конструктивный параметр
Болт	срез	срез	диаметр болта
Ухо	смятие	смятие	толщина уха
	растяжение	разрыв	ширина уха
	срез	срез	-
Вилка	смятие	смятие	толщина вилки
	растяжение	разрыв	ширина вилки
	срез	срез	-
Втулка	смятие	смятие	длина втулки

Особенности подвижного (малоподвижного) соединения

1. Одна из проушин подвижного (малоподвижного) соединения должна быть неподвижно соединена с болтом.

2. В данном варианте проушина вилки неподвижно соединена с болтом, так как она соединяется с головкой спецболта. Конструктивные параметры проушины вилки получены в расчете неподвижного соединения (; ; ; ; )

3. Подвижность обеспечивается вращением проушины уха относительно болта. Проушина имеет две втулки.

4. Диаметр спецболта определен в расчете неподвижного соединения. . Стержень болта выполняется с полем допуска f7 как шарнирный.

Диаметр спецболта будет таким же, как и для неподвижного соединения. Т.е. он будет равен d=12 мм по условиям прочности (см. расчёт неподвижного соединения). Материал болта - сталь 30ХГСА, втулки - бронза БрАЖ9-4



4.1 Определение толщины проушины уха из условия прочности на смятие

Толщина проушины уха определяется из расчета по двум вариантам:

1) смятие втулки по внутреннему диаметру d втулки

2) смятие проушины по внешнему диаметру D втулки

Материал втулок - бронза БрАЖМц10-3-1,5

Действующая сила смятия

Толщина проушины: , где 2 - зазор между втулками.

4.1.1 Смятие втулки болтом по внутреннему диаметру d

Определим толщину проушины, найдя длины втулок из условия их смятия под болтом.

Запишем условие прочности по смятию:

, где

- действующие напряжения смятия;

- расчетно-разрушающие напряжения смятия.

Коэффициент запаса прочности:

Действующие напряжения смятия найдем по формуле:

Для уха .



Рис.15

Площадь смятия будет равна:

, где

- длина втулки;

- толщина буртика.

Тогда в общем виде:

Расчетные разрушающие напряжения для втулки будут равны:

, где

- для подвижного разъемного соединения (на основе лекций [3])

- предел прочности материала втулки (БрАЖМц10-3-1,5)

Тогда расчетные разрушающие напряжения для втулки:

Для определения потребной высоты втулки, приравняем действующие и расчетно-разрушающие напряжения смятия:

По конструктивным соображениям втулка получается очень длинной. Меняем материал втулки на 30ХГСА. Тогда:

Расчетные разрушающие напряжения для втулки будут равны:

Рис.15



Втулку выберем по таблице 7.1 [2]. По значению длины нам подходит втулка с буртиком из стали 30ХГСА по ОСТ 1 11124-73. В нашем случае можно взять втулку длиной 32 мм с высотой буртика 1,5 мм.

; ; ;

Тогда толщина уха будет равна:

Определим действующие напряжения смятия:

Тогда, коэффициент запаса прочности для уха:

Условие прочности выполняется.

4.1.2 Смятие проушины втулкой по внешнему диаметру D

Теперь определим толщину проушины из условия её смятия под внешним диаметром втулки.

Запишем условие прочности по смятию:

, где

- действующие напряжения смятия;

- расчетно-разрушающие напряжения смятия.

Коэффициент запаса прочности:

Действующие напряжения смятия найдем по формуле:

, но

Для уха .

Площадь смятия для уха будет равна:

, где

- длина втулки;

- внешний диаметр втулки.

Расчетные разрушающие напряжения для проушины будут равны:

Т.к. соединение втулок с проушиной уха неподвижное (втулка запрессовывается), то примем коэффициент К=1 (на основе рекомендаций, указанных в лекционном материале [3]).

Тогда расчетные разрушающие напряжения для уха из 30ХГСА:



Приравняем действующие и расчетно-разрушающие напряжения смятия и подставим полученные зависимости в выражение для действующих напряжений и выразим потребную толщину проушины:

Тогда потребная толщина уха будет равна:

Определим действующие напряжения смятия:

Тогда, коэффициент запаса прочности для уха:

Условие прочности выполняется.

Длина втулки, определенная из условия смятия по внутреннему диаметру больше, чем из условия смятия по внешнему диаметру. Следовательно, выбираем длину втулки из условия смятия по внутреннему диаметру. Тогда



Параметры болтового соединения

Определим длину спецболта:

Толщина стягиваемого пакета равна:

Будем использовать низкую гайку с прорезью под шплинт. Гайку выберем по табл. 2.7 [2], по параметрам нам подходит гайка из стали 30ХГСА по ОСТ 1 33048-80. Резьба - М14х1,5, тогда высота гайки H - 8 мм. Размер под ключ S - 19 мм. Диаметр головки D=21,1 мм. Обозначение - Гайка 14-Кд-ОСТ 1 33048-80

Шайбу также возьмём из стали 30ХГСА по ГОСТ 11371-78. Её высота S=2,5 мм, , . Обозначение - Шайба А.14.01 ГОСТ 11371-78

Рис 17

Дополнительно к размеру спецболта добавим 2 мм, чтобы болт выходил за гайку. Таким образом, потребная длина спецболта будет равна



Примем .

4.2 Определение размеров (x, y, b) проушины уха из условия прочности на разрыв

Запишем условие прочности на разрыв:

, где

- действующие напряжения разрыва;

- расчетно-разрушающие напряжения разрыва.

Рис.18

Коэффициент запаса прочности:



Действующие напряжения разрыва найдем по формуле:

Для уха

Площадь разрыва для уха будет равна:

Рис.19

Расчетно-разрушающие напряжения будут равны:

Коэффициент определим по формуле:

, где

- ширина проушины.



Для подвижного соединения примем , .

Тогда коэффициент будет равен:

Значит, расчетно-разрушающие напряжения для уха:

Выразим ширину перемычки для уха, подставив полученные зависимости в записанное ранее условие прочности на разрыв , получим:

Подставим в формулу наши значения:

Из конструктивных соображений принимаем

Тогда по условию задачи:



Ширина проушины уха:

В итоге, действующие напряжения разрыва в проушинах уха:

Тогда, коэффициент запаса прочности для уха будет равен

:

Таким образом, условие прочности на разрыв выполняется.

4.3 Проверка прочности проушины на срез

Запишем условие прочности при срезе проушины:

, где

- действующие напряжения среза;

- расчетно-разрушающие напряжения среза.

Запас прочности по касательным напряжениям:



Действующие напряжения среза определяются по формуле:

Для уха

Рис.19

Площадь среза будет равна для уха:

Расстояние будем снимать с чертежа:

Действующие напряжения среза для уха:



Расчетно-разрушающие напряжения среза будут равны:

, где

- коэффициент, который для титана 30ХГСА примем равным:

[1]

Тогда для уха из 30ХГСА:

Определим коэффициенты запаса прочности при срезе для уха:

Условие прочности на срез выполняется.

4.4 Конструктивные параметры

Проушина уха

Материал: 30ХГСА

;

;

;

;



;

Рис.20

Проушина вилки

Материал: 30ХГСА

;

;

;

;

d = 12мм

;

Рис.21

Рис.22

Рис.23



Спецболт

Материал: 30ХГСА

;

;

;

;

Гайка:

Материал: 30ХГСА

ОСТ 1 33048-80 «Гайки шестигранные прорезные низкие»

Гайка 14-Кд-ОСТ 1 33048-80

, , , , , ,

Шайба:

Материал: 30ХГСА

ГОСТ 11371-78 «Шайбы»

Шайба А.14.01 ГОСТ 11371-78

, , S=2,5 мм

Втулка:

Материал: 30ХГСА

ОСТ 1 11124-73 «Втулки с буртиком для запрессовки»

Втулка 1-14-17-32-1,5-Кд.фос.окс-ОСТ 1 11124-73

; ; ; ;

Рис.24

Рис.25

Шплинт: Материал: ст.10

ГОСТ 397-79 «Шплинты»

Шплинт 2,5х32.2.029 ГОСТ 397-79



5. Сводная таблица запасов прочности

Таблица 5

Элемент	Тип разрушения	Условие прочности	Запас прочности
Неподвижное соединение
Болт	Срез
Проушина уха	Смятие		1,01
	Разрыв
	Срез
Проушина вилки	Смятие
	Разрыв
	Срез
Малоподвижное соединение
Болт	Срез		1,28
Втулка	Смятие по d
Проушина уха	Смятие по D
	Разрыв
	Срез
Проушина вилки	Смятие
	Разрыв
	Срез



Литература

1. Т.М. Авдюхина, И.М. Алявдин, В.В. Васильев, А.Ф. Колганов, А.А. Красоткин, В.В. Мальчевский, В.И. Резниченко, А.Н. Степанов, И.А. Шаталов «Конструирование деталей самолета: Учебное пособие к курсовому проектированию» - М.: Изд-во МАИ, 1993

2. А.В. Лещин, Ю.И. Попов «Конструирование узлов планера самолета: Учебное пособие к курсовому проектированию» / под ред. Ю.И. Попова - М.: Изд-во МАИ, 1992

3. Курс лекций по «Конструированию узлов и деталей самолета», читаемый Ю.И. Поповым

4. А.И. Ендогур «Конструкция самолетов. Конструирование деталей и узлов» - М.: Изд-во МАИ, 2013

Размещено на Allbest.ru

...