Проверочный расчет профильных соединений с натягом

единений // Современные материалы, техника и технологии. Научно-практический журнал. 2016. № 4 (7). С. 73-80.

3. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Определение закономерности изменения площади контактной поверхности пластически деформируемых крестообразных проволочных соединений в процессе конденсаторной сварки / Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2016: сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (10-11ноября 2016 года), в 3-х томах, Том 3. Юго-Зап. гос. ун-т., А.А. Горохов, Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016, - с. 208-212.

Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor

Southwest state university, Kursk, Russia

Shumakov Artem Aleksandrovich, postgraduate

Southwest state university, Kursk, Russia

DEFINITION OF LAW OF CHANGE

TEMPERATURES IN THE ZONE OF CONTACT AT

TO CONDENSER WELDING OF WIRE CONNECTIONS

In the given work the approach to a procedure of definition of regularities of change of temperature in a contact zone at different stages of heating surveyed at formation of crosslike connections of proreducing dies during condenser welding.

Key words: condenser welding, crosslike connection, a contact surface, stages of process of heating, a heating temperature, approximate rated expressions.

УДК 621. 81

ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПРОФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

С НАТЯГОМ Кокорев Игорь Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет,

г.Самара, Россия

В данной статье рассматривается выбор профильных соединений с учетом натяга посадки. Соединения проверяются расчетом напряженно-деформированного состояния в системе ANSYS Workbench их 3D-моделей, построенных в системе КОМПАС- 3D. В качестве примера выполнен расчет профильных соединений на квадрате. В результате расчетов получено деформированное состояние моделей соединений в целом, распределение контактных давлений, эквивалентных и касательных напряжений. Результаты работы могут быть использованы для проверочного расчета и окончательного конструктивного оформления валов. Развитие данного подхода позволит выбирать профильные соединения с более точным учетом условий их работы.

Ключевые слова: выбор, проверочный расчет, профильное соединение, натяг.

Одним из важных вопросов при проектировании машин является учет влияния натяга в соединениях типа вал-ступица на их долговечность и несущую способность [1, 2].

Профильные соединения - разъемные соединения типа вал-ступица, в которых ступица насаживается на фасонную поверхность вала (квадратного, треугольного, эллиптического сечения), применяют для передачи больших вращающих моментов от вала к ступице зубчатого колеса, шкива, звездочки и т.п. При реверсивной работе соединения должны иметь натяг.

По сравнению со шпоночными и штифтовыми соединениями профильные соединения имеют меньшую концентрацию напряжений и более высокую точность центрирования. Недостаток - сложность изготовления профильной поверхности.

В данной работе предлагается выбор профильного соединения вала со ступицей проверять расчетом напряженно-деформированного состояния модели узла, состоящей из вала и колеса (ступицы) с соответствующей фасонной посадочной поверхностью. Для расчета используется система ANSYS Workbench. Геометрическая модель узла строится в системе КОМПАС-3Б.

Программный комплекс ANSYS является одним из лидирующих продуктов конечно-элементного анализа среди CAE-систем (систем автоматической разработки), позволяющий выполнять практически все виды инженерного анализа. Платформа Workbench имеет современный интерфейс, модуль геометрического моделирования на базе ядра Parasolid и позволяет объединить ANSYS с другими CAD-системами (системами автоматического проектирования). Среди множества CAD-систем система КОМПАС-3D выделяется удобным интерфейсом, легкостью и простотой освоения, а также большим количеством функций, команд и библиотек.

В качестве примера выполнен уточненный расчет профильного соединения на квадрате 45*45мм со скругленными углами (ГОСТ 9523-67), длиной 46мм, нагруженного вращающим моментом Т=720Нм, для двух посадок с натягом по граням ¿^=0,015мм и ¿^=0,009мм. Материал вала и ступицы - сталь 45, термообработка улучшение, предел текучести 0у=540МПа.

В ходе работы программы получено деформированное состояние узлов в целом, распределение контактных давлений и эквивалентных и касательных напряжений по всем деталям соединений, учитывающее влияние их взаимодействия и посадок.

На рис.1 и 2 показаны основные этапы решения задачи для профильного соединения с натягом ¿/=0,015мм: конечно-элементная модель; заделка - фиксация на наружной цилиндрической поверхности ступицы и равенство нулю нормального перемещения на торце вала; нагрузка - вращающий момент, приложенный на грани удаленного торца вала; полное перемещение; распределение эквивалентных и касательных напряжений и контактных давлений. Полное перемещение вала 0,026126мм. Максималь-

ное эквивалентное напряжение возникает в ступице и равно <7-жв=234,97МПа.

а)

u>

г)

A: Static Structural

Equivalent Stress

Type: Equivalent (yon-Mises) Stress Unit: Pa Time: 2

07.10.201516:06

1.1186e8 Max

9.9644e7 S.7432e7 7.522e7 B.3008e7 5.0796e7 3.8584e7 2.6372e7 1.416e7 1.9478e6 Min

u-

à)

A: Static Structural

Equivalent E Type: Equivalent (von-l Unit: Pa Time: 2

07.10.2015 16:0

U-

e)

A: Static Structural

Pressure Type: Pressure Unit: Pa Time: 2

07.10.2015 16:07

2.4371e8 Max

2.1663eS 1.S955eS 1.6247e8 1,3539e8 1,0831e8 8.1235e7 5.4157e7 2.7078e7 О Min

-ш

Рисунок 1 - Результаты решения задачи для профильного соединения с натягом ¿7=0,015мм: а) - конечно-элементная модель; б) - заделка и нагрузка; в) - полное перемещение; г) - эквивалентные напряжения в вале; д) - эквивалентные напряжения в ступице; е) - контактное давление на рабочих

участках граней вала;

а)

A: Static Structural

Pressure Type: Pressure Unit: Pa Time: 2

07.1 0.2015 1 6:03

1.8883e8 Max

1.6785e8 1.46S7eS 1.2589e8 1.0491 e8 8.3925e7 6.2944e7 4.1 963e7 2.0981 e7 0 Mill

0.000

0.080

0.040

6)

A: Static Structural

Shear Stress

Type: Shear Stress (XV Plane) Unit: Pa

Global Coordinate System Time: 2

14.10.2015 12:22

ЕЩЭ

3.8607e7 Max

3.0027e7 2.1446e7 1.286567 4.2845e6 -4.2962e6 -1.2877e7 -2.1 458e7 -3.0038e7 -3.8619e7 Min

0.000

0.0S0

0.040

Рис.2. Результаты решения задачи для профильного соединения с натягом ¿7=0,015мм: а) - контактное давление на гранях в отверстии ступицы;

б) - касательные напряжения в вале

а)

A: Static Structural

Static Structural Time: 2. s 13.10.2015 15:40

[7T| Fixed Support [Б] Displacement [C] Moment: 720. N

A: Static Structural

^vgjffi Tota IDeformation

Type: Total Deformation Unit m Time: 2

13.10.201515:42

A: Static Structural

Shear Stress

Type: Shear Stress (XT Plane) Unit Pa

Global Coordinate System Time: 2

13.10.201515:43

3.8658e7 Max

I 3.0066e7

2.1 474e7

1.2883e7

4.2905e6

-4.3015e6

-1.2893e7

-2.148567 -3.007767 -3.8669e7 Min

Шт

Щ

Рис.3. Результаты решения задачи для профильного соединения с натягом ¿2=0,009мм: а) - заделка и нагрузка; б) - полное перемещение; в) - эквивалентные напряжения в вале; г) - эквивалентные напряжения в ступице; д) - касательные напряжения в вале;

а)

А: Э1а11с Ягийига!

Ргеэзиге Туре: РгезБиге ипЛ: Ра Т1те: 2

13.10.2015 15:44

1.9291е8 Мах

1.71 48е8 1.5004е8 1.2861 е8 1.071 7е8 8.574е7 6.4305е7 4.287е7 2.1 43587 ОМт

Ш

0.000_ _0X180

0.040

А: ЯаНс ЯгисШга!

Ргевзиге Туре: Ргевзиге ипН: Ра Т1те: 2

13.10.2015 15:45

1.5046е8 Мах

1.3374е8 1.1702е8 1,003е8 8.3586е7 6.6869е7 5.01 52е7 3.3435е7 1.671 7е7 ОМт

ЩИ

0.000_ _0^030

0.040

Х"7Ч

Рис.4. Результаты решения задачи для профильного соединения с натягом ¿2=0,009мм: а) - контактное давление на рабочих участках граней вала; б) - контактное давление на гранях в отверстии ступицы

Максимальное эквивалентное напряжение в вале аэкв=111,86МПа. Во всех деталях максимальное эквивалентное напряжение меньше предела те-

кучести материала. Максимальное значение касательных напряжений в вале ттах=38,607МПа. Максимальное контактное давление на рабочих гранях вала и в отверстии ступицы соответственно ртах=243,71МПа и ртах=188,83МПа.

На рис. 3 и 4 приведены результаты решения задачи для профильного соединения с натягом ¿2=0,009мм. Максимальное эквивалентное напряжение возникает в ступице и равно аэкв=186,7МПа. Максимальное эквивалентное напряжение в вале аэкв=89,504МПа. Во всех деталях максимальное эквивалентное напряжение меньше предела текучести материала. Максимальное значение касательных напряжений в вале ттах=38,658МПа. Максимальное контактное давление на рабочих гранях вала и в отверстии ступицы соответственно ртах=192,91МПа и ртах=150,46МПа.

Таким образом, получено напряженно-деформированное состояние профильного соединения вала со ступицей с учетом взаимодействия образующих его деталей и натяга.

Показано влияние натяга на работу деталей профильного соединения.

Полученные результаты могут быть использованы для уточненного расчета и окончательного конструктивного оформления валов. Развитие данного подхода позволит совершенствовать выбор профильных соединений с более точным учетом условий их работы.

Список литературы

1. Кокорев И. А., Лашманова Е.В. Расчет цилиндрических соединений с натягом / И.А. Кокорев, Е.В. Лашманова // Ашировские чтения: сб. трудов IX Международной научно-практической конференции, 26-29 августа 2012 г. Том 1. - Самара. Самар. гос. техн. ун-т, 2012. - С. 186 - 188.

2. Кокорев И.А., Лашманова Е. В. Влияние посадки на напряженное состояние деталей шпоночного соединения / И. А. Кокорев, Е.В. Лашманова// Перспективное развитие науки, техники и технологий: материалы III Международной научно-практической конференции (18 октября 2013г.). Том 2. - Курск. Юго-Зап. гос. ун-т, 2013. - С. 145 -148.

Kokorev Igor Alexandrovich, associate professor

Samara state technical university, Samara, Russia

THE CHECKING CALCULATION OF THE PROFILE JOINTS WITH TIGHTNESS

Abstract. This article considers the choice of the profile joints, taking into account the interference fit. These joints are checked by calculation of stress-strain state in the ANSYS Workbench system of their 3D- models, built in the KOMPAS-3D system. As an example the calculation is made for the profile joints on the square. The calculation results obtained strain state of the model joints, the distribution of contact pressures, equivalent and shear stresses. These results can be used for checking calculation and final designing of the shafts. The development of this approach will allow to choice the profile joints with a more accurate view of their working conditions.

Keywords: choice, checking calculation, profile joint, tightness.