автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методов расчета и проектирования фрикционно-винтовых соединений автомобилей

На правах рукописи

Шамсутдинов Ильдар Рафисович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННО-ВИНТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Набережные Челны - 2004

Диссертация выполнена в Камском государственном политехническом институте

Защита состоится 2 июля 2004 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в Камском государственном политехническом институте по адресу: 423810, г. Набережные Челны, Проспект Мира, 69/18, тел. (8552) 53-73-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Камского государственного политехнического института

Автореферат разослан 31 мая 2004 г.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Фасхиев Хакимзян Амировнч

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитриев Сергей Васильевич кандидат технических наук, доцент Павленко Петр Дмитриевич

Ведущая организация

Открытое акционерное общество автомобильный завод «Урал» (ОАО АЗ «Урал», г. Миасс)

Учёный секретарь диссертационного совет; кандидат технических наук, доцент

Симонова Л А

¿оое-у 2

//¿у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В любых механических устройствах, в том числе и в конструкциях автомобилей, весьма широко используются фрикционно-винтовые (клеммовые) соединения типа вал-ступица, обеспечивающие передачу вращательного движения между этими деталями От качества -этих соединений во многом зависит надёжность машин, стоимость их производства и эксплуатации. Качество соединения вал-ступица в каждом конкретном случае зависит от выбора типа соединения, от правильности определения параметров этого соединения Известны и широко используются различные типы этих соединений

Используемые до сих пор в инженерной практике методы расчетов клем-мовых соединений базируются на грубых допущениях и носят проверочный характер и позволяют провести лишь приближенную оценку прочности клем-мовых винтов В настоящей работе приводятся и обосновываются методы расчета клеммовых соединений, позволяющие определять более точно размеры всех элементов деталей соединения и, при необходимости, оценивать их прочность с достаточно высокой степенью достоверности.

Разработка научно обоснованных рекомендаций и соответствующих методов расчётов клеммовых соединений является одной из актуальных задач практически для всех отраслей машиностросьлл и особенно для автомобилестроения

Цель диссертационной работы заключается в разработке научно обоснованных методов сравнительного анализа, расчета и проектирования клеммовых соединений, широко применяемых в узлах и агрегатах автомобильной техники.

Задачи исследования. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследования диссертационной работы:

- провести сравнительный анализ существующих в автомобильной технике конструкций клеммовых соединений и выявление резервов улучшения их технических характеристик;

- разработать методы расчёта и проектирования клеммовых соединений с одной симметричной прорезью, с накладкой и с боковой прорезью;

- выявить характер силового взаимодействия элементов в различных клеммовых соединениях и факторы, влияющие на работоспособность соединения;

- разработать методику экспериментального исследования клеммовых соединений различных типов и комплекс для ее реализации.

Объект исследования. Клеммовые соединения, используемые в различных автомобильных конструкциях и в машиностроительных конструкциях, в частности.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов механики машин, сопротивления материалов и теории упругости Экспериментальные исследования реальных изделий проведены по разработанной методике с примуениш ТЕЩометрирования с использованием уни-

■ гьндя

► 'А

г-;-6-

версальной испытательной машины «НОРМАМ-212» и тензометрической системы «СИИТ-3» с блоком дистанционного релейного переключения.

Достоверность и обоснованность. Достоверность принятых в диссертационной работе решений подтверждается корректным применением основных положений механики машин, согласованностью результатов теоретических исследований с результатами экспериментов на натурных образцах

Научной новизной диссертационного исследования являются:

- графо-аналитический метод определения силовых соотношений в различных конструкциях клеммовых соединений, заключающийся в разбиении конструкции клеммы на отдельные участки и рассмотрении их равновесия с учетом внешних и внутренних силовых факторов Расчет силовых соотношений в сопряжении с учетом сил давления отдельных участков и отклонения их от нормали к поверхностям трения позволяет более точно рассчитывать и проектировать элементы клеммовых соединений по критериям работоспособности;

- расчетно-экспериментально установленные факторы и степень их влияния на несущую способность клеммовых соединений. В частности, определено влияние сдвигу, взаимной ориентации осей приложения внешней нагрузки и оси болтов крепления в клеммовом соединении с одной прорезью; геометрических размеров и материала клеммового рычага на силовые соотношения в соединении. Установлено: наличие масла на сопрягающихся стальных поверхностях снижает несущую способность соединения по сравнению с соединением с сухой поверхностью;

- методика экспериментального исследования клеммовых соединений различных типов и комплекс для ее реализации, включающий, в отличие от известных, универсальную пару вал-стойка, в которую монтируются исследуемые объекты, включающий универсальное приспособление для монтажа исследуемого соединения, сервогидравлическую нагружающую машину, измерительно-расчетную аппаратуру, позволяющие с необходимой точностью установить силовые соотношения в клеммовых соединениях

Практическая ценность. Разработанные методы проектирования и расчета клеммовых соединений позволяют создать агрегаты автомобилей с необходимой надежностью Метод расчета клеммовых соединений был использован при проектировании картера переднего ведущего моста полноприводных автомобилей КамАЗ Замена фланцевых соединений на клеммовое в конструкции картера переднего моста позволила снизить себестоимость изготовления на 235,3 рубля, массу моста - на 8,8 кг. Экономический эффект от внедрения клеммового соединения в конструкцию моста на годовую программу в объеме 6 тысяч полноприводных автомобилей составил 1412 тыс. рублей

Апробация работы. Диссертация рассмотрена на международных научно-технических конференциях' «Технико-экономические проблемы промышленного производства» (Набережные Челны, 2001 г); «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан» (Набережные Челны, 2001 г.) Результаты исследований докладывались на выездном заседании экспертного совета ВАК «Машиностроение» (Набережные Челны, 2001 г ); на расширенном заседании Научно-технического совета ОАО «КАМАЗ» с участием ведущих

ученых КамПИ (Набережные Челны, 2004 г.); на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и технология металлов» Казанской государственной сельскохозяйственной академии (Казань, 2002 г.) Результаты работы использованы при проектировании передних ведущих мостов перспективных полноприводных автомобилей семейства КамАЗ, а также в учебном процессе в КамПИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных рабог, в том числе одна монография в соавторстве.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. Общий объем диссертационной работы 122 страницы машинописного текста, включающего 52 рисунка, 16 таблиц и список использованной литературы из 103 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы научная проблема, цель, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор соединений вал-ступица, используемых в современных машиностроительных конструкциях, достоинства и недостатки, присущие этим соединениям; приведён анализ методов расчётов и проектирования. При анализе все соединения валов со ступицами насадных деталей в зависимости от принципа передачи вращающего момента разделены на три группы Установлено, что наименее изученными являются распространённые виды соединений вал-ступица - фрикционно-винтовые (клеммовые).

Проведён обзор клеммовых соединений, используемых в современных машиностроительных конструкциях, их достоинства и недостатки; приведён анализ методов расчётов и проектирования. При проведении анализа клеммовые соединения из конструктивных соображений, в зависимости от принципа приложения нагрузки и передачи вращающего момента на клеммовый рычаг, а также от способа затяжки клеммы разделены на три типа. Выявлены недостатки современных методов расчётов этих сое""чрчий по критериям их работоспособности На основании анализа конструкций, а также на основании анализа методов расчётов и проектирования, описанных в современной научно-технической литературе, сформулирована цель работы и задачи исследования.

Во второй 1лаве приведён силовой анализ клеммовых соединений трех типов: соединения с симметричной прорезью, соединения с накладкой и соединения с боковой прорезью Определены силы взаимодействия клеммового рычага с валом, характер изменения этих сил при приложении крутящего момента Т, осевой силы Fa, а также при приложении совместно крутящего момента и осевой силы. Из условия неподвижности клеммового соединения при воздействии на рычаг внешних сил определяются оптимальные значения размеров' диаметр виита (болта), толщина перемычек, длина, Bbicoia и ширина клеммы, а также остальные размеры, определяющие габариты соединения Из условия обеспечения прочности клеммового соединения назначаются материалы клеммового рычага, накладки и винта (болта) Приводится анализ работы соедине-

ния в случаях, когда крутящий момент Т постоянен по направлению, а также в случаях, когда момент изменяется по симметричному циклу от (-Т) до Т)

Конструкция клвммпвого соединения с симметричной прорезью показана на рис 1, где клеммовый рычаг 1 установлен на валу 2 В результате завинчивания гайки 4 создаются силы затяжки /•'„„ соединения, обуславливающие прижатие элементов рычага к валу с силами, необходимыми для обеспечения не-проворачиваемости вала относительно рычага под действием передаваемого момента Т.

Foi / . \ Fm

Fiam N.

/у*® a"l\

Fon Fon

F03

Рис. 1. Силовое взаимодействие элементов клеммового соединения с симметричной прорезью до приложения момента

Клеммовый рычаг условно разделен на три элемента, номера которых на рисунке заключены в кружки. Можно утверждать, что элемент 1 после сборки соединения находится под действием сил: Fwm, F03, действия элемента 3 и F0, давления вала, которая при гладких сопрягаемых поверхностях направлена по нормали к ним, то есть проходит через ось О вала.

Условия равновесия элементов 1, 2 и 3 в этом случае описываются следующими уравнениями:

F„„ + +

/\„„, + (!) /•"„„„ + + •

Углыа{11 и «„, между направлениями сил /*оь /"'о:, F0}2 (см- рис.1, а):

Г (d,+s)

а - arctg

2 а

(2)

При приложении на клеммовый рычаг момента Т одним из условий неподвижности элемента 1 относительно вала является равенство нулю моментов сил FJum, F, и Гц (рис. 2, а), приложенных к элементу. Это равенство обеспечивается, если линии действия сил пересекаются в точке М. Другим условием неподвижности элемента 1, является равенство нулю векторной суммы этих сил, то есть,

F„m+F,+F„. (3)

Заметим, что линия действия равнодействующей F сил давления вала на рассматриваемый элемент касается круга трения. То же можно утверждать о силах Fjam, Fi и F3], действующих на элемент 2

/•'„„„ + f1 + /•;,. (4)

Сила Fj давления вала на элемент 3 уравновешивается силами Fn и F:s действия на этот элемент элементов 1 и 2, соответственно, то есть

(5)

5)

h/

Fv

/г'

Ь - Fs,

F,

Рис. 2. Силовое взаимодействие элементов клеммового соединения с симметричной прорезью при приложении момента

Углы «,, и а, между направлениями действия сил давления вала /7/, /■% на элементы 1, 2 и направлениями сил /7);, Р32 действия на эти элементы элемента 3, соответственно, определяются из выражений:

С

2 г Sln arctg\ —

I

(d

arctg

+ S)

+ arcsin

\d„+d)

d, +S

На рис 2, б треугольниками сил представлены уравнения (3) и (4) равновесия элементов 1 и 2 в момент начала проскальзывания клеммового рычага относительно вала, а совокупностью отрезков пт, тк и гп- уравнение (5) равновесия элемента 3 клеммового рычага в тот же момент.

Момент 7, стремящийся повернуть клеммовый рычаг относительно вала, уравновешивается моментами сил F¡, F2 и Fu то есть

Т = 0,5 dB sin<р (F] 4 F2 f/•,) (7)

Если известно расстояние а между осями винта и вала, то нетрудно определить положения точек тип (см рис. 1, а) приложения равнодействующих сил давления F¡, и F: вала на элементы 1 и 2, соответственно: они расположены на касательных к кругу трения, проходящих, соответственно, через точки Ми N. Равнодействующая F¡ сил давления вала на элемент 3 также направлена по касательной к кругу трения, параллельной линиям действия сил F¡3, и F:¡. Из рис.2, б можно заключить, что

F, = ^, К = F, /ч = F„ Í-L + -Ll (8)

sina, sina2 lZai)

Подставляя выражение (8) в уравнение (7), получим

Т = 0,5 ds sin tp (csea, + сьса, + ctga¡ + ctga2), (9)

откуда следует, что для обеспечения неподвижности соединения гайку необходимо затянуть так, чтобы ее головка и головка болта действовали на рычаг с силой, не меньшей

F-'T 7--2Г---— -V (10)

ав sin tp (ese a¡ + ese a2 + ttga1 + ctga2)

Зная величину FMrn, можно определить значения сил

— . (П)

tga, tga2

и оценить прочность перемычек, связывающих элемент 3 с элементами 1 и 2 по условиям

F F

°>"i = Г^Г - Нто' l7,,'n = и 'сГ^Ним (12)

о ó, b о2

где Ь - длина ступицы клеммового рычага; д¡ и д> - толщины перемычек, гт/чп, аРП2 - напряжения растяжения, действующие в поперечных сечениях перемычек, а [а]р„ - допускаемые напряжения.

Условие прочности винта, с учётом напряжений кручения, возникающих в стержне при завинчивании гайки,

=5'2 f,t = [°"L. пз)

л а:

где [в]ы> - допускаемое напряжение растяжения в стержне винта; d, - внутренний диаметр резьбы.

Совместное решение уравнений (6), (10)-(13) позволяет определить: диаметр болта (винта) d, соответствующий внутреннему диаметру резьбы d,, ширину клеммы Ь, толщины перемычек 5, и 62, а также размер

Я = dB i S2, (14)

то есть все размеры, определяющие конструкцию клеммового соединения.

Оптимальные значения этих величин можно получить, решая приведённые выше уравнения с помощью компьютера. Для этого автором разработан алгоритм (рис.3) и прикладная программа расчета элементов клеммовых соединений в среде Excel.

На основании обработки результатов расчётов клеммовых соединений установлено, что в соединениях валов (диапазон диаметров dB = 20 100 мм) с рычагами, выполненными из сталей с пределами текучести от 200 до 250 МПа, при использовании болтов из сталей классов прочности 3,6 или 4,6 предварительно можно принимать толщину перемычек и номинальные диаметры винтов, соответственно,

5 = (0,1 0,04)ds, d =(0,35 0,2) d„. (15)

Подставляя в (6) полученные значения толщины перемычек и номинальные диаметры винтов, можно определить величины углов а; и а:.

Подставив значения а, и а2 в уравнение (10), определяем необходимую силу затяжки винта F^. Далее, определив значения сил по формулам (11), проверяется прочность перемычек по уравнению (12), а по формуле (13) - прочность винта Ширину прорези для указанного выше диапазона d„ следует назначать в пределах 0.5 .2 мм (см. рис. 2.1).

Конструкция клеммового соединения с накладкой показана на рис.4. При сборке соединения винты", соединяющие клеммовый рычаг 2 с накладкой 1, завинчивают с одинаковыми моментами; при этом каждый из винтов окажется под действием растягивающей силы /•"„„; на накладку с такой же силой действует головка каждого из винтов Как и в предыдущем случае, рассматриваемое устройство условно разделим на три элемента. Элемент 1 нагружен силами. Fjam, F,, действия элемента 2 на элемент 1 и F'i~ равнодействующая сил давления вала, которая направлена радиально, от центра О.

Так как элемент находится в состоянии равновесия, линии действия этих сил пересекаются в одной точке М. Элемент 2 нагружен силами: Fmm, F2, действия элемента 1 на элемент 2 и F', - равнодействующей сил давления вала; линии действия этих сил пересекаются в точке N. Элемент 3 находится под действием параллельных сил F,„„ и силы F's 2 F,„„ давления вала.

* На чертеже винты и штриховка вала условно не показаны, оси винтов совпадают с линиями действия сил F„m. F0h Foi

Начало

Ввод начальных данных (Т, (¡ю [о]вр, 5|, 62, Л, 0

2 Расчет а = 0,5 (</, + ¿)

г

3 Расчет

[<1„ +5 а. = ига%\ - | + агСБШ

К +<5 ,

а, = (1гЦ£\- - агсвш

I </,+£/ '

{■> ( К+<5ТЛ

2 г яп агае\ ——

I к-^

с/.+З

I Г''

2 ,

4 Расчет

2 Г

£/„ вт^» (сэса, +с5са; + + с/#а2)

5 Расчет ст,

5,2

Нет

Расчет к,, =

А..

1 Расчет Ь = — "

7 В заранее введенной таблице в зависимости ог с) выбирается высота гайки Нг и диаметр описанной окружности гайки на плоскость, перпендикулярной ее оси О

1

8. Расчет н

1

9. Расчет / , >я + //г

г

10. Расчет А = ОД^+^ + Д)

Вывод на экран: Ь, Н, и, А

С

Конец

Рис. 3. Алгоритм расчета клеммового соединения

На рис. 4, б даны планы сил, приложенных к элементам соединения. Отрезки ок, о1 и оп'=от' пропорциональны (в масштабе /и - — [Н/мм]) величи-

оп'

нам сил У7,, Г2) и отрезки кп ' и 1т '=кп'- величинам сил F'^ .

Рис. 4. Силовое взаимодействие элементов клеммового соединения с

накладкой

Если к рычагу приложить момент Т, то силы давления вала на каждый из выделенных элементов изменятся и по величинам, и по направлениям: они окажутся направленными по касательным к кругу трения. При этом нагрузка на левый винт увеличится, а нагрузка на правый винт уменьшится. О соотношении между силами можно судить по рис.4 б, где отрезок от окажется пропорциональным силе Foi, действующей на левый винт, отрезок on - пропорциональным силе F02, действующей на правый винт, отрезки ок и о/ пропорциональны, соответственно, силам F,: , F_,, , а отрезки кп и 1т, соответственно, пропорциональны силам F3 и Ft . Сила Fol, растягивающая левый винт, возрас-

тет на величину, /j тт' [Н], а сила Fo:, растягивающая правый винт, уменьшится на величину рпп'. Таким образом,

Fm = F(om + ¡л тт , a /•"„, = F1ит + р тт (16)

Но сумма сил

/•;„+ Fo: = 2 Flam =/•-,. (17)

Условие относительной неподвижности вала и элементов клеммы

Г = 0,5 dH sinp (/•; +f2 + F,). (18)

Используя план сил (см рис 4, б), где длины отрезков mi, кп и (от+оп) пропорциональны величинам силы F¡, F, и Fh соответственно, а длины отрезков ок и ol пропорциональны величинам сил взаимодействия элементов 1 и 2 Fn и F2], соответственно. Выразим силы Fl:, F,h F: и F¡ через силу F,: F,, = F,, = F, cosa,,

f F» _ cosg'

cosa, cosa, F3 = Fm + Frp = F, sin a, + F, sin a, - F, (sin a, + cosa, lga2).

Тогда

T --0,5 da smp F, 1 +

- + sina, + cosa, tga-

откуда нетрудно определить значение величины силы F,. 2 Г

/г =-------

, cosa,

с1В sinp 1+ — + sina, + cosa, íga, ^ cosa.

Значение величин углов a¡ и a2 можно определить по рис.4, а Так как

(19)

(20)

(21)

, 0,5« ^ Л)

а, = агс(г\---| + arcsin

1 0,5(rf,+rf) + I

р sin

arctgl

0,5 (rf, +¿>) 0,5 (</, + d) + 1

a, - arctgl

0,5 (rf.+g) 0,5(rf. +rf)+l

0,5(Í/, + 6)

0,5(rf, + ¿)

p sin arclg\

{ {0,5(d. +rf) + l 0,5(rf, + á)

(22)

Силы взаимодействия элементов 1 и 2

Fp =F,,=F1 cosa,. (23)

Условие прочности перемычки, объединяющей элементы 1 и 2'

<TPn^<[a]tn. (24)

Здесь ¿>- длина ступицы (ширина клеммы), а где [а]т - допускаемые напряжения растяжения. Нагрузка на наиболее нагруженный винт

F„ = F] sin a, (25)

Гила предварительной затяжки каждого из винтов при сборке

/•"„,= 0,5 F{ (sin а, + eos в, lga2). (26)

Условие прочности наиболее нагруженного (левого) винта с учетом напряжений кручения, возникающих при его завинчивании:

aBPJ'2-FT <[alF. (27)

п й;

Здесь d, - внутренний диаметр резьбы.

Анализ рассматриваемых соединений позволил заключить, что их целесообразно проектировать в области соотношений

у/- — = 0,2 0,3 И — - 0,1 0,15. (28)

<1, d.

Здесь d - номинальный диаметр виша.

Конструкция клеммового соединения с боковой прорезью показана на рис. 5. При сборке соединения винт проходит через гладкое отверстие в элементе 1 клеммового рычага (рис.5, а) и ввинчивается в резьбовое отверстие, выполненное в элементе 3 При этом элементы 1 и 3 стягиваются силой Fstlm, вследствие чего элемент 1 оказывается под действием сил: Ршт, F„¡ давления вала и Fon действия элемента 2\ элемент 2 оказывается под действием сил: Fo? давления вала, Fo:, и F0n действия элементов, соответственно, 1 и 3, а элемент 3 - под действием сил: Fmm, F0¡ давления вала и Р0гз действия элемента 2. План этих сил представлен правее рассматриваемого изображения.

Если к клеммовому рычагу приложить момент Т, поворачивающий систему в направлении вращения часовой стрелки (см. рис.5, б), то сила давления головки винта F„ окажется больше силы F,u,„, а направления и значения величин сил давления Fh F¡ и F3 вала на элементы, соответственно, 1, 2 и 3 изменятся. Они будут направлены по касательным к кругу трения. Вследствие относительной неподвижности клеммового рычага и вала, линии действия сил F„ F, и F2/ пересекаются в точке М, линии действия сил Fn, F2 и F3, пересекаются в точке А', а сила F¡ направлена параллельно линиям действия сил Fe и F2¡. План этих сил представлен правее рассматриваемого изображения.

Как и для соединений типов А и Б, можно записать:

Г = 0,5 dB sin(F,+F2 + Fy). (29)

В этом выражении значения величин сил F¡, и F¡ можно выразить через значение величины силы F„ (см. план сил).

F, = -5- , Рг = F' 'ga-' и F^F. (30)

sin a, ^ 'ga2/

Подставляя эти значения в (29) и решая полученное уравнение относительно F„, можно определить значение наибольшей нагрузки на винт:

F >__2 Т sina; cosa,__^

rf, sinp (sina, + sina, +sm(a, + a2)) Значения величин углов и а: определяются из выражений, полученных с помощью рис. 5, б:

а)

2 1

6)

Рис. 5. Силовое взаимодействие элементов клеммового соединения с боковой прорезью

а _ (dt+d) sin в, KS (rf, +ó"4) sin a, +rf, sinp ' dt sin^>

d, +SL + LC eos a2

tga, =-=---——-i-. (32)

a dt i óL

Здесь 5K и 5, - толщины ступицы в зонах точек К и L, соответственно, а d - номинальный диаметр винта. Из технологических соображений целесообразно назначать Sk -SL S. С учетом этого замечания выражение (32) принимает вид' d, sin (р

' ч — • (33)

(d, + ¿>)cosa.

Для решения этих трансцендентных уравнений можно использовать метод, описанный при рассмотрении соединений с симметричной прорезью.

Таким образом, чтобы исключить проворачиваемость клеммового рычага относительно вала, необходимо обеспечить условие

/г >_2 Т sin«2 cosa,_

sin<c (sina, +ЫПОГ, +sin(a, +a2)) При нагружении соединения моментом Т сумма сил, приложенная к элементу 3,

F, = Л, + F. =Fm=Fa (35)

Из плана сил (см.рис.5, а) следует

(36)

а из плана сил (рис.5, б)

—• (37)

tga,

Подставив эти значения F31 и Fon в уравнение (35), после соответствующих преобразований, определим величину силы затяжки винта, обеспечивающую непроворачиваемость деталей соединения,

F = F, sm(g, + а2) sinа02 eosа0, ^gj

sin(a„, + a02) sina, cosa. Если номинальный диаметр винта равен d, то (d,+d)

, № /ЮЧ

a02=arctg (39)

(d. +°к)

Наибольшее значение силы F0n взаимодействия элементов / и 2

Fu - ««,„ ■ (40)

Условие прочности рычага в переходном сечении (зона точки К):

(41)

ь д„

Здесь Ь - длина ступицы (ширина клеммы), а [о]№ - допускаемые напряжения растяжения. Условие прочности винта, с учетом действия напряжений кручения в результате его завинчивания,

= 5'2 í' £ Hw ■ (42)

тг a,

Здесь [a]up - допускаемые напряжения растяжения винта

Если момент Т действует в направлении, противоположном направлению вращения часовой стрелки (см. рис.5, в), то линии действия сил F¡ и F2 образуют с осью винта, следовательно, и с направлением действия силы F, углы а, и а2 соответственно Эти углы можно определить из уравнений:

\d, 1 ) c°sa,

(rf + ) cosa,-d. sine ....

tga2 = -у ^-:-^ . (44)

\d„ +SK) cos a.

Условие относительной неподвижности вала и рычага определяется аналогично условию (34)'

2 Г sin a, cosa. ....

F.Z--,--'-J-(45)

rf, sin <p (sin a, + sin a2 + sin^a, + a2 J)

Чтобы обеспечить это условие, винт должен быть затянут с усилием

F = F- Sm(ai + "i) Sltlg« COSg0l "" sm(a(JI + a02) sina, cosa.

При действии момента в направлении, противоположном направлению вращения часовой стрелки, силы F¡, = F,2, растягивающие ступицу в зоне точки L, больше сил Fu = F2I, растягивающих ступицу в зоне точки К, поэтому прочность ступицы должна проверяться в этой, более опасной зоне. Сила

/■;, = /•. (47)

<g<*7

Прочность перемычек и прочность винта могут быть проверены с помощью условий прочности (41) и (42).

При проектировании клеммового соединения следует иметь в виду, что соединение оказывается менее материалоёмким, если винт расположить по отношению к направлению действия момента Т в соответствии с изображением на рис 5, в. Это объясняется тем, что в этом случае нагрузка на вчнт оказывается существенно меньшей, поэтому диаметр винта может быть принят меньшим. Иное расположение винта по отношению к направлению дейст шя момента может быть оправдано коне груктивными соображениям, а также условиями сборки и разборки соединения

В третьей главе приводится описание экспериментальных исследований клеммовых соединений с симметричной прорезью и с накладкой, а также анализ полученных результатов. Цель экспериментального исследования заключается в проверке степени достоверности принятой гипотезы силового взаимодействия элементов клеммового соединения.

В качестве объектов экспериментального исследования были приняты клеммовые соединения типа А и Б (рис.6). В этих соединениях на элемент вала I, диаметр которого выполнен по размеру 70 0 oí мм, устанавливается насадная деталь - клеммовый рычаг 2 соединения типа А (рис.7), посадочный диаметр

которого выполнен по размеру 70+О'134/+Ооб мм. В соединениях, таким образом, обеспечивается условие, что действительные размеры посадочных поверхностей практически одинаковы.

тип А

Рис. 6. Экспериментальные объекты клеммовых соединений с симметричной прорезью и с накладкой

Рис. 7. Схема установки тензодатчиков в клеммовом соединении

типа А и Б

На клеммовом рычаге на зоне перемычек устанавливались тензодатчики №1 и №2 Соединение затягивалось болтом и гайкой 3 и 4 соответственно и нагружалось стендом контролируемой нагрузкой F. На болте 3 выполнены плоские симметричные площадки для установки тензодатчиков №3 и №4, которые позволяют измерить деформации растяжения болта Материал клеммового рычага - Сталь 40, термообработка- улучшение.

В соединении типа Б на элемент вала /, диаметр которого выполнен по размеру 70 0,01 мм устанавливались насадная деталь - клеммовый рычаг 2 с накладкой 3 (рис.8), посадочный диаметр которых выполнен по размеру об мм. Таким образом, в соединении действительные размеры посадочных поверхностей практически одинаковы. На накладке в зоне перемьпки наклеен тензодатчик №1. Соединение затягивалось двумя болтами и гайками 4 и 5 соответственно и нагружалось контролируемой нагрузкой Р. На болте зы-полнены плоские симметричные площадки для установки двух тензодатчиков №3 и №4, которые позволяют измерить деформации болта Материал клеммо-вого рычага и накладки - Сталь 20, термообработка - улучшение Элемент вала выполнен из стали 15ХГН2ТА, цементация на глубину 1,3 мм

Результаты стендовых испытаний клеммового соединения типа А представлены в табл. 1 (значения показывают напряжения в клеммовом соединении в местах установки датчиков).

Таблица 1

Нагрузка F, Н Момент на клеммовом рычаге, Т, Н-м Напряжения на перемычках, МПа Напряжения на болту, МПа

0 0 193.40 277.6

2000 255.1 194.00 276.8

4000 6000 510.1 194.40 274.6

765.2 195.20 270.8

8000 1020.2 197.80 265.2

10000 1275.3 200.40 260.4

12000 1530.4 203 60 255.0

14000 1785.4 206.80 249.2

14510 1850.5 Сдвиг клеммы

Результаты стендовых испытаний клеммового соединения типа Б приведены в табл. 2 (значения показывают напряжения в зоне наклейки датчиков).

Таблш а 2

Нагрузка F.H Момент на клеммовом рычаге, Т, Н-м Напряжение, МПа

Датчик №1 Датчик №2 и №3 (на болту) Датчик №4 и №5 (на болту)

0 0 116.40 159.00 165.40

2000 260 120.20 160.60 164.96

4000 520 121.40 167.00 163.60

6000 780 125.40 178.60 163.80

8000 1040 131.20 192.20 162.20

9210 1300 Сдвиг клеммы

В ходе испытаний замерялись деформации в зонах опасного сечения клеммы с помощью тензометрической системы «СИИТ-3», с блоком дистанционного релейного переключения и тензометрических датчиков КФ5 П1-3-200 В12.

Рабочая длина датчиков равнялась 3 мм, сопротивление - 200 Ом. По паспорту тензометрической системы погрешность измерений не превышает ±2%.

Установка закреплялась на столе универсальной испытательной машины «НОРМАЫ - 212»*, позволяющей нагружать испытуемый объект силой F < Рто1= 120 кН; точность задания нагрузки не ниже ±1%.

Результаты, представленные в табл 1, показывают, что при загяжке гайки моментом 100 Н м, в зоне наклейки датчиков №3 и №4 на болту (рис.7) напряжения достигают до 265,2 МПа. При приложении на клеммовый рычаг нагрузки в 8000 Н в зоне датчиков №1 и №2 напряжение равно 197,8 МПа. Расчетные значения напряжений, полученные по формуле (12), равные 191,9 МПа, практически совпадают со значениями, полученными экспериментально, что свидетельствует о достоверности предложенных положений о характере взаимодействия элементов клеммового соединения. Отклонение экспериментальных данных от расчетных, полученных при исходных параметрах, применяемых в экспериментальной установке, не превышает 3%.

Результаты, представленные в табл. 2, показывают, что при затяжке гайки моментом 60 Н м, в зоне наклейки датчиков №2 и №3 на верхнем болту (рис.8) напряжения достигают 159 МПа, а в зоне датчиков №3 и №4 - 165,4 МПа. При приложении на клеммовый рычаг нагрузки в 4000 Н, в зоне датчиков №1 и №1' напряжения равны 121,4 МПа Расчетные значения напряжений, полученные по предложенной в диссертации формуле (24), равные 129,3 МПа, практически совпадают со значениями напряжений, полученными экспериментально, что свидетельствует о достоверности нашего утверждения о характере силового взаимодействия элементов клеммового соединения. Отклонение экспериментальных данных от расчетных, полученных при исходных параметрах, применяемых в экспериментальной установке, не превышает 6,1%.

Предлагаемый в диссертации исследовательский комплекс, в отличие от известных, включает универсальную пару вал-стойка в которую монтируются исследуемые объекты, включающий универсальное приспособление для монтажа исследуемого соединения, сервогидравлическую нагружающую машину, измерительно-расчетную аппаратуру. Этот комплекс универсальный, позволяет с необходимой точностью установить силовые соотношения в любых соединениях типа зал-ступица.

В четвёртой главе проводится анализ технико-экономической эффективности полноприводного автомобиля КамАЭ-43118 с серийным картером (рис.9) переднего моста. Оценка экономической эффективности разных конструктивных вариантов изделия производится с точки зрения потребителя по методике, разработанной проф Фасхиевым Х.А.1 В рыночных условиях именно потребитель определяет экономическую эффективность изделия, поэтому необходимо конструкторско-технологическое решение оценить с точки зрения

* Машина шгсловлена фирмой Сервотест (Англия)

1 Фасхиев X А , Костин И М Гехнико-экономическая оценка грутовых автомобилей при ра> работке - Набережные Челны Изд-во КамПИ, 2002 480 с

потребителя сравнительно конкурентно! о аналог а, в роли которого может быть принят серийный автомобиль.

В серийных передних ведущих мостах автомобилей семейства КамАЗ применяется фланцевое соединение шаровой опоры с картером моста (рис. 8). В диссертации на основе проведенных исследований предлагается фланцевое соединение заменить клеммовым (рис. 9), рассчитанным по методике, изложенной во II главе работы.

Рис. 8. Фланцевое соединение в серийном картере переднего моста

Применение клеммового соединения вместо фланцевого соединения позволяет уменьшить трудоемкость изготовления за счет исключения опера ши сверления отверстий во фланце картера и шаровой опоры и убрать с линии двух наладчиков и одного оператора. Сверление двух отверстий на клемме не увеличит значительно трудоемкость, так как эта операция производится одновременно со сверлением двух отверстий под стремянки подвески моста.

Рис. 9. Клеммовое соединение в картере переднего моста

В предлаг аемом автором новшестве основной экономический эффект достигается за счет снижения себестоимости картера и шаровой опоры поворотного кулака переднего моста.

Внедрение конструкторско-технологических решений в картер переднего ведущего моста путем замены фланцевого соединения клеммовым позволило повысить технологичность производства передних управляемых мостов автомобилей, снизить их материалоёмкость на 8,8 кг и трудоемкость изготовления, в результате чего, себестоимость изготовления снизилась на 253,3 рублей.

При годовой программе выпуска передних ведущих мостов 6 тысяч штук годовой экономический эффект от внедрения разработанного в рамках диа ер-

тации конструкторско-технологического решения составит в ОАО «КАМАЗ» 1,412 млн рублей.

В работе приведен расчет экономического эффекта внедрения клеммовых соединений в передний мост полноприводных автомобилей КамАЗ-43118 у потребителя (табл 3) Экономический эффект в эксплуатации достигается за счет снижения цены автомобиля и от снижения расхода топлива за счет снижения снаряженной массы автомобиля

Таблица 3

Результаты расчета оценочных показателей экономической эффективности для

автомобиля КамАЗ-43118 с фланцевым и клеммовым соединением

Показатели экономической эффективности КамАЭ-43118с картером моста с фланцевым соединением КамАЭ-43118с картером моС1а с клеммовым соединением

Чистая текущая стоимость, ЧТС, руб 92256 93311

УДЧР, ру(Ут км 1.083 1.083

Рентабельность инвестиций 1.128 1.129

Внутренний коэффициент окупаемости, % 27.22 27.31

Срок текущей окупаемости, год 7 7

Бюджетный эффект, руб 457673 458261

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ

1 На основании литературных источников и опыта проектирования, изготовления и эксплуатации фрикционно - клеммовых соединений в конструкциях автомобилей проведен анализ этих соединений и даны рекомендации по их использованию в реальных конструкциях автомобилей, направленные на повышение надежности соединений.

2 Разработан графо-аналитический метод определения силовых соотношений в различных конструкциях фрикционно-винтовых соединений, заключающийся в разбиении конструкции клеммы на отдельные участки и рассмотрении их равновесия с учетом внешних и внутренних силовых факторов. Расчет силовых соотношений в сопряжении с учетом сил давления отдельных участков и отклонения их от нормали к поверхностям трения, позволяет более точно рассчитывать и спроектировать элементы клеммовых соединений по критериям работоспособности Предложенный метод реализован в алгоритме и в прикладной программе расчета клеммовых соединений

3 Па основе расчетно-экспериментальных исследований установлены факторы и степень их влияния на несущую способность клеммовых соединений. В частности, определено влияние сдвигу, взаимной ориентации осей приложения внешней нагрузки и оси болтов крепленил б клеммовом соединении с одной прорезью, геометрических размеров и материала клеммового рычага на

силовые соотношения в соединении Установлено- наличие масла на сопрягающихся стальных поверхностях в 1,5 раза снижает несущую способность соединения по сравнению с соединением с сухой поверхностью.

4 Разработана методика экспериментального исследования фрикционных соединений различных типов и комплекс для ее реализации, включающий, в отличие от известных, универсальную пару вал-стойка в которую монтируются исследуемые объекты, включающий универсальное приспособление для монтажа исследуемого соединения, сервогидравлическую нагружающую машину, измерительно- расчетную аппаратуру, позволяющие с необходимой точностью установить силовые соотношения в фрикционных соединениях.

5. Внедрение клеммовых соединений, вместо фланцевых в конструкцию передних мостов полноприводных автомобилей КамАЗ позволяет снизить массу моста на 8,8 кг, снизить себестоимость их изготовления на 253 рубля на одно изделие Чистая текущая стоимость автомобилей КамАЗ-43118 с опытными мостами за 8 лет эксплуатации на 1055 рублей больше, чем у серийных автомобилей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Козадаев А.И., Новицкий К.И , Шамсутдинов ИР. Перспективный ряд тяжелых ведущих мостов автомобилей КАМАЗ // Труды юбилейной научно-практической конференции «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан. Том 70 Казань, 1999. - С 138-143

2. Коровин Ю.В., Шамсутдинов И.Р. Соединения вал-ступица. Расчёты и проектирование - М/ Машиностроение, 2000 - 55 с

3 Шамсутдинов И.Р., Коровин Ю В. Расчет и проектирование клеммовых соединений с боковой прорезаю // Технико-экономические проблемы промышленного производства: Тезисы докладов Международной научно-технической конференции (29-31 марта 2000 г). - Набережные Челны• Изд-во Камского государственного политехнического института, 2000 -С 238

4 Смирнов И.Г., Козадаев А.И., Шамсутдинов И.Р. Задний ведущий мост для троллейбуса // Приводная техника -2001 - №6 -С.10-12.

5. Шамсутдинов И Р., Коровин Ю.В. О проектировании фрикционно-винтовых (клеммовых) соединений деталей машин // Тезисы докладов IV Научно-практической конференции молодых специалистов Республики Татарстан. - Казань- Изд-во «Мастер лайн», 2001. - С. 197.

Шамсутдинов Ильдар Рафисович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННО-ВИНТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

ЛР№ 020342 ох 7.и2.1937 г. ЛР№ 0137 от 2.10.1998 г. Подписано в печать 25.05.2004 Формат 60x84 '/,6 Бумага писчая Печать ризографическая Гарнитура книжно-журнальная. Уч-изд. л 1,1 Усл. печ л. 1,1

_Тираж 100 экз. Заказ 3018 -Зй8_

Издательско-полиграфический центр Камского политехнического института 423810, Набережные Челны, проспект Мира, 13

OSr.O-f-Of.0tГ

РНБ Русский фонд

2006^4 8894

1з июн m

Введение.

1. Постановка задач исследования.

1.1 Анализ конструкций и современных методов расчётов и. проектирования соединений валов со ступицами

1.1.1. Силовое взаимодействие валов со ступицами.

1.1.2. Анализ соединений первой группы.

1.1.3. Анализ соединений второй группы.

1.1.4. Анализ соединений третьей группы.

1.2 Задачи исследований.

2. Разработка методов расчета и проектирования.

W клеммовых соединений

2.1. Соединения с симметричной прорезью.

2.2. Соединение с накладкой.

2.3. Соединения с боковой прорезью.

2.4. Расчеты и проектирование соединений, нагруженных осевой. силой

2.5. Расчеты и проектирование соединений, нагруженных осевой. силой и моментом

3. Экспериментальное подтверждение теоретических. положений расчетов клеммового соединения

3.1. Методика, оборудование, измерительная аппаратура. экспериментального исследования клеммовых соединений

3.2. Анализ результатов исследований клеммовых соединений.

4. Оценка экономической эффективности клеммового. соединения в конструкции автомобиля

4.1. Методические основы оценки экономической эффективности. конструкторско-технологических решений

4.2. Проектирование и расчет конструкции картера переднего. ведущего моста автомобиля КамАЭ

Экономическое положение государства в существенной степени обуславливается уровнем его научно-технического развития. Основной целью научно-технического прогресса является производство высококачественной продукции в необходимом объеме с наименьшими затратами материальных, трудовых и финансовых ресурсов. Экономика страны, НТП преследуют одну цель — наиболее полное удовлетворение потребностей граждан страны. Изменение массовых потребностей людей требует совершенствования технологии производства материальных благ, развития науки и техники. В настоящее время в экономическом развитии государств однозначно приоритет отдается интенсивному развитию, ставится цель не простого увеличения объема производства, а выпуска более совершенной, конкурентоспособной продукции. Для достижения этой цели особенно актуальным является решение проблемы обеспечения необходимого уровня качества производимой продукции. Эта проблема охватывает все этапы жизненного цикла изделия, является не только технико-экономической, но социально-экономической. Высокое качество выпускаемой продукции проявляется в том, насколько она удовлетворяет потребности людей, а также насколько она позволяет экономить ресурсы потребителя этого изделия. Высокое качество повышает имидж не только предприятия, но и государства, улучшает морально-нравственный климат на производстве и в обществе.

Одним из ключевых показателей качества изделий является надежность, которая закладывается в конструкцию при разработке. Надежность машины определяется надежностью её агрегатов, узлов и деталей, поэтому разработчик должен уделять пристальное внимание этому критерию.

Одним из самых широко распространенных узлов машин являются соединения, без которых, как правило, нет машин. В конструкциях машин, в том числе и автомобилей, соединения вал-ступица являются одними из наиболее ответственных узлов. Они в значительной степени определяют надёжность, себестоимость и, следовательно, конкурентоспособность автомобильных агрегатов и автомобиля в целом.

По принципу передачи движения от вала к ступице (или, наоборот, от ступицы к валу) можно выделить три группы соединений вал-ступица. К первой группе отнесём фрикционные соединения с гладкими, круглыми сопрягаемыми поверхностями, в которых передача движения осуществляется за счёт сил трения, действующих между сопрягаемыми поверхностями. Фрикционные соединения могут сопрягаться по цилиндрическим поверхностям, либо по коническим поверхностям. Ко второй группе относятся соединения с некруглыми в торцовых сечениях сопрягаемыми профилями, в которых движение передаётся за счёт сил давления элементов валов на сопрягаемые элементы ступиц. К этой группе соединений относятся соединения шлицевые (либо с прямобочными, либо с эвольвентными, либо с треугольными шлицами*) и профильные соединения. К третьей группе относятся шпоночные соединения, в которых движение передаётся посредством дополнительных деталей - шпонок. К этой группе следует отнести соединения вал-ступица, в которых вращающий момент передаётся посредством штифтов.

По характеру относительного положения вала и ступицы соединения вал-ступица могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные соединения могут обладать одной или двумя степенями свободы. В соединениях с одной степенью свободы может быть обеспечена возможность вращения ступицы относительно вала и исключена возможность их относительного осевого перемещения. В этих случаях передача движения между валом и ступицей не предусматривается; чаще всего в подобных случаях между валом и ступицей устанавливается промежуточное устройство - подшипник. Взаимодействие деталей, методы расчётов и проектирования этих соединений в настоящей работе не рассматриваются. Соединения вал-ступица часто проектируются с одной степенью свободы так, что обеспечивается возможность относительного < От немецкого слова Schlitz - щель, разрез> осевого перемещения вала и ступицы и невозможность их относительного вращения. В этих соединениях передача вращающего момента осуществляется либо посредством направляющей шпонки, либо посредством скользящей шпонки, либо с использованием подвижного шлицевого сопряжения.

При проектировании автомобильных агрегатов возникают задачи выбора наиболее рациональных способов соединений валов со ступицами и разработки конструкций этих соединений с оптимальными параметрами. Рациональная конструкция создаётся на базе расчётов по критериям деталей, образующих её. Эти расчёты должны базироваться на достоверных сведениях, отражающих реальную картину работы соединения.

В технической литературе, например [4, 11, 34, 37, 67, 74], приводятся методы расчётов различных соединений валов со ступицами, но большинство из этих методов не отражают физическую картину работы деталей в соединении и приводят к неоднозначным результатам. По этой же причине выбор оптимального способа соединения вала со ступицей невозможен.

Цель настоящей работы заключается в разработке научно обоснованных методов сравнительного анализа, расчета и проектирования фрикционно-винтовых соединений, широко применяемых в узлах и агрегатах автомобильной техники, повышающих их надежность.

Объекты исследования: клеммовые соединения, используемые в машиностроительных конструкциях, в частности, в конструкциях автомобилей.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов механики машин, сопротивления материалов, теории упругости, экспериментальной механики. Экспериментальные исследования проведены по разработанной методике с применением тензометрирования с использованием универсальной сервогидравлической испытательной машины «HOFMAN-212» и многоканальной тензометрической системы «СИИТ-3» с блоком дистанционного релейного переключения.

В работе приводятся результаты исследований фрикционно-винтовых соединений (клеммовых соединений), используемых в конструкциях автомобильных агрегатов, приводятся новые методы расчётов и проектирования этих соединений. Работа состоит из 4 глав.

В первой главе проведён обзор соединений вал-ступица, используемых в современных машиностроительных конструкциях, достоинства и недостатки, присущие этим соединениям; приведён анализ методов расчётов и проектирования. При проведении анализа все соединения валов со ступицами насадных деталей в зависимости от принципа передачи вращающего момента разделены на три группы. Установлено, что наименее изученными являются распространённые виды соединений вал-ступица - фрикционно-винтовые (клеммовые) соединения. Проведён обзор клеммовых соединений, используемых в современных машиностроительных конструкциях, достоинства и недостатки, присущие этим соединениям; приведён анализ методов расчётов и проектирования. При проведении анализа клеммовые соединения из конструктивных соображений, в зависимости от принципа приложения нагрузки и передачи вращающего момента на клеммовый рычаг, а также от способа затяжки клеммы разделены на три типа. Выявлены недостатки современных методов расчётов этих соединений по критериям их работоспособности. На основании анализа конструкций, а также на основании анализа методов расчётов и проектирования, описанных в современной научно-технической литературе, сформулирована цель работы и задачи исследования.

Во второй главе приведён силовой анализ клеммовых соединений трех типов. Определены силы взаимодействия клеммового рычага с валом, характер изменения этих сил при приложении крутящего момента Т, осевой силы Fa, а также при приложении совместно крутящего момента и осевой силы. Из условия неподвижности клеммового соединения при воздействии на рычаг внешних сил определяются оптимальные значения размеров: диаметр винта (болта), толщина перемычек, длина, высота и ширина клеммы, а также остальные размеры, определяющие габариты соединения. Из условия обеспечения прочности клеммового соединения назначаются материалы клеммового рычага, накладки и винта (болта). Приводится анализ работы соединения в случаях, когда крутящий момент Т постоянен по направлению, а также в случаях, когда момент Г меняет направление.

В третьей главе дано описание экспериментального исследования клеммового соединения. Спроектированы испытательные образцы клеммового соединения типа А и Б, показана установка тензометрических датчиков на соединении в контролируемых точках, схемы монтажа соединения на универсальный испытательный стенд и место приложения нагрузки на испытуемый объект. Проведен анализ полученных результатов испытания, подтверждающий правильность теоретических исследований, описанных во второй главе. Даны рекомендации по сборке соединения.

В четвёртой главе даны сведения об использовании рекомендаций диссертации по проектированию клеммового соединения в картере переднего моста автомобилей КамАЗ. Показано, что применение клеммового соединения в конструкции картера переднего моста вместо фланцевого соединения позволило снизить себестоимость изготовления и массу моста, тем самым получить существенный экономический эффект.

Научной новизной работы являются: графо-аналитический метод определения силовых соотношений в различных конструкциях фрикционно-винтовых соединений, заключающийся в разбиении конструкции клеммы на отдельные участки и рассмотрении их равновесия с учетом внешних и внутренних сил. Расчет силовых соотношений в сопряжении с учетом отклонения сил давления отдельных участков от нормали к поверхностям трения позволяет более точно рассчитывать и спроектировать элементы клеммовых соединений по критериям работоспособности; установлены факторы и степень их влияния на несущую способность клеммовых соединений. В частности, а) влияние сдвига, взаимной ориентации осей приложения внешней нагрузки и оси болтов крепления в клеммовом соединении с одной прорезью; б) влияние геометрических размеров и материала клеммового рычага на силовые соотношения в соединении.

Установлено, что наличие масла на сопрягающихся стальных поверхностях в 1,5 раза снижает несущую способность соединения по сравнению с соединением с сухой поверхностью; методика экспериментального исследования фрикционных соединений различных типов и комплекс для ее реализации, включающий, в отличие от известных, универсальную пару вал-стойка в которую монтируются исследуемые объекты, включающий универсальное приспособление для монтажа исследуемого соединения, сервогидравлическую нагружающую машину, измерительно- расчетную аппаратуру, позволяющие с необходимой точностью установить силовые соотношения в фрикционных соединениях.

Практическая ценность. Разработанные методы проектирования и расчета клеммовых соединений позволяют создать агрегаты автомобилей с необходимой надежностью. Метод расчета клеммовых соединений был использован при проектировании картера переднего ведущего моста автомобилей семейства КамАЗ. Замена фланцевых соединений на клеммовое в конструкции картера переднего моста позволило снизить себестоимость изготовления на 235,3 рубля, массу моста - на 8,8 кг. Экономический эффект от внедрения клеммового соединения в конструкцию моста на годовую программу в объеме 6 тыс. полноприводных автомобилей составил 1412 тыс. рублей.

Апробация работы. Работа докладывалась на выездном заседании головного совета «Машиностроение» Министерства образования РФ (Набережные Челны, 2000 г.); на международных научно-технических конференциях: : «Технико-экономические проблемы промышленного производства» (Набережные Челны, 2000 г.); «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан» (Набережные Челны, 2000 г.); на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и технологии металлов» Казанской государственной сельскохозяйственной академии (Казань, 2002 г.); на заседании Научно-технического совета ОАО «КАМАЗ» с участием специалистов КамПИ (Набережные Челны, 2002 г.). Результаты работы использованы при проектировании коробок передач и ведущих мостов перспективных автомобилей семейства КамАЗ, а также в учебном процессе в КамПИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе одна монография в соавторстве.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержащего 16 таблиц, 52 рисунка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании литературных источников и опыта проектирования, изготовления и эксплуатации соединений вал-ступица в конструкциях автомобилей КамАЗ проведен анализ этих соединений и даны рекомендации по их использованию в реальных конструкциях трансмиссии, направленные на повышение надежности соединений.

2. Разработан графо- аналитический метод определения силовых соотношений в различных конструкциях фрикционно-винтовых соединений, заключающийся в разбиении конструкции клеммы на отдельные участки и рассмотрении их равновесия с учетом внешних и внутренних силовых факторов. Расчет силовых соотношений в сопряжении с учетом сил давления отдельных участков и отклонения их от нормали к поверхностям трения позволяет более точно рассчитывать и проектировать элементы клеммовых соединений по критериям работоспособности. Предложенный метод реализован в алгоритме и в прикладной программе расчета клеммовых соединений.

3. На основе расчетно-экспериментальных исследований установлены факторы и степень их влияния на несущую способность клеммовых соединений. В частности, определено влияние сдвига, взаимной ориентации осей приложения внешней нагрузки и оси болтов крепления в клеммовом соединении с одной прорезью; геометрических размеров и материала клеммового рычага на силовые соотношения в соединении. Установлено: наличие масла на сопрягающихся стальных поверхностях в 1,5 раза снижает несущую способность соединения по сравнению с соединением с сухой поверхностью.

4. Разработана методика экспериментального исследования фрикционных соединений различных типов и комплекс для ее реализации, включающий, в отличие от известных, универсальную пару вал-стойка, в которую монтируются исследуемые объекты, включающий универсальное приспособление для монтажа исследуемого соединения, сервогидравлическую нагружающую машину, измерительно- расчетную аппаратуру, позволяющие с необходимой точностью установить силовые соотношения в фрикционных соединениях.

5. Внедрение клеммовых соединений вместо фланцевых в конструкцию передних мостов полноприводных автомобилей КамАЗ позволяет снизить массу моста на 8,8 кг, снизить себестоимость их изготовления на 253 рубля на одно изделие. Чистая текущая стоимость автомобилей КамАЭ-43118 с опытными мостами за 8 лет эксплуатации на 1426 рублей больше, чем у серийных автомобилей.

1. Автомобильная промышленность за рубежом/Общ. ред. и предисл. Ю.Н. Карпова. М.: Прогресс, 1986. - 488.

2. Александров МП. Подъёмно-транспортные машины: Учеб. пособие для студентов машиностроительных и механических специальностей высш. уч. заведений. М.: Высш. шк. 1986. 335 с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. Т.1 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 728 с.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах Т.2 -6-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. - 584 с.

5. Арасланов A.M. Расчет элементов конструкций заданной надежности при случайных воздействиях.-М.: Машиностроение, 1987.-128 с.

6. Барташев JI.B. Конструктор и экономика.- М.: Экономика, 1977.- 223 с.

7. Барташев JI.B. Технико-экономические расчеты при проектировании и производстве машин.- М.: Машиностроение, 1973. -384 с.

8. Безверхий С.Ф. и др. Показатели долговечности автомобилей//Автомобильная промышленность.- 1982. №9. - С.13.

9. Безверхий С.Ф.,. Белокуров В.Н., Самойлов Г.А. Эффективность экспериментальных исследований и снижение металлоемкости автомобилей// Автомобильная промышленность. 1983. - №9. - С.10.

10. Биргер И.А. Принципы построения норм прочности и надежности в машиностроении. //Вестник машиностроения 1988.-№7

11. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. - 640 с.

12. Бойцов Б.В. и др. Определение закона распределения ресурса деталей машин и механизмов методом статистических испытаний//Вестник машиностроения.-1983.- №2.-С.20-21.

13. Бойцов В.В., Гусенков А.П., Фролов К.В., Когаев В.П. Пути снижения коэффициентов запаса прочности и металлоемкости машин при одновременномповышении их надежности и долговечности/Вестник машиностроения.-1981.-№11.-С.-46-49.

14. Бреникер Е.И. Посадки с натягом в машиностроении. М. Л.: Машиностроение, 1966.

15. Бухарин Н.А., Прозоров B.C., Щукин М.М. Автомобили.- М.: Машиностроение, 1973.-326 с.

16. Великанов К.М. Расчеты экономической эффективности новой техники.-Л.: Машиностроение, 1975.- 430 с.

17. Великанов К.М., Березин Е.А., Васильева Э.Г. и др. Экономическая эффективность новой техники и технологии в машиностроении.- Л.: Машиностроение, 1981.- 256 с.

18. Высоцкий М.С. и др. Автоматизированная система ускоренных испытании автомобильных конструкций.- Минск: Наука и техника, 1989.-168 с.

19. Высоцкий М.С., Беленький Ю.Ю., Гилелес Л.Х. и др. Грузовые автомобили. М.: Машиностроение, 1979. - 384 с.

20. Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для студентов втузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

21. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора.: Справочник Л: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983.

22. Годжаев Г.А., Дмитриченко С.С., Мищенко Ю.Д. Создание банка данных о прочности тракторных конструкций/ Тр. НПО НАТИ.-М.: ГОНТИ НАТИ, 1985.

23. Гольд Б.В. Прочность и долговечность автомобиля.- М.: Машиностроение, 1974.- 328 с.

24. Горбацевич М.И. и др. Об учете влияния частоты нагружения при испытаниях на усталость//Заводская лаборатория.- 1984.-№6.- С.84-86.

25. Гречищев Е.С., Ильяшенко А.А. Соединения с натягом. М.: Машиностроение. 1981. - 240 с.

26. Гузенков П.Г. Детали машин.- М.:Высшая школа, 1975.- 422 с.

27. Гуляева А.П., Козловского И.С. Автомобильные конструкционные стали: Справочник.- М.: Машгиз, 1951.- 32 с.

28. Дайчик М.Л., Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник/ M.JI. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов. М.: Машиностроение, 1989.- (Основы проектирования машин).

29. Дерягин Б.В. Что такое трение? Издание 2-е. Переработанное и дополненное. М.: Издательство АН СССР. 1963.

30. Длоугов В.В. Приводы машин: Справочник / В.В. Длоугий, Т.И. Муха, А.П. Цупиков, Б.В. Януш; Под общ. ред. В.В. Длоугого. 2-е изд., перераб. и доп. - JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.

31. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Вероятностный расчет соединений с натягом//Вестник машиностроения,- 1974.- №9.- С.31-33.

32. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособ. для машиностроительных спец. вузов. М.: Высш. шк. 1986. — 416 с.

33. Дунаев П.Ф., Леликов О.П., Варламова Л.П. Допуски и посадки. Обоснование выбора: Уч. пособие для студ. машиностр. спец. вузов. М.: Машиностроение. 112 с.

34. Иванов М.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1984. — 336 с.

35. Индикт Е.А., Кривенко Е.И., Черняйкин В.А. Испытания автомобилей на надежность в экспериментально производственных хозяйствах. — М.: НИИНавтопром, 1971.- 100 с.

36. Индикт Е.А., Черняйкин В.А. Эксплуатационная надежность грузовых автомобилей. — М.: НИИНавтопром, 1977. 93 с.

37. Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. М.: Машиностроение, 1988, - 368 с.

38. Ипатов М.И. Технико-экономический анализ проектируемых автомобилей. -М.: Машиностроение, 1982. 272 с.

39. Ипатов М.И., Проскуряков А.В., Семенов В.М. Снижение себестоимости машин. М.: Машиностроение, 1978. - 179 с.

40. Ковригин А.С. Автомобилестроение России на пороге XXI века// Автомобильная промышленность. — 2001. №3. — С. 1-7.

41. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. пособие для машиностр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1991. - 319 с.

42. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. М.: Машиностроение. 1956.

43. Колчин Н.И. Механика машин. Том 2. Кинетостатика и динамика машин. Трение в машинах. M.-JL: Машгиз. 1963.

44. Коровин Ю.В., Павленко П.Д., Коровин А.Ю. Расчёт и проектирование клеммовых соединений.// Вестник машиностроения. 1997 - №12. - С. 15 - 19.

45. Коровин Ю.В., Коровин А.Ю. Расчёт и проектирование фрикционно-винтовых соединений с накладками.// Вестник машиностроения 1999. №7. - С. 24-27.

46. Коровин Ю.В., Смирнов И.Г. О выборе способа передачи момента между валами и ступицами высоконагружённых зубчатых передач.// Труды Казанской государственной сельскохозяйственной академии (раздел: Технические науки). Том 70. Казань: 2001. С.100-106.

47. Коровин Ю.В., Шамсутдинов И.Р. Соединения вал-ступица. Расчёты и проектирование. М.: Машиностроение, 2000. — 55 с.

48. Корчагин В. А., Птицын Д.В. Расчет экономической эффективности внедрения новой техники на автотранспортных предприятиях. Киев: Техника, 1980.- 104 с.

49. Крайнев А.Ф. Детали машин: Словарь-справочник. М.: Машиностроение, 1992.-480 с.

50. Крамаренко Г.В. Техническая эксплуатация автомобилей. М.: Транспорт, 1983.-488 с.

51. Кугель Р.В. Долговечность автомобиля. — М.: Машиностроение, 1961. 432 с.

52. Кугель Р.В. Испытания на надежность машин и их элементов. М.: Машиностроение, 1982.-211 с.

53. Кугель Р.В. Ускоренные ресурсные испытания в машиностроении. М.: Знание, 1968. - 87 с.

54. Кузнецов Е.С. Техническая эксплуатация автомобилей в США. М.: Транспорт, 1992. - 352 с.

55. Куклин Н.Г., Куклина Г.С. Детали машин. М.: Высшая школа, 1987. - 383 с.t

56. Лаптев А.С. Комплексная система испытаний автомобилей. Формирование, развитие, стандартизация: Автореф. Дис. Докт. Техн. Наук. М.: НАМИ, 1997. -46 с.

57. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жёсткость машин. -М.: Машиностроение, 1971.

58. Лукин П.П. и др. Конструирование и расчёт автомобиля: Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы». М.: Машиностроение, 1984. - 376 с.

59. Лукинский B.C. Определение эксплуатационной надежности автомобилей в опорных автотранспортных предприятиях. Л.: ЛИСИ, 1976. - 48 с.

60. Лукинский B.C., Зайцев Е.И. Прогнозирование надежности автомобилей. -Л.: Политехника, 1991.-224 с.

61. Марголис С.Я. Мосты автомобилей и автопоездов. М.: Машиностроение, 1983.-160 с.

62. Мархель И.И. Детали машин.- М.: Машиностроение, 1977.- 445 с.

63. Масино М.А. Алексеев В.Н., Мотовилин Г.В. Автомобильные материалы: Справочник инженера-механика. М.: Транспорт, 1979.- 288 с.

64. Мягкова. В.Д. Допуски и посадки. Справочник Л.: Машиностроение, 1982. - 543 с.

65. Народецкая М.Э. Торбан Б.А., Аркуша А.И. Техническая механика и детали машин. М.: Машиностроение, 1982.- 456 с.

66. Олейник Н.В. Выносливость деталей машин. Киев: Наукова думка, 1979.

67. Орлов П.И. Основы конструирования. Кн. 2. -М.: Машиностроение, 1974. -574 с.

68. Орлов П.И. Основы конструирования. -М.: Машиностроение. 1968. 475 с.

69. Островцев А.Н. Пути развития науки по автомобилю//Автомобильная промышленность. 1973.- №3. - С.5-9.

70. Полунгян А.А. и др. Модульный принцип конструирования автомобилей // Автомобильная промышленность. 1998. - №12. - С. 15-18.

71. Постников В.И., Мымрин Ю.Н. Эффективность научных исследований и разработок в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1980.

72. Пригоровский Н.И. Исследование и расчет напряжений в деталях машин и конструкциях. М.: Наука,1966. - 192 с.

73. Проскуряков А.В. Организация создания и освоения новой техники. М.: Машиностроение, 1978.-304 с.

74. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. М.: Машиностроение. 1989.- 496 с.

75. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин,- М.: Высшая школа, 1988. 238 с.

76. Решетов Д.Н. Машины и стенды для испытания деталей/ Под ред. Д.Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1979 343 с.

77. Савченко Л.П., Сумцов В.В., Туровский М.Л. и др. Некоторые вопросы усталостной прочности прессового соединения вал- втулка. //Проблемы прочности. 1975. №2, вып. 5. С.90-93.

78. Семин А.И., Фасхиев Х.А., Павленко П.Д. О нормах прочности балок передних мостов грузовых автомобилей/Сб. научных трудов НАМИ. — М.: НАМИ, 1996. С. 150-157.

79. Серенсен С.В., Громан М.Б., Когаев В.П. Валы и оси. Конструирование и расчет. М.:Машиностроение,1970.- 320 с.

80. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.С. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность.- М.:Машгиз, 1963.- 452 с.

81. Скундин Г.И., Вайценфельд И.И., Морозов К.Г. Исследование нагрузочной способности эвольвентных шлицевых соединений.//Тракторы и сельхозмашины. -1977. №6. - С.36.

82. Скундин Г.И., Никитин В.Н. Шлицевые соединения. М.: Машиностроение, 1981.-128 с.

83. Смирнов И.Г., Козадаев А.И., Коровин Ю.В. Шпонка деталь в соединении «вал-шестерня» лишняя. //Автомобильная промышленность. - 2002. -№6.-С. 19-21.

84. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. и др. Марочник сталей и сплавов/ Под общ. ред. В.Г. Сорокина М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

85. Старк Д.А. Конструирование и испытание большегрузных автомобилей и тяжелых тракторов// Автомобильная промышленность США. 1979. - №2. - С.21-27.

86. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М.: Машиностроение, 1987. - 216 с.

87. Тарабасов Н.Д., У чаев П.Н. Проектирование деталей и узлов машиностроительных конструкций. Справочник М.: Машиностроение, 1983. -239 с.

88. Тетенбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. -М.: Машиностроение, 1966. 331 с.

89. Титов Е.Ф. О методах определения технического уровня АТС, их агрегатов и узлов//Автомобильная промышленность. 2000. - №1. - С.27-29.

90. Токарев А.А. Коэффициент полезного действия автомобиля//Автомобильная промышленность. 1997. - №9.

91. Фасхиев Х.А. Методика проектирования деталей машин с учетом усталости//Вестник машиностроения. 1999. №6. - С. 21-25.

92. Фасхиев Х.А., Костин И.М. Технико-экономическая оценка грузовых автомобилей при разработке. Набережные Челны: Изд-во КамПИ, 2002. - 480 с.

93. Фасхиев Х.А., Павленко П.Д. Разработка норм прочности по результатам стендовых испытаний//Автомобильная промышленность. 1993. - №2. - С. 16-17.

94. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиностроения. -М.: Машиностроение. 1984.

95. Чернявский С. А. Проектирование механических передач.-М. Машиностроение, 1976.- 607 с.

96. Чижов В.Ф., Сильвестров В.М. О нормах прочности автомобиля//Автомобильная промышленность. 1979. - №8.

97. Шамсутдинов И.Р., Коровин Ю.В. О проектировании фрикционно-винтовых (клеммовых) соединений деталей машин // Тезисы докладов IV Научно-практической конференции молодых специалистов Республики Татарстан. -Казань: Изд-во «Мастер лайн», 2001. С. 197.

98. Шитиков Б.В. Основы теории механизмов. Выпуск II. Казань. 1970.

99. Штаерман И. Я. Контактная задача теории упругости. М.: ГТТИ.

100. Яковлев В.Ф. Измерения деформаций и напряжений деталей машин. Москва -Ленинград.: МАШГИЗ, 1963.

101. Якушев А.И. и др. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: Учебник для вузов/ А.И. Якушев, JI.H. Воронцов, Н.М. Федотов. 6-е изд., перераб. и дополн. - М.: Машиностроение, 1987. - 352 е.: с.

102. Machinenelemente. Band 1. Scheuermann. Verbindungselement. VEB Tachbuchverlag. Leipzig. 1964.