План розв’язування задачі

1. Накреслити епюри крутних моментів та згинальних моментів у горизонтальній та вертикальній площинах згідно з результатами розрахунків, виконаних у задачі 5.

2. Визначити коефіцієнти запасу за нормальними і дотичними напруженнями в небезпечних перерізах валу для величини діаметру, визначеного за результатами статичного розрахунку.

3. Обчислити за формулою Гафа і Поларда повний коефіцієнт запасу вала відносно границі витривалості . За результатами розрахунків зробити висновки.

4. У випадку невиконання умови міцності ( ), повторити розрахунки, обравши нове значення діаметру вала. Підбір діаметру вала продовжувати до забезпечення виконання умови міцності.

Розв’язання задачі

Дано: діаметр вала ; ; матеріал – сталь 20; нормативний коефіцієнт запасу міцності . Поверхня вала шліфована. Схема навантаження вала представлена на рис. 5.2. З таблиці 11.1 беремо: , , .

1. Креслимо розрахункову схему вала згідно з вихідними даними задачі 5, будуємо епюри крутних моментів та згинальних моментів у горизонтальній та вертикальній площинах згідно з результатами розрахунків, виконаних у задачі 5 (рис. 5.4), визначаємо ймовірно небезпечні перерізи вала.

Раніше було зроблено висновок, що небезпечним є переріз . Тут діє максимальний крутний момент ( ) та максимальний сумарний згинальний момент ( ).

Крім того, слід перевірити переріз 1, де закріплено зубчасте колесо, через наявність в цьому місці концентратора у вигляді шпонкової канавки, що оброблена пальцевою фрезою. Тут діє максимальний крутний момент ( ) та сумарний згинальний момент ( ).

2. В умовах плоского напруженого стану за наявності нормальних і дотичних напружень повний коефіцієнт запасу міцності на витривалість розраховується за формулою Гафа і Полларда:

,

де і  коефіцієнти запасу за нормальними та дотичними напруженнями відповідно.

Визначимо коефіцієнти запасу і в небезпечних перерізах вала.

Відповідно до умов навантаження, нормальні напруження у небезпечній точці перерізу змінюються за симетричним циклом, а дотичні напруження залишаються сталими.

У випадку симетричного циклу коефіцієнт запасу обчислюється за формулою:

,

де  амплітуда фактично діючих напружень,  загальний коефіцієнт зниження границі витривалості, що враховує сукупний вплив основних конструктивних і технологічних факторів на витривалість деталі при симетричному циклі.

У загальному випадку коефіцієнт визначається таким чином:

,

де , – коефіцієнти, що враховують негативний вплив кожного з факторів. Якщо вплив факторів позитивний (наприклад, зміцнення поверхні), то коефіцієнти і необхідно поміняти місцями.

У практичних розрахунках на втому найбільш поширеним є варіант коефіцієнту зниження границі витривалості, коли враховується вплив тільки трьох факторів: концентрації напружень, розмірів деталі і якості обробки поверхні. Вплив цих факторів оцінюється коефіцієнтами , і відповідно. Якщо , , , то

,

де – ефективний коефіцієнт концентрації напружень, – коефіцієнт впливу абсолютних розмірів перерізу, – коефіцієнт впливу стану і якості поверхні.

Знаходимо номінальні амплітудні напруження , що діють у ймовірно небезпечних перерізах.

.

Переріз :

.

Переріз 1:

.

Визначимо коефіцієнти концентрації напружень в небезпечних перетинах і . Коефіцієнт (концентратори відсутні). Згідно з додатком 3, де наведено значення ефективних концентраторів в залежності від границі міцності матеріалу вала із шпонковим пазом, обробленого пальцьовою фрезою, .

Значення коефіцієнта впливу абсолютних розмірів ( ) знайдемо у додатку 4. Для вуглецевої сталі з границею міцності та діаметром коефіцієнт буде становити .

Коефіцієнт впливу стану і якості поверхні визначимо з додатку 5. Для шліфованої поверхні і заданої сталі .

Обчислимо загальний коефіцієнт зниження границі витривалості для небезпечних перерізів.

Переріз :

.

Переріз 1:

.

Тоді ; .

Визначимо коефіцієнт запасу статичної міцності при крученні.

.

Границю текучості при крученні визначимо за третьою теорією міцності.

.

Полярний момент опору перерізу вала:

.

.

Тоді

.

3. Обчислюємо повний коефіцієнт запасу міцності на витривалість за формулою Гафа і Полларда:

.

Отже

.

Тобто, умова міцності не виконується. Врахування циклічності згинального моменту привело до зменшення коефіцієнту запасу у рази.

4. Вибираємо нове значення діаметру вала і повторюємо розрахунки, виконані у пп. 2, 3.

Нехай діаметр валу . Тоді маємо наступні геометричні характеристики перерізу:

, .

Знаходимо амплітуди нормальних напружень у ймовірно небезпечних перерізах:

,

.

За допомогою лінійної інтерполяції даних, що наведені у додатку 4, визначаємо нове значення масштабного коефіцієнта:

.

Тоді

; .

, .

;

.

Обчислюємо повний коефіцієнт запасу міцності на витривалість:

;

.

Умова міцності виконується. Остаточно, діаметр вала буде становити .