Характеристика заклепочных соединений. Расчет заклепочных швов

Заклепочные соединения состоят из двух или нескольких листов или деталей, соединяемых (склепываемых) в неразъемную конструкцию с помощью заклепок (рис. 18).

Заклепкой называют круглый стержень, имеющий сформированную за­кладную головку 1 на одном конце и формируемую в процессе клепки за­мыкающую головку 2 на другом его конце. При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Форма и размеры заклепок рег­ламентированы стандартом (рис. 19).

Заклепочным швом называют соединение, осуществляемое группой закле­пок (рис. 20).

Рис. 18. Заклепочные со­единения

Рис. 19. Формирование заклепочного шва

Рис. 20. Однорядное за­клепочное соединение

Отверстия под заклепки в деталях продавливают или сверлят. При продавливании образуются мелкие трещины по периферии отверстий. Трещины могут быть причиной разрушения заклепочного шва во время работы. Продавленные отверстия применяют в малоответственных конструкциях. Сверление – процесс малопроизводительный и дорогой. Сверленые отверстия применяют в конструкциях, где требуется высокая надежность. При больших диаметрах отверстий практикуют продавливание с последующим рассверливанием.

Каждая заклепка имеет свою зону действия D, на которую распространяется деформация сжатия в стыке деталей. Если зоны действия соседних заклепок пересекаются, то соединение будет плотным. Вследствие пластических деформаций в процессе клепки стержни заклепок заполняют отверстия и заклепки стягивают соединяемые детали. В результате относительному сдвигу склепанных деталей оказывают сопротивление как стержни заклепок, так и силы трения, возникающие на поверхности стыка.

Для обеспечения плотности шва иногда выполняют чеканку (пластическое деформирование листов, например, пневматическими молотками) вокруг заклепок и по кромкам листов.

Заклепки поставляются как готовые изделия.

Заклепочное соединение получают следующим способом.

В отверстия соединяемых деталей вставляют заклепки (см. рис. 19). Под закладную головку 1 устанавливают инструмент-поддержку. Специ­альной клепальной машиной или вручную (ударами молотка, кувалды) вы­ступающий конец заклепки () осаживают обжимкой в замыкающую головку 2. Для стальных заклепок с мм производят клепку вхо­лодную, то же относится к заклепкам из цветных металлов и сплавов; с мм с нагревом заклепки до светло-красного каления (1000—1100 ⁰С). Этот способ обеспечивает более высокое качество заклепочного шва, так как заклепки укорачиваются при остывании и стягивают детали, создавая на стыке их поверхностей большие силы трения, препятствующие относительному сдвигу деталей при действии нагрузки

Диаметры отверстий под заклепки d_ОТВ выбирают по стандарту в зависи­мости от диаметра заклепки. Для холодной клепки можно рекомендовать

d_OTB = d₃ + 0,05d₃,

для горячей клепки

d_OTB = d₃ + 0,ld₃,

где d₃ — диаметр устанавливаемой заклепки.

Достоинства и недостатки заклепочных соединений по сравнению с другими видами неразъемных соединений.

Достоинства:

- высокая надежность соединения;

- удобство контроля качества клепки;

- повышенная сопротивляемость ударным и вибрационным нагрузкам;

- возможность соединения деталей из трудносвариваемых металлов, например из алюминия;

- не дают температурных деформаций;

- детали при разборке не разрушаются.

Недостатки:

- высокая стоимость, так как процесс получения заклепочного шва состоит из большого числа операций (разметка, продавливание или сверление отверстий, нагрев заклепок, их закладка, клепка) и требует применения дорогостоящего оборудования (станки, прессы, клепальные машины).

- повышенный расход материала для этого соединения (из-за ослабле­ния соединяемых деталей отверстиями под заклепки требуется уве­личение их толщины, применение накладок и т. п.);

- детали ослаблены отверстиями;

- высокий шум и ударные нагрузки при изготовлении;

- невозможность соединения деталей сложной конфигурации.

Область применения.

В настоящее время в связи с бурным разви­тием сварки заклепочные соединения имеют ограниченное применение (в конструкциях, для которых методы сварки и склеивания еще недостаточно разработаны или мало эффективны, а также в соединениях, работающих при больших вибрационных или ударных нагрузках при высоких требованиях к надежности соединения). Также в соединениях окончательно обработанных деталей, в которых применение сварки недопустимо из-за их коробления при нагреве. Большой объем клепально-сборочных работ производится при изготовлении летательных ап­паратов. Некоторые самолеты имеют более миллиона заклепок. Заклепоч­ные соединения находят применение в подъемно-транспортных машинах, в строительстве железнодорожных мостов, котлостроении и т. п.

Расчет заклепочного шва заключается в определении диаметра и числа заклепок, шага заклепочного шва, расстояния заклепок до края соединяемой детали и расстояния между рядами заклепок.

Диаметр d заклепки назначают из соотношения

(5.1)

где h - суммарная толщина соединяемых элементов

В прочных швах герметичность соединения не требуется, поэтому силы, действующие на соединенные детали, могут быть больше сил трения, развиваемых между ними (рис. 21). Поэтому заклепки прочных швов рассчитывают на срез и на смятие:

(5.2)

(5.3)

где τ_с и [τ_с] — соответственно расчетное и допускаемое напряжения на срез для заклепок;

σ_см и [σ_см] — соответственно расчетное и допускаемое напряжения на смятие между заклепками и соединяемыми листами;

F — сила, действующая на одну заклепку;

k — число плоскостей среза заклепок;

d₀ — диаметр поставленной заклепки;

δ_min — наименьшая толщина соединяемых элементов.

Необходимое число заклепок z в шве при симметрично действующей нагрузке F₀ определяют расчетом заклепок на срез по формуле

Полученное по формуле (5.4) число заклепок z проверяют расчетом заклепок и соединяемых частей на смятие по формуле

Применение заклепок с длинами больше (3... 4)d может вызвать их изгиб в отверстии или незаполнение зазора между стержнем и отверстием.

Рис. 21.

Минимальный шаг p размещения заклепок определяют из удобства клепки, максимальный - из условия плотного соприкосновения соединяемых элементов.

Значения допускаемых напряжений принимают в зависимости от материала заклепки, способа обработки отверстия и условий работы. Так, для заклепок из стали марки Ст.З при обработке отверстия сверлением и нормальных условий эксплуатации: [т]_ср = 140 МПа, [σ]_см = 280 МПа.

При холодной клепке допускаемые напряжения снижают на 30 %.

Заклепочные соединения разделяют на;

а) силовые (иначе называемые прочны­ми соединениями), используемые преимущественно в металлических конструкциях машин и строительных сооружениях;

б) силовые плотные (иначе называемые плотнопрочными соединениями), исполь­зуемые в котлах и трубах, работающих под давлением.

Плотность также можно обеспечить с помощью клея.

Материал заклепок должен быть доста­точно пластичным для обеспечения возможности формирования головок и одно­родным с материалом соединяемых дета­лей во избежание электрохимической коррозии. Стальные заклепки обычно изго­товляют из сталей Ст.2, Ст.З, 09Г2 и др. Для соединения элементов из сталей по­вышенного качества целесообразно при­менять заклепки из тех же сталей, если возможно по условиям их пластического деформирования. Из легких сплавов для заклепок применяют В65, Д15 и др.

Для крепления лопаток некоторых паро­вых и газовых турбин применяют заклепки, устанавливаемые под развертку и рабо­тающие в основном на сдвиг.

Наиболее отработаны конструкции, ти­паж и технология заклепочных соединений в авиационной промышленности.

Кроме традиционных заклепок приме­няют:

заклепки из стержней с одно­временным расклепыванием обеих головок и образованием гаран­тированного натяга по цилиндрической по­верхности;

заклепки с потайной головкой и компенсатором — местной выпуклостью на головке, деформируемой при клепке и уплотняющей контакт головки;

заклепки для швов с односто­ронним подходом и с сердечни­ком, который при осевом пере­мещении распирает заклепку, образуя замыкающую головку, а потом обрывается и фрезеруется для обеспечения гладкой поверхности;

В плотном и точном соединениях необхо­димо, чтобы вся внешняя нагрузка во из­бежание местных сдвигов воспринималась силами трения.

Рис. 22. Расчетные схемы односрезиого и двухсрезного заклепочного соединения

Расчет заклепок в соединении, находя­щемся под действием продольной нагруз­ки, сводится к расчету их на срез. В заклепочном соединении (рис. 22, а, б)допустимая нагрузка, отнесенная к одной заклепке,

(5.6)

где d — диаметр стержня заклепки; [т]_ср— условное допускаемое напряжение за­клепки на срез; i— число срезов.

При центрально действующей нагрузке F необходимое число заклепок

z = F/F₁. (5.7)

Заклепки на смятие в односрезном или двухсрезном силовом соединении проверяют по формуле

(5.8)

где s— толщина стенки соединяемых деталей.

Проверка на смятие плотных соединений не нужна, так как в них вся продольная нагрузка воспринимается силами трения в стыке.

Соединяемые элементы проверяют на прочность в сечениях, ослабленных заклеп­ками:

Допускаемое напряжение для соедине­ний стальных деталей заклепками из ста­лей Ст2 и СтЗ при расчете по основным нагрузкам: на срез заклепок [τ]_сρ = 140 МПа и на смятие [σ]_см=280... 320 МПа, на растяжение соединяемых элементов из стали СтЗ [σ]_р = 160 МПа.

При холодной клепке допускаемые на­пряжения в заклепках снижают на 30%.

Для элементов соединений с пробитыми н нерассверленными отверстиями допус­каемые напряжения снижают на 30 %.

Если соединение работает при редких знакопеременных нагрузках, допускаемые напряжения понижают умножением на коэффициент

где F_min и F_max— наименьшая и наиболь­шая по абсолютной величине силы, взятые со своими знаками. Для соединения эле­ментов из низкоуглеродистых сталей a = 1, b = 0,3, а для соединений из среднеуглеродистых сталей a = 1,2, b = 0,8.

Потребная площадь элементов, рабо­тающих на растяжение под действием силы F,

где - коэффициент прочности шва, величина которого обычно колеблется в пределах от 0,6 до 0,85;
p - шаг распо­ложения заклепок.

При проектном расчете значением φ за­даются, а потом производят проверочный расчет.

В групповых заклепочных соединениях, подверженных сложному напряженному состоянию, силы па одну заклепку опре­деляются, как в резьбовых соединениях.