Инженер начинается в школе

Кручение

В технике на кручение работают многие детали: шпин­дели станков, различные валы, обыкновенный ключ двер­ного замка. Все эти детали передают крутящий момент от источника движения — двигателя или руки — к исполни­тельному механизму.

Крутящий момент — это произведение силы, выражен­ной в килограммах, на расстояние (плечо) этой силы от оси

Вращения, выраженное в метрах или в сантиметрах. Изме­ряется крутящий момент в кгм или кгсм (в системе Си— в Н-м).

При передаче крутящего момента в сечении вала возни­кают внутренние напряжения, но если при растяжении на­пряжения по своей величине одинаковы во всех точках се­чения, то при кручении дело обстоит по-другому: на оси вала они равны нулю, в точках, близких к оси, весьма малы и возрастают по мере удаления от оси, достигая своего мак­симального значения у наружного диаметра. Таким обра­зом, материал средней части вала при передаче крутящего момента почти не нагружен и практически не используется. Значит, валы и стержни можно изготавливать пустотелыми без ущерба для их прочности, но зато значительно меньшего веса. Например, у вала с наружным диаметром 48 мм с тол­щиной стенки 5 мм прочность такая же, как у сплошного вала диаметром 40 мм, но в два раза легче его (рис. 20).

Расчеты показывают, что такая замена позволяет зна­чительно снизить вес конструкций. Это особенно важно при изготовлении различных транспортных средств, где снижение веса конструкции позволяет экономить металл и использовать мощность двигателя для увеличения веса перевозимого груза. Поэтому-то рамы велосипедов, мото­циклов и многие другие конструкции изготавливают из труб. Пустотелые стержни вместо сплошных широко приме­няют и в станкостроении. Например, пустотелый шпиндель токарного и револьверного станков дает возможность из­готавливать детали из прутка, а это значительно уменьшает количество отходов. Через пустотелые шпиндели фрезерных станков проходят стержни, с помощью которых достига­ется надежное крепление в шпинделе оправок для фрез.

Конструкции из труб применяют и юные техники, на­пример, при изготовлении картов (рис. 21).

Использование труб вместо сплошного стержня должно, разумеется, производиться без малейшего ущерба для проч-

Ности конструкции, поэтому такую замену можно произво­дить лишь после предварительной тщательной проверки расчетом.

Прочность любого вала будет в пределах нормы, если возникающие в нем при кручении внутренние напряжения не превысят допускаемых. При кручении величину допус­каемого напряжения обычно принимают равной 0,5—0,6 допускаемого напряжения на растяжение. Для мягкой ста­ли допускаемое напряжение при кручении /?^=200 кг! см2, А для твердой стали =300-7-1200 кг! см2, в зависимости от характера нагрузки и сечения вала

Зная величину крутящего момента и допускаемые на­пряжения, необходимый диаметр сплошного вала опреде­ляют по формуле:

Где:

^внутр.

А = - т--------- ; Л7кр—крутящии момент на валу.

"наружн.

Если вал передает вращение от двигателя мощностью N киловатт и делает при этом п оборотов в минуту, то крутящий момент на валу, выраженный в килограммо-сан - тиметрах, будет равен:

N

МКГ) =97360 — кгсм.

Кр. п

Пример. Определить диаметр стального вала, передаю­щего вращение от электродвигателя мощностью 2 кет при я =1000 об /мин.

Мкр. = 97 360 = 195 кгсм.

Принимая допускаемое напряжение равным 200 кг! см2, Находим диаметр вала сплошного:

D= 18 мм = 18-Ю-3 м.

Приняв a=^ritL = 0,8,

"наружн.

Определим диаметры полого вала равной прочности:

З / 195

Снаружи. = 1.7. У (1-0,8)4 200^2>0сл* = 2() ** = 2'10-а dBHyTp.= 20-0,8 =16 лип = 16. ю-3 м.

Иначе говоря, пустотелый вал диаметром 20 мм при толщине стенки 2 мм по прочности на скручивание равен сплошному валу диаметром 18 мм. Но он в 2,2 раза легче!