Одним из средств снижения массы соединений с натягом является применение пустотелых валов. При этом необ­ходимо обеспечить достаточную прочность соединения. В связи с этим встает вопрос об оптимальной величине внутреннего отверстия вала, так как оно одновремен­но определяет степень снижения массы и напряжен­ное состояние в зоне сопряжения, от которого зависит надежность соединения и сопротивление усталости вала.

Для выбора оптимального размера отверстия иссле­довали образцы валов диаметром 30 и 70 мм при кон­сольном круговом изгибе. Для испытанных соединений D/L= 1. Все валы диаметром 30 мм изготовляли из прут­ковой стали 40 одной плавки с ов=720 МПа, валы диа­метром 70 мм — из осевой стали ОсВ также одной плав­ки. Ступицы изготовляли из стали Ст5. Подступичные части валов обрабатывали точением с последующим шлифованием. Отверстия ступиц диаметром 30 мм шли­фовали, а диаметром 70 мм — растачивали. Внутреннее отверстие в валах высверливали. Соединения формиро­вали механическим способом, сопрягаемые поверхности при этом смазывали вареным льняным маслом. Полови­ну всех образцов валов накатывали роликом до выпол­нения внутреннего отверстия, чем обеспечивали идентич­ные режимы пластического деформирования поверхност­ной части вала. Натяг соединений с различными отверстиями вала устанавливали исходя из среднего расчетного давления 65 МПа.

Изучение рд=/(Л/) (где N — число циклов) при тре­нировке круговым изгибом выполняли путем периодичес­ких смещений вала в ступице на величину 0,2—0,5 мм через каждые 5-106 переменных нагружений при базе испытаний 50- 10е циклов.

За исходную прочность соединения принимали уси­лие при втором — третьем сдвиге, которые производили при заданной величине напряжений вала. Напряжения изгиба образцов вала в процессе испытаний поддержи­вали на определенном уровне ниже ранее зафиксирован­ного предела выносливости. Наибольшее количество

Рис. 3.23. Прочность соединений на сдвиг при различной тренировке вала переменным изгибом

(26 штук диаметром 30 мм и 14 штук диаметром 70 мм) образцов было испытано при уровне напряжений 55 и 80 МПа в подступичной час­ти вала.

В результате испытаний установлено, что прочность соединений в процессе тренировки оси изгибом не оста­ется постоянной (рис. 3.23). В первоначальный период прочность сопряжений возрастала. Соединения, у кото­рых это явление было менее выражено, имели, как пра­вило, относительно большой диаметр внутреннего отвер­стия. В процессе дальнейшей тренировки прочность сопряжений или оставалась на достигнутом уровне, или снижалась. Снижение прочности было наиболее значи­тельным в случаях, когда диаметр отверстия вала пре­вышал 0,5 диаметра ее подступичной части. У таких соединений после 50-106 циклов зарегистрировано умень­шение исходной прочности на 15%. У образцов диамет­ром 70 мм с отверстием в вале диаметром 50 мм снижения прочности не произошло, однако уровень их ис­ходной прочности был существенно ниже, чем у образ­цов с меньшими отверстиями. Накатка роликом вала не влияла на прочность соединений.

Снижение прочности соединений с увеличенными диаметрами внутреннего отверстия вала может быть вызвано релаксацией напряжений или пластическими деформациями сопрягаемых деталей. Напряжения в пу­стотелом валу при одинаковых давлениях будут больше напряжений сплошного вала и зависят от размеров от­верстий. В соответствии с расчетами [29], ci = —0,35 р0; 02=ot", оз=—1,15 ро, т. е. напряженное состояние пусто­телого вала в основном определяется напряжениями ot, TXz, Ta:У, кривые изменения которых для образцов диа­метром 70 мм при различном диаметре внутреннего отверстия вала приведены на рис. 3.24. Можно видеть, что напряженное состояние пустотелого вала может существенно отличаться от сплошного. При малых диа­метрах отверстия это отличие невелико, однако при уве­личении D0/D разница весьма значительна.

Рис. 3.24. Напряжения в валах с раз­личными отверстиями, р0 = 100 МПа

Таким образом, при равных одинаковых контактных давле­ниях начальный уровень напря­жений от напрессовки у пустоте­лых валов может быть сущест­венно выше. Величина начальных напряжений является одним из основных факторов, вызывающих релаксацию. С повышением уров­ня исходных напряжений процесс релаксации интенсифицируется. Надо полагать, что у валов с увеличенными размерами внутреннего отверстия релаксация напряжения может происходить в большей степени и вследствие этого сни­жать прочность соединения. Отмеченное в исследованиях снижение исходной прочности у соединений с отноше­нием D0/D=0,5 и объясняется этим явлением. Следует, однако, иметь в виду, что на рис. 3.24 рассматривалось напряженное состояние подступичной части вала только от напрессовки втулки. При приложении изгибающего момента давление в определенных зонах соединения увеличивается, а поэтому релаксацию следует рассмат­ривать как процесс суммарного воздействия статиче­ских напряжений, вызванных напрессовкой и динамиче­скими нагрузками.

При испытаниях соединений диаметром 70 мм с от­верстием вала диаметром 50 мм снижения прочности не было, уменьшалась лишь исходная прочность. Это можно объяснить тем, что напрессовка ступицы вызвала пластическую деформацию вала с образованием остаточ­ной деформации, в результате чего и снизилась исходная прочность. Пластическая деформация (наклеп) вызва­ла увеличение релаксационной стойкости и вследствие этого прочность соединения после тренировки изгибом не снизилась.

Полученные результаты относятся к валам, изготов­ленным из среднеуглеродистой стали. Для других метал­лов условия наступления пластических деформаций и релаксации напряжений будут отличаться от установ­ленных, поэтому диаметр отверстия вала, при котором прочность не снижается, будет иным.