Узловые соединения. Узлы лонжерона. Нагружение стыковых узлов лонжеронного крыла

Лекция № 15.

Узловые соединения.

(Уч. [3]  Зайцев В.Н., Рудаков В.Л. и др. «Конструкция и прочность самолётов»).

Отдельные части самолёта соединяются между собой посредством узловых соединений. Последние могут быть неразъёмными или разъёмными.

Неразъёмные соединения получают клёпкой, сваркой, пайкой или склеиванием сочленяемых деталей. К числу таких соединений относятся, например, соединения обшивки со стрингерами и нервюрами, нервюр со стенками лонжеронов и т. д.  Для неразъёмных соединений характерно то, что их разборка сопряжена с разрушением крепёжных деталей или даже самих сочленяемых элементов.

Разъёмные соединения в зависимости от степени их подвижности под нагрузкой подразделяются на неподвижные, малоподвижные и подвижные.

Неподвижные соединения обеспечивают неизменяемое взаимное положение сочленяемых деталей, но, вместе с тем, допускают и их разборку. К таким соединениям относятся стыки отъёмной части крыла с центропланом, киля с фюзеляжем, отдельных частей фюзеляжа между собой и т. п.

Малоподвижные соединения характеризуются тем, что относительные перемещения сочленяемых деталей происходят сравнительно редко, процесс взаимного перемещения кратковременен и происходит под действием относительно небольших нагрузок. К таким соединениям можно отнести узлы крепления подкосов убирающихся стоек шасси, узлы крепления навески крышек люков и др.

Подвижные соединения характеризуются частой повторяемостью взаимных перемещений сочленяемых деталей и значительными нагрузками, действующими на элементы, как в неподвижном положении, так и в процессе взаимного перемещения их. К таким соединениям относятся, например, узел крепления рычага подвески колеса к стойке в рычажной схеме шасси, узел крепления крыла изменяемой стреловидности, крепление управляемого стабилизатора, шарнирные соединения проводки управления рулями, шарнирные навески рулей и т. п.

Правильная оценка степени подвижности соединения играет большую роль в расчётах прочности узлов, поскольку от этого зависит выбор допускаемых напряжений смятия.

Надёжность конструкции планера в значительной степени определяется надёжностью узловых соединений, которые в силу специфики конструкции всегда имеют участки с повышенной концентрацией напряжений и поэтому относятся к числу «слабых» элементов в отношении усталостной прочности. Надёжность узлового соединения, как и всех других деталей, закладывается в начальной стадии проектирования, когда выявляются нагрузки на соединение и рассчитывается его прочность. Следует отметить, что анализ нагружения и работы узловых соединений весьма сложен. Последнее объясняется тем, что распределение усилий между элементами узлового соединения зависит не только от его конфигурации и характера нагрузок, но и от технологии изготовления и сборки соединения, а также от условий эксплуатации. Наличие рисок, забоин, коррозия, ослабление соединения с течением времени меняет распределение напряжений в соединении. Учесть эти факторы трудно. В практике поэтому разъёмные узлы рассчитывают на нагрузку, которая на 25 % превышает расчётную нагрузку соединяемых деталей. Это равносильно увеличению коэффициента безопасности для узловых соединений в 1,25 раза.

Расчёт неразъёмных соединений был дан в гл.3. (Нагружение и расчёт крыла на прочность). Ниже рассматриваются разъёмные соединения. К наиболее типичным узлам самолёта относятся узлы сочленения отъёмной части крыла с центропланом. Поэтому ниже, в основном, рассматривается конструкция, нагружение и расчёт лишь стыковых узлов крыла.

Стыковые узлы лонжеронных крыльев разделяются на моментные, т. е. узлы, которые обеспечивают передачу поперечной силы и момента,  и шарнирные, которые передают лишь поперечную силу и не передают момента. В моноблочных крыльях стык осуществляется многоболтовым соединением по контуру сечения несущего кессона.

§ 1. Узлы лонжерона

1.1.  Нагружение стыковых узлов лонжеронного крыла от сил Q_x, Q_y  и моментов  М_х, М_у показано на рис 9.1. проушины переднего лонжерона при этом нагружаются усилиями

;

;                 , где М₁ – изгибающий момент переднего лонжерона, определяемый из расчёта корневого сечения крыла;

R₁ – реакция по переднему лонжерону, определяемая из условия равновесия крыла;

S – сила, приходящаяся на одно ушко. Нагрузки заднего лонжерона определяются подобным образом.

Рис. 9.2.

1.2.  Конструкция моментных узлов.

Узлы могут быть сборноклёпанной или монолитной конструкции.

Основными элементами узла сборно-клёпанной конструкции (рис. 9.2, а) является башмак 1 (ухо) с проушиной, стойка 2 и стыковочные болты. Башмак соединяется с поясом лонжерона и стойкой, которые, в свою очередь, соединены со стенкой. Осевая сила пояса срезом болтов передаётся на башмак, откуда смятием проушины и срезом стыкового болта – на ответные проушины узла центроплана. Основное назначение стойки заключается в передаче поперечной силы стенки на верхний и нижний башмаки узла. Кроме того, стойка работает на изгиб, воспринимая совместно с поясами лонжеронов момент, который возникает из-за эксцентриситета силы стыкового болта относительно точки, лежащей на линии пересечения оси стойки и оси центров тяжести сечений пояса.

В монолитной конструкции (рис. 9.2, б, в) башмак и стойку выполняют заодно с поясом и стенкой. Проушины могут располагаться  в вертикальной плоскости, т. е. в плоскости узла (рис. 9.2, а, б), или в горизонтальной (рис. 9.2, в). В последнем случае узел получается более компактным по высоте. Основное достоинство такого узла в том, что в нём уменьшается или полностью устраняется эксцентриситет силы в поясе по отношению к силе на стыковом болту. Чтобы при этом исключить изгиб ушка от вертикальных сил в узле и уменьшить, таким образом, местный изгиб пояса лонжерона и стойки, узлы иногда дополняют средним ухом (рис. 9.3), которое обеспечивает передачу поперечной силы. Конфигурация узла с раздельными элементами для передачи поперечной силы и осевых сил поясов получается сравнительно простой. Концентрация напряжений в таком узле невелика, надёжность его выше, чем узлов, у которых ушки нагружаются одновременно продольными и поперечными силами. С целью повышения надёжности узла и улучшения условий работы стыковых болтов на срез стремятся узлы делать многоушковыми. Такая конструкция относится к числу безопасно разрушаемых. В этом случае разрушение одного ушка ещё не означает разрушения всего соединения.