6.2.3.1 Конструкция и параметры соединения
Конструкция соединения призматической шпонкой представлена на рисунке 9.1.
 |
На рисунке введены следующие обозначения: d – номинальный диаметр соединения; b´h – размеры (ширина и высота) поперечного сечения шпонки; ℓст – длина ступицы; ℓш – длина шпонки; ℓр – рабочая длина шпонки; Δ – гарантированный зазор между шпонкой и дном паза ступицы; t1 и t2 – глубина врезания шпонки в вал и ступицу; Т1 и Т2 – вращающие моменты (движущий и сопротивления); ω – угловая скорость; hF1, hF2 – плеч сил Ft1 и Ft2 (равнодействующих давлений в стыках вал-шпонка и шпонка-ступица).
Размеры b´h принимают в зависимости от d
b´h=f(d), b=(0,2…0,3)d,
причем b:h = 1:1…2:1 (например, 6´6…80´40 мм).
Длина шпонки
ℓш=ℓст–5…10 мм.
Рабочая длина шпонки зависит от исполнения, например, для шпонки со скругленными концами (см. рис.9.1 б)
ℓр=ℓш–b.
2.3.2 Взаимодействие и напряженно-деформированное состояние деталей соединения
В рассматриваемом случае осуществляется только угловая фиксация ступицы на валу для передачи вращающего момента от вала к ступице или наоборот. Рабочими гранями при этом являются узкие боковые.
Детали соединения испытывают смятие, а шпонки – дополнительно сдвиг (срез) (см. рисунок 9.1).
2.3.3 Виды отказов и расчета. Критерии работоспособности
Основной вид отказов – смятие рабочих поверхностей.
При проектировании необходимо обеспечить прочность соединения. Так как |Т1|=|Т2|=Т, то учитывая, что hF1<hF2 (см. рисунок 9.1 в), имеем
Ft1>Ft2 .
Следовательно, при t1=t2
sсм 1>sсм 2 .
Поэтому для обеспечения равнопрочности по смятию, как правило, принято что (ГОСТ 23360-78)
t1>t2 , (t2 ≈0,4h)
2.3.4 Расчет на прочность
Шпоночные соединения следовало бы рассматривать на прочность по напряжениям смятия и среза. Однако при стандартизации ширина b и высота h шпонки назначены таким образом, что запас прочности по срезу больше, чем по смятию. Поэтому стандартные соединения рассчитывают только на смятие.
Условие прочности имеет вид
sсмi =Fti/Aсмi ≤[sсм]min; i = 1; 2.
Так как Fti=Т/hFi; hFi≈d/2 и Aсмi =tiℓр, то окончательно
где Т – передаваемый вращающий момент, Н∙м; [sсм]min – допустимое напряжение смятия менее прочной детали. Целесообразно, чтобы это была шпонка.
Принимая, что t2 ≈0,5h, будем иметь
sсм=4T×103 /(dhℓр)≤[sсм]min.
Отсюда
ℓрmin =4T×103 /(dh[sсм]min).
2.3.5 Допускаемые напряжения
[sсм]min =sT min/[S,
где sTmin – предел текучести материала менее прочной детали (шпонки); [S] – допускаемое значение коэффициента безопасности, причем [S]=1,5…2 и [S]=2,2…3 при нереверсивной спокойной и реверсивной нагрузке соответственно.
2.3.6.Достоинства и недостатки шпоночных соединений
Достоинства – простота конструкции; возможность жесткой угловой фиксации насаживаемой детали.
Недостаток призматических шпонок – трудоемкость в изготовлении (требуется ручная пригонка или подбор), что ограничивает их применение в соединениях машин крупносерийного и массового производства. Кроме того, шпоночный паз ослабляет вал и является концентратором напряжений.
2.4 Напряженные соединения клиновыми шпонками
Клиновые шпонки – клинья, как правило, с уклоном 1:100, обеспечивающим самоторможение. У них рабочими являются широкие верхняя и нижняя грани, а по боковым граням имеется зазор. Эти шпонки создают напряженное соединение и обеспечивают как угловую, так и осевую фиксацию, т.е. такое соединение способно передавать не только вращающий момент, но и осевую силу.
Достоинства соединений – отсутствие зазоров и поэтому хорошее восприятие ударных нагрузок.
Недостатки соединений – клиновые шпонки при сборке вызывают радиальное смещение оси ступицы по отношению к оси вала на величину радиального посадочного зазора и контактных деформаций. Кроме того, возможен перекос соединительных деталей. В этой связи область применения клиновых шпонок сейчас резко сократилась.
2.5 Конструирование шпоночных соединений
Данный вопрос рассматривается в работе /17/.
3 Шлицевые соединения
3.1 Функциональное назначение и конструкция соединения
Шлицевое соединение (рисунок 9.2) условно можно рассматривать как многошпоночное, у которого шпонки выполнены за одно целое с валом.
 |
Шлицевые соединения предназначены для жесткой угловой фиксации ступиц деталей на валах.
3.2 Достоинства шлицевых соединений
По сравнению со шпоночными соединениями они имеют следующие преимущества: повышенную нагрузочную способность благодаря значительно большей поверхности контакта, равномерному распределению давления по высоте зубьев и меньшей концентрации напряжений у валов; высокую точность центрирования ступицы на валу; взаимозаменяемы. Это предопределяет использование соединений при больших нагрузках и частоте вращения в условиях массового производства.
3.3 Виды соединений. Способы центрирования
В зависимости от формы зубьев (см. рисунок 9.2) соединения с прямобочными, эвольвентными и треугольными шлицами.
Шлицевые соединения могут быть неподвижными и подвижными: без нагрузки (в коробках передач) и под нагрузкой (карданные валы автомобилей).
Наибольшее применение в машиностроении имеют прямобочные шлицевые соединения, размеры которых стандартизированы по
ГОСТ 1139.
Эвольвентное шлицевое соединение (ГОСТ 6033) отличается от прямобочного более совершенной технологией изготовления, повышенной прочностью самих шлиц и валов и точностью центрирования.
Треугольное шлицевое соединение применяется для неподвижных соединений при небольших нагрузках, на тонкостенных деталях и т.п.
При соединении шлицевой втулки с валом различают три способа их относительного центрирования: по наружному диаметру D, по боковым сторонам зубьев b и по внутреннему диаметру d. Более подробно по данному вопросу рассматривают в курсе «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения» / 37 /.
3.4 Условия работы. Виды отказа
Эксперименты показывают, что при работе шлицевых соединений при радиальных нагрузках и изгибающих моментах происходят скольжение и изнашивание, связанные с зазорами и контактными деформациями /11, 27 /, особенно в тех случаях, когда отсутствует подача смазочного материала, например, в шлицевых соединениях валов в муфтах.
Основные виды отказа шлицевых соединений связаны с повреждениями рабочих поверхностей зубьев в виде: износа, смятия, фреттинг-коррозии и заедания. Кроме того, возможны поломки шлицевых валов и зубьев.
3.5 Критерии работоспособности и расчета
Главными критериями работоспособности шлицевых соединений являются износостойкость, стойкость против заедания и прочность.
Надежность соединений обеспечивается выбором соответствующего материала, упрочнением (поверхностная закалка с нагревом ТВЧ, цементация или нитроцементация с закалкой, азотирование) рабочих поверхностей шлицев и расчетом.
Основным считают расчет на износ с проверкой на смятие до приработки / 27 /.
3.6 Расчеты шлицевых соединений
Выбранные по расчетному диаметру вала d и длине ступицы ℓр в соответствии со стандартами шлицевые соединения проверяются на износостойкость.
Исходное условие износостойкости (по напряжению смятия)
sсм=F1 /Aсм1≤[s]усл,
где F1–окружная сила, приходящаяся на один шлиц (рисунок 9.3);
Aсм1 – площадь смятия одного шлица; [s]усл – условное допускаемое давление.
Так как F1=T/(rmz) и Aсм1=hpℓр, то окончательно
sсм=T103/(SFℓр)≤[s]усл,
где SF=rmzhp;
rm=0,5dm=0,25(D+d);
hp =0,5(D–d)–2C.
В приведенных выражениях Т – вращающий момент, Н·м; S F – удельный суммарный статический момент рабочей
поверхности всех шлицев относительно оси вращения; ℓр – рабочая длина соединения; dm – средний по высоте шлицев диаметр; z – число шлицев; hp – рабочая высота шлицев; С – радиальный размер фасок.
3.7 Выбор условного допускаемого давления
Ограничимся случаем упрощенного расчета (по ГОСТ 2125) прямобочных шлицевых соединений, имеющих преимущественное применение. Для него [s]усл выбирают из таблиц стандарта в зависимости от твердости
[s]усл=f(HRCЭ),
причем [s]усл=90…205 МПа при твердости 20…60 HRCЭ.
4 Шариковые шлицевые соединения
Они используются в качестве подвижных соединений вал – ступица. Малые силы для перемещения, отсутствие зазора и большая угловая жесткость – достоинства этих соединений.
Допускаемые вращающие моменты соединений из цементуемых сталей
Т=0,016zшℓdD,
где Т, Н·м; zш – число рабочих шлицев; d – диаметр шариков, мм; D – диаметр окружности расположения центров шариков, мм; ℓ – рабочая длина соединения, мм.
5 Профильные соединения
Конструкция таких соединений представлена на рисунке 9.4.
Достоинства:
- рабочие поверхности деталей можно обрабатывать шлифованием, в том числе отверстия в ступицах, имеющих высокую твердость;
- обеспечение хорошего центрирования соединяемых деталей без концентрации напряжений в них;
- пониженный шум.
Недостатки: несущая способность таких соединений ниже, чем шлицевых, так как в соединениях с выпуклыми поверхностями напряжения смятия выше.
 |
Более благоприятно распределены напряжения у профилей с вогнутыми поверхностями, например, у трефных соединений (см. рисунок 9.4 д). Они представляют собой, по существу, крупные шлицы трапецеидального профиля и по прочности на смятие и изгиб равноценны последним, но имеют пониженное сопротивление кручению.
Из-за сложной технологии изготовления профильные соединения целесообразно применять при массовом производстве.
6 Штифтовые соединения
Конструктивные разновидности штифтовых соединений показан на
рисунке 9.5
Цилиндрический штифт, по существу, - круглая шпонка. Соединения воспринимают осевую силу Fa и вращающий момент Т. Штифты испытывают деформацию сдвига (среза) и смятия.
Более подробно о штифтовых соединениях изложено в / 17, 27 /.
 |
Вопросы для самоконтроля
1 Какие виды шпонок применяют в машиностроении и
каково их назначение?
2 Почему размеры поперечного сечения шпонок
назначают в зависимости от диаметра вала?
3 Объясните, почему глубина шпоночного паза вала
больше, чем ступицы.
4 Почему прочность призматических шпонок достаточно
проверить по напряжениям смятия?
5 В каких случаях рекомендуется применять сегментные
шпонки?
6 Почему клиновые шпонки не применяют в точном
машиностроении?
7 Каковы рекомендации по конструированию шпоночных
соединений?
8 По каким признакам классифицируют шлицевые
соединения?
9 Каковы достоинства шлицевых соединений по
сравнению со шпоночными?
10 Какие используют способы центрирования шлицевых
прямобочных соединений и в каких случаях?
11 В чем заключаются особенности расчета шлицевых
соединений?
12 Каковы достоинства шариковых шлицевых соединений?
13 Объясните конструкцию профильных соединений.
Каковы их достоинства и недостатки?
14 Каковы конструктивные формы штифтов? Укажите
область их применения.