Шпоночные, зубчатые (шлицевые) и профильные соединения Исполнитель

Шпоночные, зубчатые (шлицевые) и профильные соединения

Цель занятия: изучить конструктивные особенности шпоночных, зубчатых (шлицевых) и профильных соединений, овладеть навыками расчета

План:

1.Шпоночные соединения.

1.1 Соединения клиновыми шпонками

1.2. Соединения призматическими шпонками

1.3. Материал шпонок и допускаемые напряжения.

1.4. Оценка соединений призматическими шпонками и их применение.

1.5. Общие замечания по расчету шпоночных соединений

2. Зубчатые (шлицевые) соединения

2.1. Конструкция и классификация

2.2. Расчет зубчатых соединений

2.3. Оценка и применение зубчатых соединений

3. Профильное (бесшпоночное) соединение

{spoiler=Подробнее}

Ключевые слова: шпоночные соединения, детали, зубчатые соединения, три типа зубчатых соединений, прочность, материал, и допускаемые напряжения.

Шпоночные, зубчатые и профильные соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т. д. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом.

ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные, а вторая — ненапряженные соединения. Размеры шпонок и допуски на них стандартизованы.

Соединения клиновыми шпонками

Врезные клиновые шпонки характеризуются следующими положениями: свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающего момента от вала к ступице в основном за счет сил трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки.

Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторую величину ∆, равную половине зазора посадки и деформации деталей. Это смещение вызывает дебаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших скоростях вращения.

Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна к оси вала. Обработка паза в ступице с уклоном, равным уклону шпонки, создает дополнительные технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства.

Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства, которое без больших затруднений может обеспечить точную посадку ступицы на вал. В прежнее время, когда было трудно обеспечить посадку ступицы на вал без больших зазоров, клиновая шпонка являлась средством исправления дефектов производства, так как она выбирала зазор и создавала натяг в соединении.

Еще до приложения нагрузки в соединении образуются напряжения σ₁ и σ₂

Для решения задачи о прочности соединения рассмотрим условия равновесия вала под нагрузкой моментом Т . В расчетной схеме по рис. действие напряжений σ₁ и σ₂ заменено равнодействующими N. Момент стремится повернуть вал в отверстии ступицы. Этому повороту препятствует пара сил трения F=Nf и защемление шпонки. При защемлении левая половина шпонки дополнительно нагружается, а правая разгружается. Эпюра напряжений на гранях шпонки из равномерной преобразуется в трапецеидальную с максимальным напряжением σ. За расчетную принимают треугольную эпюру, соответствующую границе раскрытия стыка с правой стороны шпонки, т. е. такую, при которой напряжения смятия еще распространяются на всю ширину шпонки, но у правой кромки уже близки к нулю. При этом точка приложения равнодействующей N смещается от центральной оси на величину . Величину σ определяют из условий.                               σbl/2 = N       и

Решив их совместно относительно σ , получим

Условием нераскрытия стыка является               

Условие прочности по смятию                                         

В настоящее время нет данных о величине σ₁, которую можно получить при запрессовке шпонки. Поэтому расчет производят по условию , в котором [σ_см] устанавливают на основании опыта:

[σ_см] = 800 ¸ 1000 кгс/см². При этом σ₁ » 400 ¸ 500 кгс/см² екомендуют также принимать f = 0,13 ¸ 0,18.

Фрикционная шпонка является одной из разновидностей клиновой шпонки. Конструкция соединения ясна из чертежа. В этом соединении нагрузка передается только трением. Поэтому его можно использовать как предохранительное при перегрузках. Кроме того, фрикционная шпонка позволяет регулировать положение ступицы на валу как в угловом, так и осевом направлении, что также используют на практике. При расчете прочности соединения обычно не учитывают влияния изменения формы первоначальной эпюры напряжений σ₁ от действия момента сил трения (Nfh), приложенного к шпонке. В этом случае, рассмотрев равновесие вала, получим условие прочности соединения в виде

где σ₁ ≈ 400 ¸ 500  кгс/см².

         Соединения призматическими шпонками

Это соединение ненапряженное и требует изготовления вала и отверстия в ступице с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия σ_см, а в продольном сечении шпонки — напряжения среза τ.

Для простоты расчета допускают, что шпонка врезана в вал наполовину своей высоты, напряжения σ_см распределяются равномерно по высоте и длине шпонки, а плечо равнодействующей этих напряже­ний равно d/2.

Рассматривая равновесие вала или ступицы при таких допущениях, получим условия прочности в виде:

У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчетах обычно используют только формулу (1).

Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные в осевом направлении соединения ступицы с валом (коробки скоростей и др.) Силы трения, возникающие при

перемещении ступицы в подвижном соединении, могут нарушить правильное положение шпонки, поэтому ее рекомендуют крепить к валу винтами .

В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице .

Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этих шпонок подобен принципу работы призматической шпонки.

Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Это предохраняет шпонку от перекоса (выворачивания) под нагрузкой. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на мало нагруженных участках вала, например на концах валов. Аналогично соединению с призматической шпонкой для сегментной шпонки получим

¸

При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегмент­ные шпонки.

Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой (штифтом) показана на рис. Цилиндрическая шпонка может использоваться

для закрепления деталей на конце вала. Отверстие под шпонку сверлят и обрабатывают разверткой после посадки ступицы на вал. При больших нагрузках ставят две или три цилиндрические шпонки, располагая их под углом 180^º или 120°. Цилиндрическую шпонку

устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжениям смятия аналогично формуле (1)

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготовляют из чистотянутых стальных прутков — углеродистой или легированной стали с пределом прочности σ_в не ниже 50 кгс/мм². Величина допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал.

Для неподвижных соединений допускают:

при переходных посадках [σ_см] = 800 ¸ 1500 кгс/см² » 80 ¸ 150 МПа;

при прессовых посадках [σ_см] = 1100 ¸ 2000 кгс/см² » 110 ¸ 200МПа.

Меньшие значения для чугунных ступиц и при резких изменениях нагрузки.

В подвижных соединениях допускаемые напряжения значительно снижают в целях предупреждения задира и ограничения износа.

При этом принимают [σ_см] » 200 ¸ 300 кгс/см² » 20 ¸ 30 МПа.

Оценка соединений призматическими шпонками и их применение

В настоящее время призматические шпонки широко применяют во всех отраслях машиностроения. Простота конструкции и сравнительно низкая стоимость являются главными достоинствами этого вида соединений.

Отрицательные свойства: соединение ослабляет вал и ступицу шпоночными пазами; концентрация напряжений в зоне шпоночной канавки снижает усталостную прочность вала; прочность соединения, как правило, ниже прочности вала и ступицы и в особенности при переходных посадках или посадках с зазором.

Технологическим недостатком призматических шпонок является трудность обеспечения их взаимозаменяемости, т. е. необходимость пригонки или подбора шпонки по пазу, что ограничивает их применение в крупносерийном и массовом производствах.

Пригонкой стремятся обеспечить устойчивое положение шпонки в пазах, так как перекос (выворачивание) шпонки значительно ослаб­ляет соединение. Сегментная шпонка с глубоким пазом в этом отношении обладает преимуществом перед простой призматической шпонкой. Ее предпочитают применять при массовом производстве.

Общие замечания по расчету шпоночных соединений

Все размеры шпонок и допуски на них стандартизованы. Стандарт предусматривает для каждого размера вала определенные размеры поперечного сечения шпонки. Поэтому при проектных расчетах размеры b и h берут по справочнику и определяют l Расчетную длину шпонки округляют до ближайшего стандартного размера.

Полученные выше расчетные формулы не учитывают влияния сил трения, которые образуются в соединении при посадках с натягом. Эти силы трения частично разгружают шпонку и учитываются при выборе величины допускаемых напряжений.

В тех случаях, когда одна шпонка не может передать заданного момента, устанавливают две или три шпонки. При этом призматические шпонки обычно располагают под углом 180°. При расчете прочности многошпоночного соединения допускают, что нагрузка распределяется равномерно между всеми шпонками.

Следует учитывать, что постановка нескольких шпонок связана с технологическими затруднениями, а также ослабляет вал и ступицу. Поэтому в настоящее время многошпоночные соединения почти не применяют. Их заменяют зубчатыми соединениями.

ЗУБЧАТЫЕ (ШЛИЦЕВЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ

Конструкция и классификация

Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы .

Все размеры зубчатых соединений, а также допуски на них стандартизованы. По форме профиля зубьев различают три типа соединений: прямобочные, эвольвентные, треугольные.

Соединения с прямобочными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням зубьев, по наружному или внутреннему диаметру вала. Стандартом предусмотрены три серии соединений (легкая, средняя и тяжелая), которые отличаются высотой и количеством зубьев. Число зубьев изменяется в пределах от 6 до 20. У соединений тяжелой серии зубья выше, а их количество больше, чем у соединений средней и легкой серий.

При выборе способа центрирования руководствуются следующим.

Центрирование по диаметрам (D или d) обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы по сравнению с центрированием по боковым граням. Центрирование по боковым граням обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям. Поэтому его применяют при тяжелых условиях работы (большие напряжения, ударные и реверсивные нагрузки и т. п.).

Диаметр центрирования (наружный или внутренний) выбирают исходя из технологических условий. Если твердость материала втулки позволяет обработку протяжкой (НВ < 350), рекомендуют центрирование по наружному диаметру. При этом центрирующие поверхности втулки калибруют протяжкой, а центрирующие поверхности вала — шлифованием. При высокой твердости втулки рекомендуют центрирование по внутреннему диаметру. В этом случае центрирующие поверхности отверстия и вала можно обработать шлифованием.

Соединение с эвольвентными зубьями выполняют с центрированием  по боковым граням или по наружному диаметру вала .Наиболее распространен первый способ центрирования. Эвольвентные зубья протяжки или самого соединения можно изготовлять на зуборезных станках и получать при этом высокую точность. Технологические преимущества этих соединений обеспечивают им все

более широкое применение. Эвольвентные зубья, так же как и прямобочные, можно применять в подвижных и неподвижных соединениях.

Соединения с треугольными зубьями не стандартизованы, их применяют главным образом как неподвижные при тонкостенных втулках и стесненных габаритах по диаметру. Это соединение имеет большое число мелких зубьев (до 70), что позволяет применять его в тех случаях, когда требуется регулировать положение ступицы на валу в окружном направлении. Вследствие технологических трудностей треугольные зубья часто заменяют мелкими эвольвентными зубьями.

2.2. Расчет зубчатых соединений

Размеры зубьев, аналогично шпонкам, выбирают по таблицам стандартов в зависимости от диаметра вала. Боковые поверхности зубьев испытывают напряжения смятия, а в сечениях у их оснований возникают напряжения среза и изгиба .

Для зубьев стандартного профиля решающее значение имеют напряжения смятия, которые определяют по формуле

где К»0,7 ¸0,8 — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения усилий между зубьями; z — число зубьев; h — высота поверхности контакта зубьев; l — рабочая длина зубьев; r_ср — средний радиус поверхности контакта;    для прямобочных зубьев h»m;r_ср=mz/2-  для эвольвентных зубьев.( m-модуль).

         Рекомендации по выбору величины допускаемых напряжений приведены в таблицах.

Оценка и применение зубчатых соединений

Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными обладают рядом преимуществ ,главными из которых являются следующие: а) детали лучше центрируются на валах и имеют лучшее направление при осевом перемещении; б) прочность соединения ,в особенности при динамических нагрузках ,повышается за счет увеличения суммарной рабочей поверхности зубьев по сравнению с поверхностью шпонки ,а также за счет уменьшения глубины пазов и равномерного распределения нагрузки по окружности вала.

Преимущества шлицевого соединения перед шпоночным обусловили его широкое применение в высоконапряженных машинах (автотракторная промышленность, станкостроение,авиостроение и т.д.)

ПРОФИЛЬНОЕ (БЕСШПОНОЧНОЕ) СОЕДИНЕНИЕ

Профильным соединением называется такое,у которого втулка сажается не на круглую поверхность вала. Простейшим профильным соединением является соединение с квадратным валом . Недостатки этого соединения — сложность изготовления отверстия и концентрация напряжений в углах.

Технологические трудности не позволяют изготовить соединение с точностью, достаточной для передачи больших крутящих моментов.

         Соединение рассчитывают приближенно по напряжениям смятия, возникающим на рабочих гранях. При выводе расчетных формул полагают, что зазор в соединении равен нулю. При этом напряжения смятия распределяются по схеме, представленной на рис , а расчетным уравнением будет:

Размер стороны квадрата рекомендуется принимать а » 0,75 d. Более совершенными являются профильные соединения с овальным контуром поперечного сечения, обладающим свойством равноосности — неизменности расстояния между двумя параллельными касательными (рис.). В этом случае вал можно обрабатывать на токарных станках с копировальным устройством или на специальных станках для бескопирного точения валов некруглого сечения, а также на зуборезных станках, работающих по методу обкатки. Окончательную обработку отверстия выполняют фасонными протяжками.

По сравнению со шпоночными и зубчатыми соединениями профильные соединения обладают рядом преимуществ: они обеспечивают лучшее центрирование деталей, не имеют острых углов и резких переходов сечения, вследствие чего здесь нет концентрации напряжений и опасности возникновения трещин при термообработке. -

Можно ожидать, что этот сравнительно новый способ соединения будет развиваться по мере совершенствования технологии обработки и точности изготовления деталей с фасонными поверхностями.

Вывод:   изучив   данную  тему,   студенты   получили   знания   о   шпоночных, зубчатых и профильных соединениях.

Контрольные вопросы:

1. Для чего служат шпоночные, зубчатые и профильные соединения?

2. Виды шпонок?

3. Недостатки клиновой формы шпонок?

4. Материал шпонок?

5. Три типа зубчатых соединений?

6. Преимущества зубчатого соединения по сравнению со шпоночным?

7. Какое соединение называется профильным?

{/spoilers}