тел.(812)955-36-84
      (911)210-88-50
      

poisk-ru.ru

Стандартные ненапряженные шпоночные соединения

Соединения призматическими и сегментными шпонками относят к ненапряженным шпоночным соединениям.

Соединения шпоночные с призматическими шпонками. Размеры, мм

Призматические шпонки разделяют на:

Шпонки призматические по ГОСТ 23360-78. Основные размеры шпонок и сечений пазов

Обыкновенные и высокие шпонки применяют в неподвижных соединениях.

Таблица 1, а

Шпонки направляющие с креплением на валу по ГОСТ 8790-79 (СТ СЭВ 5612-86)

При необходимости осевого перемещения деталей применяют направляющие шпонки такого же сечения, как и обыкновенные, но закрепляют их на валу винтами.

В табл. 1, а и б приведены размеры сечения призматических обыкновенных и направляющих шпонок и пазов.

Таблица 1, б

Предусматривается три исполнения шпонок:

  1. с закругленными торцами;
  2. с плоскими тордами;
  3. с одним закругленным и другим плоским торцом.

Условные обозначения обыкновенных и направляющих призматических шпонок

Пример условного обозначения шпонки исполнения 1 по ГОСТ 23360-78 и ГОСТ 8790-79 соответственно размерами b=18мм, h=11мм, l=70мм:

Шпонка 18х11х70 ГОСТ 23360-78     Шпонка 18х11х70 ГОСТ 8790-79

То же, исполнение 2:

Шпонка 2 — 18х11х70 ГОСТ 23360-78     Шпонка 2 — 18х11х70 ГОСТ 8790-79

Ряд длин шпонок l по ГОСТ 23360-78 и l, l3, l4, l5 по ГОСТ 8790-79

В табл. 2 приведен ряд длин шпонок, предусмотренных ГОСТ 23360-78 и ГОСТ 8790-79.

Таблица 2

Соединения шпоночные с призматическими высокими шпонками по ГОСТ 10748-79

В табл. 3 приведены размеры высоких призматических шпонок с повышенной несущей способностью.

Таблица 3

Эти шпонки имеют два исполнения:

  1. с закругленными торцами;
  2. с плоскими торцами.

Применение их целесообразно, когда охватывающая деталь выполнена из материала с невысокой прочностью, например, из силумина.

Ряд длин шпонок по ГОСТ 10748-79 в мм

22, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 140, 160, 180, 200, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500.

Условные обозначения высоких призматических шпонок

Пример условного обозначения шпонки исполнения 1 по ГОСТ 10748-79 размерами b=20мм, h=18мм, l=100мм:

Шпонка 20х18х100 ГОСТ 10748-79

То же, исполнения 2:

Шпонка 2 — 20х18х100 ГОСТ 10748-79

Соединения шпоночные с сегментными шпонками по ГОСТ 24071-80 (СТ СЭВ 647-77)

В табл. 4 даны размеры сегментных шпонок и пазов для их установки. Соединения сегментной шпонкой обычно применяют в крупносерийном и массовом производствах, так как они не требуют ручной пригонки.

Таблица 4

Условные обозначения сегментных шпонок

Пример условного обозначения шпонки исполнения 1 по ГОСТ 24071-80 сечением b×h=5×6,5 мм:

Шпонка 5х6,5 ГОСТ 24071-80

То же, исполнения 2 сечением b×h=5×5,2 мм:

Шпонка 2 — 5х5,2 ГОСТ 24071-80

Допуски и посадки шпоночных соединений

Допуски и посадки шпоночных соединений стандартизированы. ГОСТ 23360-78, ГОСТ 8790-79 и ГОСТ 10748-79 предусмотрены три вида соединений с помощью призматических шпонок:

Таблица 5
Сегодня %d %M %y г.
%h:%m

Какие шпоночные соединения по конструкции относятся к ненапряженным


Детали машин



Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки и т. п.). Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот.

Основные типы шпонок стандартизированы.

Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковыми или концевыми фрезами, в ступицах – протягиванием (см. рис. 1).

Достоинства шпоночных соединений – простота конструкции, вследствие чего их широко применяют во всех областях машиностроения.

Недостатки – шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали. Ослабление вала обусловлено не только уменьшением его сечения, но, главное, значительной концентрацией напряжений изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом.

Шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовлении паза концевой фрезой, требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении дисковой фрезой – крепление шпонки в пазу винтами от возможных осевых перемещений.

***

Классификация шпоночных соединений

Шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и напряженные. Ненапряженные соединения получают при использовании призматических и сегментных шпонок. При сборке этих соединений в деталях не возникает монтажных напряжений. Для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии (фретинг-коррозии) ступицы устанавливают на валы с натягом.

Напряженные соединения получают при применении клиновых и тангенциальных шпонок (рис. 2). При сборке таких соединений возникают предварительные (монтажные) напряжения. Тангенциальные шпонки являются разновидностью клиновых шпонок. При запрессовке клиновых шпонок в соединении возникают распорные радиальные силы, что приводит к появлению дисбаланса. Клиновые шпонки в настоящее время применяются редко, поэтому их методика расчета на прочность здесь не рассматривается.

По форме различают три основных типа шпонок (кроме клиновых и тангенциальных, рис. 2) – призматические, сегментные и круглые.

Призматические шпонки (рис. 3) изготавливают в нескольких исполнениях – с плоскими и скругленными торцами. Округление торцов шпонки облегчает монтаж конструкции. Шпонки с плоскими торцами устанавливают вблизи деталей (концевых шайб, колец и т. п.), препятствующих ее осевому перемещению, поскольку призматическая шпонка не препятствует осевому перемещению деталей вдоль вала. Иногда для фиксации от осевого смещения призматические шпонки фиксируют распорными втулками или установочными винтами.

Сегментные шпонки (рис. 3), как и призматические, работают только боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов, так как глубокий паз значительно ослабляет вал. Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении и удобны для монтажа и демонтажа. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей устойчивое положение.

В отличие от призматических шпонок, сегментные шпонки не нуждаются в дополнительной фиксации от осевого перемещения.

***

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с σв ≥ 600 МПа – чаще всего из сталей марок Ст6, 45, 50.

Допускаемые напряжения смятия [σ]см для шпоночных соединений зависят от материала ступицы (вал, как правило, изготовляют из стали), типа посадки ступицы и характера нагрузки.

Так, неподвижное соединение при стальной ступице допускает напряжение 140…200 МПа, при чугунной ступице – 80…110 МПа. Большие напряжения допускаются при постоянной нагрузке, меньшие – при переменной.

Допускаемое напряжение при срезе шпонок [τ]ср = 70…100 МПа (Н/мм2). Большие допускаемые напряжения принимают для постоянной нагрузки.

***



Расчет шпоночных соединений

Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность. Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимости от диаметра вала, а затем соединения проверяют расчетом на прочность. Характер напряжений, возникающих в шпоночном соединении во время работы, показан на рис. 4. Шпонки работают на смятие и срез, а боковые стенки пазов на валах и в ступицах - на смятие.

Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность их на срез и изгиб обеспечивается, если выполняется условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений – расчет на смятие шпонки. Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не производят.

При расчете условно принимают, что напряжение σсм смятия распределяются равномерно по площади контакта боковых граней шпонок и шпоночных пазов, а прочность материала, характер соединения, режим работы учитываются при выборе допускаемого напряжения [σ]см.

Проверочный расчет соединения призматической шпонкой выполняют по условию прочности на смятие (см. рис. 4):

σсм = F1 / Aсм ≤ [σ]см,

где:     F1 – окружная сила, передаваемая шпонкой,    Асм – площадь смятия шпонки (мм2).

F1 = 2×103Т / d,

где:    T = передаваемый момент (Нм);   d – диаметр вала (мм).

На смятие рассчитывают выступающую из вала часть шпонки, которая имеет меньшую площадь смятия. При определении площади смятия Асм учитывают размер фаски f, который для стандартных шпонок примерно равен 0,06h (здесь h – общая высота шпонки).

Шпонка с фаской f = 0,06h имеет расчетную площадь Асм смятия:

Асм = (h – t1 – f)lp = (h – t1 – 0,06h)lр = (0,94h – t1)lр,

где:    t1 – глубина шпоночного паза на валу (мм);   lр – расчетная длина шпонки (мм). Для шпонок с плоскими торцами lp = l, со скругленными торцами lp = l – b.

Подставив значения F1 и Асм в формулу проверочного расчета, получим:

σсм = 2×103Т / d(0,94h – t1)lp ≤ [σ]см.

В проектировочном расчете соединения, после выбора размеров b и h поперечного сечения шпонки по стандарту, определяют расчетную рабочую длину lp:

lp = 2×103Т / d(0,94h – t1) [σ]см

Длину ступицы lст принимают на 8…10 мм больше длины шпонки. Если длина ступицы больше величины 1,5d, то шпоночное соединение целесообразно заменить на шлицевое или соединение с натягом, чтобы избежать значительной неравномерности распределения напряжений по длине шпонки.

Проверочный расчет соединения сегментной шпонкой выполняют на смятие:

σсм = 2×103Т / d(h – t)lp ≤ [σ]см,

где:   lp ≈ l – рабочая длина шпонки (мм);   (h – t) - рабочая глубина паза в ступице (мм).

Поскольку сегментные шпонки выполняются узкими, их, в отличие от призматических, проверяют на срез. Условие прочности при срезе:

τсp = 2×103Т / dblp ≤ [τ]сp,

где:    b – ширина шпонки (мм);   [τ]сp – допускаемое напряжение на срез.

***

Рекомендации по конструированию шпоночных соединений

При проектировании и конструировании шпоночных соединений следует придерживаться следующих рекомендаций, основанных на опыте эксплуатации и аналитических выводах:

  • Перепад диаметров ступеней вала с призматическими шпонками назначают из условия свободного прохода детали большего посадочного диаметра без удалении шпонки из паза на участке меньшего диаметра.
  • При наличии нескольких шпоночных пазов на валу их располагают на одной образующей.
  • Из удобства изготовления рекомендуют для разных ступеней одного и того же вала назначать одинаковые по сечению шпонки, исходя из ступени меньшего диаметра. Прочность шпоночных соединений при этом оказывается вполне достаточной, поскольку окружные силы на разных участках вала обратно пропорциональны диаметру, поэтому на участках с большим диаметром окружная сила будет меньше.
  • При необходимости установки двух сегментных шпонок их ставят вдоль вала в одном пазу ступицы. Постановка нескольких шпонок в одном соединении сильно ослабляет вал, поэтому рекомендуется в этом случае перейти к шлицевому соединению.

***

Пример проектировочного расчета шпонки

Задача Выбрать тип стандартного шпоночного соединения стального зубчатого колеса со стальным валом и подобрать размеры шпонки. Диаметр вала d = 45 мм. Соединение передает вращающий момент Т = 210 Нм при спокойной нагрузке.

Решение Выполняем проектировочный расчет, на основании которого подбираем нужную шпонку.

Выбор соединения:

Для соединения вала с колесом принимаем широко распространенную призматическую шпонку со скругленными торцами (исполнение I).

Расчетные размеры шпонки и паза на валу:

По таблице стандарта, устанавливающей зависимость между диаметром вала, размером сечения шпонки и глубиной паза, принимаем для d = 45 мм:

b = 14 мм;    h = 9 мм,    глубина паза на валу t1 = 5,5 мм.

Допускаемые напряжения:

По таблице стандарта, устанавливающей зависимость допускаемого напряжения от типа шпоночного соединения и материала ступицы, принимаем для стальной ступицы, неподвижного соединения и спокойной нагрузки:

[σ]см = 190 Н/мм2 (МПа).

Расчетная длина шпонки:

lp = 2×103Т / d(0,94h – t1) [σ]см = (2000×210) / 45(0,94×9 – 5,5)190 = 16,6 мм.

5. Длина шпонки с закругленным торцом: l = lp + b = 16,6 + 14 = 30,6 мм. В соответствии со стандартом принимаем длину шпонки l = 32 мм.

6. Длина ступицы колеса: lст = l + 10 мм = 32 + 10 = 42 мм < 1,5d, что допустимо.

***

Шлицевые соединения


Главная страница
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты

k-a-t.ru

2.5 Шпоночные соединения

2.5.1 Общие сведения

Шпоночное соединение – разъемное соединение, которое образует вал, шпонка и ступица (зубчатого колеса, шкива, звездочки и др.). Шпонка представляет собой соединительную деталь, устанавливаемую в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента между валом и ступицей. Основные типы шпонок стандартизованы. Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковыми или концевыми фрезами, в ступицах – протяжками.

2.5.2 Достоинства и недостатки шпоночных соединений

Достоинства шпоночных соединений – простота конструкции и сравнительная легкость монтажа и демонтажа, поэтому их используют практически во всех отраслях машиностроения.

Недостатки шпоночных соединений – сильное ослабление вала и ступицы. Ослабление обусловлено не только уменьшением его поперечного сечения, но и значительной концентрацией напряжения, вызываемой шпоночным пазом, что приводит к снижению усталостной прочности вала.

Главное условие нормальной работы шпонок – отсутствие перекоса шпонки в пазе. Этого можно добиться, если зазор между шпонкой и пазом будет минимальным, что требует повышенной точности изготовления шпонки и паза или ручной подгонки или подбора шпонки. Это ограничивает использование соединений в крупносерийном и массовом производстве. При наличии перекоса значительно уменьшается площадь контакта рабочей поверхности шпонки и паза, и, следовательно, резко падает нагрузочная способность соединения.

Из-за пустот в зазорах между шпонкой и пазами происходит незначительное смещение центров массы относительно геометрического центра, которое приводит к биению, особенно заметному при высоких скоростях вращения. Поэтому не рекомендуется применение шпоночного соединения для быстровращающихся валов ответственного назначения.

2.5.3 Виды шпоночных соединений

Шпоночные соединения подразделяют на напряженные и ненапряженные.

Клиновые шпонки (рис. 2.40) имеют уклон верхней грани 1:100. Такую шпонку устанавливают в паз и ударным способом загоняют на место, обеспечивая напряженное соединение. Клиновая шпонка распирает соединение, вызывая силу прижатия N (рис. 2.40в), которая обеспечивает совместное вращение вала и ступицы за счет сил трения . Рабочими гранями являются верхняя и нижняя грани клиновой шпонки.

Основные недостатки клиновых шпонок: обязательная индивидуальная подгонка, что недопустимо при массовом производстве; наличие радиального смещения оси насаживаемой детали по отношению к оси вала, что вызывает дополнительное биение. Поэтому они применяются сравнительно редко – в основном в тихоходных передачах низкой точности и только для неподвижных соединений.

а

б

в

г

д

Рис. 2.40. Клиновые шпонки

Клиновые шпонки бывают врезные (рис. 2.40в), на лыске (рис. 2.40г) и фрикционные (рис. 2.40д). По форме торцов шпонки бывают без головки (рис. 2.40а) и с головкой (рис. 2.40б), для облегчения демонтажа.

Призматические шпонки (ГОСТ 23360-78) (рис. 2.41) имеют параллельные грани. Они закладываются в паз на валу и не удерживают ступицу от осевого смещения. Рабочими гранями призматической шпонки являются боковые грани. Соединение является ненапряженным, поэтому для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии рекомендуется ступицы устанавливать на вал с натягом.

Призматические шпонки выполняют с плоскими или скругленными концами (рис. 2.41б). При этом в качестве длины рабочей поверхности принимается только длина прямого участка. Паз на валу обычно выполняют концевыми (пальцевыми) фрезами и его делают несколько длиннее шпонки для исключения пригонки ее торцов. Пазы на валу не рекомендуется доводить до ступенек вала, так как их врезание в галтель увеличивает концентрацию напряжений. Сквозные пазы на ступице выполняют протяжками, глухие пазы – долблением.

а

б

Рис. 2.41. Призматические шпонки

При передаче крутящего момента боковая поверхность паза вала давит на боковую поверхность шпонки (рис. 2.42), которая в свою очередь передает давление на боковую поверхность паза ступицы. При этом шпонку испытывает сдвиг в сечении по границе вала и ступицы. Сила, которую вызывает крутящий момент:

.

Рис. 2.42 Расчет призматических шпонок

Площадь поверхности смятия и среза соответственно:

; .

Напряжения смятия и среза соответственно:

;

где – рабочая длина шпонки (длина прямого участка):

для шпонок с прямыми концами , для шпонок со скругленными концами.

Рис. 2.43. Крепление шпонки на валу в подвижном шпоночном соединении

При использовании подвижных шпоночных соединений (например, для подвижных блоков колес в коробках передач), шпонку прикрепляют к валу с помощью винтов (рис. 2.43) во избежания перекоса шпонки в пазе. Расчетная длина шпонки в этом случае будет определяться длиной ступицы: .

Ширина шпонки b выполняется с отклонением h9,

Порядок подбора стандартных шпонок: Назначается сечение шпонки (b×h) в зависимости от диаметра вала. Размеры сечения стандартных шпонок подобраны таким образом, что если шпонка выдержит смятие, то она выдержит и срез. Поэтому минимальную рабочую длину шпонки lр определяют по критерию прочности на смятие:

.

Сегментные шпонки (ГОСТ 24071-80) (рис. 2.44) представляют собой сегментную пластину, закладываемую в паз на валу соответствующей формы, выполненный с помощью фрезерования. Сегментные шпонки удобны при сборке и разборке, просты в изготовлении, менее чувствительны к точности изготовления из-за большей, чем у призматических шпонок глубины паза. В то же время большая глубина паза сильнее ослабляет вал, поэтому их применяют при сравнительно небольших крутящих моментах и только для неподвижных соединений.

Сегментные шпонки имеют фиксированную длину, поэтому на длинных ступицах можно устанавливать несколько шпонок, при условии, что пазы будут располагаться в одной плоскости.

Сегментные шпонки работают на смятие и срез. Напряжения смятия и среза соответственно:

;

Рис. 2.44. Сегментные шпонки

Цилиндрические шпонки (ГОСТ 3128-70, ГОСТ 12207-79) представляют собой цилиндрические штифты (рис. 2.45а), устанавливаемые с натягом, отверстия под которые высверливаются на торце вала при сборке. Их можно использовать, только если ступица располагается на конце вала. Обычно это валы малой длины. К недостаткам следует отнести неудобство демонтажа.

а

б

Рис. 2.45. Цилиндрические шпонки

Диаметр шпонки , длина. Посадка с натягом, например. Если прочности одной шпонки недостаточно, то устанавливают 2-3 шпонки, равномерно распределяя их по окружности (рис. 2.45б).

Цилиндрические шпонки работают на смятие и срез. Напряжения смятия (с учетом серпообразной эпюры распределения давления) и среза соответственно:

; ,

где z – число шпонок.

Подбор шпонки осуществляют по критерию прочности на смятие. Длина шпонки (и необходимое число шпонок):

.

2.5.4 Материал шпонок и допускаемые напряжения

В качестве материала шпонок обычно применяют среднеуглеродистые стали. Призматические шпонки изготавливают из чистотянутой стали в соответствии с ГОСТ 8787-68. Допускается применение других сталей с 600 МПа. Целесообразно, чтобы материал призматических шпонок был менее прочным, чем материал вала и ступицы.

Допускаемые напряжения на смятие сильно зависят от посадки шпонки. В неподвижных соединениях: при посадках с натягом (в которых исключен перекос шпонки) 110…200 МПа; при переходных посадках80…150 МПа. В подвижных соединениях (где зазор значительный) для предупреждения задира и ограничения износа20…30 МПа. Допускаемые напряжения на срез60…90 МПа. Меньшие значения в указанных диапазонах – для чугунных и алюминиевых ступиц и при резких изменениях нагрузки.

studfiles.net

Ненапряженные шпоночные соединения

Поиск Лекций

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 hF1Ft2 .

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.

Рекомендуемые страницы:

Вид соединения

Поле допуска ширины шпоночного паза

Вал

Втулка

Свободное

H9

D10

Нормальное

N9

Js9

Плотное

P9

Допускается для ширины паза вала и втулки любое сочетание полей допусков, указанных в этой таблице. Допуск на ширину шпонки принимается h9.

Допуски на непосадочные размеры шпонок приведены в табл.6.

Таблица 6

Высота шпонок

Предельные отклонения размеров

d-t1

d+t2

Св. 9 до 18

0

-0,2

+0,2

0

Св. 18 до 50

0

-0,3

+0,3

0

Св. 50 до 95

0

-0,4

+0,4

0

ГОСТ 24071 — 80 предусматривает два вида соединений с помощью сегментной шпонки — нормальное и плотное.

Допускаются также любые сочетания полей допусков для ширины паза вала и втулки.

Допускается в отдельных обоснованных случаях (пустотелые и ступенчатые валы, передачи пониженных крутящих моментов и т.п.) применять меньшие размеры сечений шпонок на валах больших диаметров, за исключением выходных концов валов.

Поля допусков ширины и высоты шпонки принимаются соответственно h9 и h21.

Материал шпонок

Материал шпонок по ГОСТ 10748-79 — сталь с временным сопротивлением разрыву не менее 590 МПа (60 кгс/мм2 ).

Материал шпонок по ГОСТ 24071-80 сталь чистотянутая для сегментных тцпонок по ГОСТ 8786-68; допускается также применение вышеуказанной стали.

pro-techinfo.ru


Смотрите также