Лекция14

• Название: Лекция14
• Дата: 02.01.2022
• Размер: 485.4 Kb.
• Имя файла: pm-lekciya-14.docx
• Тип: Лекция; #323070

Лекция№14
Штифтовые,шпоночныеишлицевыесоединения.

Назначение и классификация. Область применения. Расчет штифтовых, шпо- ночных и шлицевых соединений на прочность.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Шпоночными называют разъемные соединения составных частей изделия с применением шпонок. Шпоночные соединения могут быть неподвижными и подвижными и служат обычно для предотвращения относительного поворота ступицы и вала при передаче вращающего момента.

Достоинства:

простота и надежность конструкции; легкость сборки и разборки соединения; невысокая стоимость.

Недостатки:

снижение нагрузочной способности сопрягаемых деталей из–за уменьшения их поперечных сечений шпоночными пазами;

значительная концентрация напряжений в зоне этих пазов.

Шпоночные пазы на валах и осях обычно получают фрезерованием конце- выми или дисковыми фрезами. Во втором случае эффективный коэффициент концентрации напряжений примерно на 20% меньше за счет более плавного выхода дисковой фрезы и менее резкого изменения поперечного сечения ва- ла. Шпоночные пазы в ступицах обычно протягивают шпоночной протяжкой или долбят резцом.

Формы и размеры большинства шпонок стандартизованы, а их применение зависит от условий работы соединяемых деталей и диаметров посадочных поверхностей.

КЛАССИФИКАЦИЯ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Шпоночные соединения подразделяют на напряженные и ненапряженные. Под напряженным понимается такое соединение, в котором постоянно дей- ствуют внутренние силы упругости, вызванные предварительной (т. е. до приложения нагрузки) затяжкой.

Напряженные шпоночные соединения осуществляются стандартными клино- выми и тангенциальными шпонками с уклоном 1:100, обеспечивающим са- моторможение. Клиновые шпонки забивают в пазы, ширина которых больше ширины шпонки, в результате чего возникают значительные радиальные распорные силы и напряженное соединение, способное передавать вращаю- щие моменты и воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях. Со- гласно стандарту, клиновые шпонки могут быть четырех исполнений: с го- ловкой, без головки и без закруглений по концам, с закругленным одним или двумя концами. Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах, подверженных динамическим нагрузкам.

В соединениях тангенциальными (нормальными или усиленными) шпонками натяг создается не в радиальном, а в тангенциальном направлении, причем каждая шпонка выполняется из двух односкосных клиньев, положе- ние которых после сборки должно быть зафиксировано с помощью штифта или другим способом. Тангенциальные шпонки применяют в тяжелом маши- ностроении, причем усиленные шпонки ставят при повышенных ударных нагрузках и частом изменении направления вращения. Обычно тангенциаль- ные шпонки ставят попарно под углом 120 или 180˚ и ориентируют их в про- тивоположном направлении, так как каждая шпонка передает вращающий момент только в одну сторону.

Напряженные шпоночные соединения обладают большой нагрузочной спо- собностью, не требуют высокой точности пригонки, но, как правило, дефор- мируют соединяемые детали, вызывают расцентровку, дисбаланс и неурав- новешенность деталей, а при коротких ступицах перекос их осей. Эти обсто- ятельства резко ограничивают область применения напряженных шпоночных соединений в современных машинах.

Ненапряженные шпоночные соединения осуществляются стандартными призматическими рис. 14.1 и сегментными, или специальными рис. 14.2, шпонками. Призматические шпонки обеспечивают передачу вращающего момента, но не могут воспринимать осевые нагрузки. Высокие призматиче- ские шпонки обладают повышенной несущей способностью и применяются для ступиц из чугуна и других материалов более низкой прочности, чем ма- териал вала.


t¹
b



d

h
Рис. 14.1. Призматическая шпонка

Сегментные шпоночные соединения технологичны, удобны при сборочных работах, но глубокий шпоночный паз значительно ослабляет вал, поэтому та-




k
b




d
кие соединения применяют при передаче небольших вращающих моментов или фиксации деталей на осях.

Рис. 14.2. Сегментная шпонка

d
Цилиндрические шпонки устанавливают с натягом на конце вала путем свер- ления отверстия и последующего развертывания рис. 17.3.

Рис. 14.3. Цилиндрическая шпонка

РАСЧЕТ ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ШПОНОК

Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h), глубину паза вала t₁ выби- рают в зависимости от диаметра вала d по ГОСТ 23360. Длину шпонки кон- структивно принимают на 5–10 мм меньше длины ступицы, согласовывают со стандартом и проверяют на смятие по формуле

^σсм

_ F_t

^Асм

σ ,

см
где F_t = 2Т/d – окружная сила, передаваемая шпонкой; A_см = (h–t₁)L_р – пло- щадь смятия; L_р – рабочая длина шпонки рис. 17.4.

L L L

а) б) в)

Рис. 14.4. Исполнения шпонок

РАСЧЕТ СЕГМЕНТНЫХ ШПОНОК

Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h), глубину паза вала t₁ и дли- ну шпонки L выбирают в зависимости от диаметра вала d по ГОСТ 24071.


ср
Сегментные шпонки, так же как и призматические, проверяют на смятие. Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической ее прове- ряют на срез.

^τср

_2Т

dbl

 τ _.

Если расчетное напряжение превышает допускаемое более чем на 5%, то применяют две шпонки. Призматические шпонки устанавливают под углом 180˚, сегментные – вдоль вала в одном пазу ступицы. Это сильно ослабляет вал и ступицу, а также вызывает технологические затруднения. В таких слу- чаях шпонки заменяют шлицевыми соединениями.

. МАТЕРИАЛЫ И ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Шпонки изготовляют из чистотянутых стальных прутков – углеродистой или легированной стали с пределом прочности σ_в ≥ 500 Н/мм². Сегментные шпонки выполняют из стали сегментного профиля.

Допускаемые напряжения смятия: при спокойной нагрузке и стальной ступи- це [σ_см] = 110–190 Н/мм²;

при чугунной – [σ_см] = 70–100 Н/мм².

При значительных колебаниях нагрузки [σ_см] следует снижать на 50%.

. ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Шлицевое соединение условно можно рассматривать как многошпоночное, у которого шпонки, называемые шлицами (зубьями), выполнены как одно це- лое с валом и входят в соответствующие пазы ступицы детали.

Шлицы фрезеруют на валу или нарезают на зубообрабатывающих станках методом обкатки, а пазы в ступицах получают протягиванием.

Достоинства:

возможность передачи больших моментов;

высокая надежность при динамических и реверсивных нагрузках;

повышенная прочность соединения вследствие увеличения суммарной рабо- чей поверхности шлицев или уменьшения глубины пазов и равномерного распределения нагрузки по окружности вала;

более точное центрирование ступицы на валу.

Эти преимущества позволяют использовать шлицевые соединения в высоко- нагруженных быстроходных машинах (автотракторная промышленность, станкостроение, авиастроение и т. д.).

Недостатки:

более сложная технология изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость.

Шлицевые соединения бывают неподвижные – для закрепления дета- лей на валу и подвижные, допускающие перемещения детали вдоль вала. По форме профиля шлицев (зубьев) различают три типа соединений: прямобоч- ные, эвольвентные и треугольные (рис. 18.1).


а) б) в)

Рис. 14.1. Шлицевые соединения
Прямобочные соединения наиболее распространены в машинострое- нии. Существуют легкая, средняя и тяжелая серии. Центрирование ступицы на валу осуществляется по боковым сторонам шлицев (рис. 18.2), по наруж- ному или по внутреннему диаметру. Эвольвентные шлицевые соединения центрируются по боковым сторонам шлицев. Имеют более высокую точность и прочность шлицев благодаря большему их числу и скруглению впадин. Технология нарезания эвольвентных шлицев проще и дешевле, чем пря- мобочных.

Основные стандартные параметры эвольвентного соединения: номинальный диаметр D, угол профиля α = 30˚, модуль m, диаметр делительной окружно- сти d = mz, где z – число зубьев.

Стандарт предусматривает номинальные диаметры от 4 до 500 мм, модули от

0.5 до 10 мм и число зубьев от 6 до 82. Высота зубьев вала и втулки равна m.

Рис. 18.2. Размеры шлицевого соединения
Треугольные шлицевые соединения нестандартизованы, используются в приборостроении.

РАСЧЕТ ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Основным критерием работоспособности шлицевых соединений явля- ется сопротивление рабочих поверхностей зубьев смятию и изнашиванию.

Нагрузочная способность соединения определяется как меньшее из двух зна- чений, полученных по расчету на смятие и на износ. Соединения типа муфт, нагружаемые только крутящим моментом, на износ не рассчитывают.

Расчет на смятие производится по условию

^σсм

_ 2T ^dср ^Aсм

 [σ_см ],

где Т – вращающий момент; d_ср = (D + d)/2 – средний диаметр шлицевого со- единения; А_см – площадь смятия; [σ_см] – допускаемое среднее давление из расчета на смятие.

Для прямобочного соединения А_см = h_рlz,

где h_р – рабочая высота зубьев; l – длина ступицы; z – число зубьев. Допускаемое среднее давление из расчета на смятие

[σ_см ] 

σ_{t ,}

[s]K_см K_д

где σ_t – предел текучести материала; [s] = 1.25 – 1.4 – допускаемый коэффи- циент запаса прочности; К_см = 4 – 5 – общий коэффициент концентрации нагрузки; К_д = 2 – 2.5 – коэффициент динамичности нагрузки.

Аналогично производится расчет соединения и на износ, только вместо [σ_см]

используется [σ_изн].

КЛИНОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Клиновым называется разъемное соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей форму клина (рис. 19.1). Клиновые соедине- ния подразделяют на установочные, предназначенные для регулирования и установки нужного взаимного положения деталей, и силовые, предназначен- ные для прочного скрепления деталей (для соединения протяжек с патроном протяжного станка и т.д.).

D₁

l

D

d₁





d
Рис. 14.1. Клиновое соединение

Достоинства:

простота и надежность конструкции;

возможность создания и восприятия больших усилий; быстрота сборки и разборки соединения.

Недостатки:

значительное ослабление сечений соединяемых деталей пазами под клинья, а также нетехнологичность этих пазов;

концентрация напряжений, что существенно уменьшило область применения клиновых соединений в современных конструкциях.

Силовые клиновые соединения бывают ненапряженные, в которых нет напряжений до приложения внешней силы F, и напряженные, в которых осу- ществляется предварительный натяг силой. Ненапряженные соединения применяют при постоянных односторонних нагрузках, напряженные – при знакопеременных нагрузках. Для обеспечения самоторможения соединения необходимо, чтобы угол скоса клина был меньше удвоенного угла трения.

Критерием работоспособности клинового соединения является прочность. В клиновых соединениях рассчитывают стержень по ослабленному сечению и хвостовую часть стержня на срез, поверхность контакта клина со стержнем и втулкой на смятие и клин на изгиб.

Напряженное клиновое соединение рассчитывают так же, как ненапряжен- ное, но по расчетной нагрузке F_р = 1.25F.

ШТИФТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Штифтовым называется соединение составных частей изделия с применени- ем штифта. Штифтовые соединения применяют для установления точного взаимного положения деталей и при передаче сравнительно небольших вра- щательных моментов. Для закрепления деталей на конце вала применяется соединение, где штифт выполняет роль круглой шпонки. В качестве распро- страненного примера можно привести фиксацию двумя штифтами взаимного


d
положения корпуса и крышки редуктора, что необходимо при совместной механической обработке этих деталей и сборке редуктора (рис. 19.2).

Достоинства:

простота конструкции; технологичность; низкая стоимость.

Недостаток

ослабление сечения вала отверстием и связанная с этим концентрация напряжений.

Конструкция и размеры штифтов регламентированы многими стандартами. Основные типы стандартных штифтов: конический гладкий, конический насеченный, цилиндрический гладкий, цилиндрический насеченный, пру- жинный и т. д.

Рис. 14.2. Штифтовые соединения
Гладкие конические и цилиндрические штифты чаще всего применяют в ка- честве установочных для фиксации взаимного положения соединяемых дета- лей; отверстия под штифты в этих деталях сверлят и разворачивают совмест- но. Цилиндрические штифты ставят в отверстия с натягом; в движущихся со- единениях концы штифтов расклепывают. Конические штифты изготовляют с конусностью 1:50, обеспечивающей самоторможение; они допускают мно- гократную сборку–разборку и поэтому применяются чаще.

Хорошо зарекомендовали себя в качестве крепежных насеченные штифты, так как они не требуют развертывания отверстий при установке, при забива- нии надежно сцепляются со стенками отверстия, допускают многократную сборку–разборку без заметного ухудшения сцепления.

Пружинные штифты вальцуют из ленты пружинной стали и закаливают. Ввиду большой податливости их можно устанавливать в грубо обработанные отверстия, причем обеспечивается надежное сцепление при вибрационных и ударных нагрузках, допускается многократная разборка и сборка.

Штифты обычно изготовляют из углеродистой или пружинной стали, для со- единения пластмассовых деталей применяют штифты из пластмасс.

Критерием работоспособности крепежного штифтового соединения является прочность. Диаметр d_ш штифта можно определить из расчета его на срез по двум поперечным сечениям. Для круглой шпонки диаметр и длина опреде- ляются из расчета на срез по диаметральному сечению (один из размеров за- дается, например d_ш = 0.25 диаметра вала), а затем проверяют соединение на смятие, причем условная площадь смятия равна половине площади диамет- рального сечения круглой шпонки.

Насеченные штифты рассчитывают так же, как и гладкие, но с коэффициен- том ослабления, равным 1.3–1.5.

ПРОФИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Профильным называется соединение, у которого сопрягаемые поверхности составных частей изделия имеют форму определенного профиля. Наиболее распространенным примером такого соединения является посадка ручек или маховиков на оси и валы с концами квадратного сечения. Более совершенны соединения с овальным профилем, которые могут быть цилиндрическими или коническими (рис. 19.3).

Рис. 143. Профильное соединение

Достоинства:

в соединениях с овальным профилем практически отсутствует концентрация напряжений;

обеспечивается лучшее центрирование деталей;

отсутствуют резкие переходы в форме сечения, что снижает опасность появ- ления трещин при термообработке.

Недостатки:

возникновение действующих на ступицу распорных сил;

значительно большие напряжения смятия, в результате чего несущая способ- ность профильных соединений ниже.

Расчет профильных соединений заключается в проверке прочности рабочих поверхностей на смятие, а ступицы – на прочность и радиальную деформа- цию.