ПЗ15. Шпоночные. Пз 15 изучение шпоночных и зубчатых (шлицевых) соединений цель работы
 Скачать 496.28 Kb.
|
|
ПЗ 15.1. ИЗУЧЕНИЕ ШПОНОЧНЫХ И ЗУБЧАТЫХ (ШЛИЦЕВЫХ) СОЕДИНЕНИЙ Цель работы - Выяснить назначение шпоночных и шлицевых соединений. - Ознакомиться с конструкциями изучаемых соединений. - Изучить нагрузочную способность шпоночных и шлицевых соединений. Методические указания Описание конструкций шпоночных соединений Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу этих деталей. Шпонки применяют преимущественно для передачи крутящего момента от вала к ступице и наоборот. Шпоночные соединения разделяют на две группы: ненапряженные, осуществляемые призматическими или сегментными шпонками, и напряженные – клиновыми шпонками. Призматические могут быть трех исполнений (рис. 1). Исполнение А Исполнение В Исполнение С Рис. 1 Обычно в соединении ставят одну шпонку. При большой напряженности можно ставить две шпонки, устанавливаемые под углом 120 или 180. Конструкции шпоночных соединений показаны на рис. 2 Призматические шпонки по назначению разделяются на простые, предназначенные только для передачи крутящего момента (рис.2), а также направляющие и скользящие, служащие дополнительно для направления при осевом перемещении детали вдоль вала. Конструкция направляющей шпонки представлена на рис.3. Направляющие шпонки дополнительно притягивают к валу винтами. Скользящие шпонки перемещаются вместе со ступицей вдоль вала. Их применяют при больших перемещениях. Эти шпонки имеют цилиндрические выступы – головки, которые входят в соответствующие отверстия в ступицах. Вид скользящей шпонки показан на рис.4. Рис. 2 Рис.3 Рис.4 Рис.5 Шпонки всех основных видов стандартизованы и их размеры выбирают по ГОСТам в зависимости от диаметра вала d. Стандартными является сечение шпонки b x h. Длина шпонки l определяется обычно длиной ступицы l ст : Основным расчетом для призматических шпонок является условный расчет на смятие в предложении равномерного распределения давления по поверхности контакта, боковых граней с валом и для простоты расчета полагают, что плечо сил, действующих на шпонку, равно 0,6d. Тогда условие прочности шпонки на смятие (рис. 5): где k = 0,4h – глубина врезания шпонки в ступицу, d – диаметр вала (мм), Т – крутящий момент на валу (Нм), – допускаемое напряжение смятия материала шпонки. Вторым видом ненапряженных шпонок являются сегментные шпонки (рис.6), которые характеризуются двумя основными параметрами: шириной b и диаметром заготовки d 1 Рис. 6 Ширина и глубина врезания в ступицу выбираются примерно такими же, как и призматических: где k=h–t Обозначение сегментной шпонки: Шпонка Сегм. 6 х 10 ГОСТ8795 – 68 Шпоночные соединения просты по конструкции и надежны, но они ослабляют вал и являются концентраторами напряжений. Недостатком призматических шпонок являются также трудность обеспечения их взаимозаменяемости, т.е. необходимость ручной пригонки или подбора. Сегментные шпонки более технологичны, чем призматические, и положение их на валу более устойчиво. Однако они требуют более глубокой канавки на валу, и сборка соединения с сегментной шпонкой сложнее, чем с призматической. Существует еще целый ряд ненапряженных шпонок: шестигранные, цилиндрические и торцевые. Описание конструкции зубчатых (шлицевых) соединений Зубчатые соединения вал – ступица представляют собой соединения, образуемые выступами – зубьями на валу, входящими во впадины соответствующей формы в ступице. Эти соединения можно представить как многошпоночные, у которых шпонки выполнены за одно целое с валом. Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными имеют: а) большую несущую способность; б) большую усталостную прочность вала; в) лучшее центрирование деталей на валу и лучшее направление при перемещении детали вдоль вала. Зубчатые соединения применяются в качестве подвижных и неподвижных. В зависимости от формы сечения зубьев различают три вида соединений: 1) Прямобочные, имеющие на валу зубья постоянной толщины. 2) Эвольвентные, с профилем зубьев очерченым эвольвентой. 3) Треугольные, с сечением зуба в форме треугольника. Прямобочные соединения в зависимости от нагрузочной способности трех серий: легкой, средней и тяжелой. Кроме того, эти соединения различают по системе центрирования ступицы на валу: по боковым граням (рис. 7,а), по наружному диаметру (рис.7,б), по внутреннему диаметру (рис. 7,в). Рис. 7. Прямобочные зубчатые соединения Центрирование по боковым граням применяется при передаче больших крутящих моментов, когда не требуется высокой точности центрирования ступицы и вала. В таком случае возможно перемещение вала в ступице на величину зазоров, но распределение нагрузки между зубьями оказывается наиболее равномерным. В конструкциях, требующих строго соосного расположения ступицы и вала применяют центрирование по наружному диаметру. Вид центрирования определяется технологическими условиями – способом получения зубьев на валу и впадин в ступице. По внутреннему диаметру можно обеспечить более высокие точности центрирования. Обозначение шлицевого соединения: Д8 х 36 х 40, где первая цифра обозначает число зубьев, вторая – диаметр окружности впадин, третья – диаметр окружности выступов. Буква перед цифрами обозначает способ центрирования (в примере – центрирование по наружному диаметру ). Другие способы: b 8 х 36 х 40 то же с центрированием по боковым граням, d 8 х 36 х 40 – с центрированием по внутреннему диаметру. После обозначения шлицевого соединения необходимо указать соответствующие поля допусков (по центрирующей поверхности и по боковым сторонам зубьев ). В эвольвентном зубчатом соединении профили зубьев такие же, как у зубчатых колес. Поскольку в шлицевом соединении перекатывания нет, высота зубьев уменьшена до 0,9-1 модуля и угол профиля рейки увеличен до 30. Эвольвентные соединения обладают повышенной прочностью из-за большого числа зубьев и меньшей концентрации напряжений, связанной с закруглением профиля у основания зуба. Эти соединения перспективны, их применение ограничивается сложностью изготовления протяжек, с помощью которых нарезаются шлицы в ступицах. Центрирование обычно осуществляется по боковым поверхностям, реже по наружному диаметру. Соединения треугольного профиля применяют обычно в качестве неподвижных при стесненных радиальных габаритах. Центрирование в них осуществляется по боковым граням. Основными геометрическими параметрами являются числа зубьев, модули и угол впадин. Зубчатые соединения выходят из строя из-за повреждения рабочих поверхностей: износа, смятия, заедания. В качестве расчетного критерия работоспособности принимается смятие боковых поверхностей шлицев. В ответственных случаях, когда требуется плавность работы, большой срок службы, отсутствие зазоров, малые усилия перемещения применяют шариковые шлицевые соединения, в которых трение скольжения при осевых перемещениях заменено трением качения. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое «шпоночное соединение», его назначение. 2. Классификация шпоночных соединений. 3. Виды призматических шпонок? 4. Конструкция и назначение шпоночных соединений с направляющими и скользящими шпонками. 5. Как подбираются призматические шпонки? 6. Как проводится расчет призматических шпонок? 7. Что такое "сегментная шпонка"? 8. Достоинства и недостатки шпоночных соединений. 9. Что такое зубчатое соединение? Назначение зубчатых соединений. 10. Достоинства и недостатки зубчатых соединений. 11. Виды зубчатых соединений. 12. По каким параметрам различают прямобочные зубчатые соединения? 13. Виды центрирования шлицевых соединений. От чего зависит выбор центрирования? 14. Обозначение шлицевых соединений. 15. Дать характеристику зубчатого соединения с эвольвентным профилем зубьев. 16. Дать характеристику зубчатого соединения с треугольным профилем зубьев. 17. Как определяется нагрузочная способность зубчатого соединения? 18. Обозначение шпонок различных исполнений. 19. Из каких материалов изготавливаются шпонки? 20. Каково влияние шпоночных канавок и шлицев на концентрацию напряжений и условную прочность вала. ПЗ 15.2. РАСЧЕТ ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Цель работы Ознакомление с основными типами шпонок, их назначением, достоинствами и недостатками. Выполнение расчетов на прочность различных шпоночных соединений. Выполнение записи условного обозначения рассчитанных шпонок по ГОСТам. Методические указания Шпоночные соединения служат для закрепления деталей на валах и осях и предназначены для передачи крутящего момента. Все шпоночные соединения можно разделить на две группы: напряженные и ненапряженные. К первой группе относятся клиновые шпонки. Ко второй – призматические и сегментные. Размеры шпонок и допуски на них стандартизованы. Соединения клиновыми шпонками Передача крутящего момента клиновыми шпонками (ГОСТ 8791) (см. рисунок 1) производятся за счет сил трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки, создавая, таким образом, напряжения до приложения рабочей нагрузки. Паз в ступице обрабатывается с уклоном, равным уклону шпонки (1:100), что часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Кроме того, клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцевая плоскость не будет перпендикулярна к оси вала. Эти недостатки послужили причиной резкого сокращения применения клиновых шпонок в условиях современного производства. Рабочие поверхности шпонки испытывают напряжения смятия и рассчитываются по условию прочности где T – крутящий момент, передаваемый шпонкой, Нмм; b – ширина шпонки, мм; l – рабочая длина шпонки, мм; f – 0,13-0,18 – коэффициент трения скольжения; d– диаметр вала, мм; - допускаемое напряжение смятия материала шпонки, МПа. Рис. 1. Соединение клиновой шпонкой Соединения призматическими шпонками Соединение призматическими шпонками (см. рисунок 2) ненапряженное и требует изготовления вала и отверстий в ступице с большей точностью. Крутящий момент передается боковыми гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия, а в продольном сечении шпонки напряжения среза. Напряжения определяются по следующим условиям прочности: где T – передаваемый крутящий момент, Нмм; h и b – высота и ширина шпонки, мм, выбираемые по ГОСТ 8788 в зависимости от диаметра вала d, мм; z – количество шпонок, шт; l p – рабочая длина шпонки, которая определяется от исполнения шпонки, мм; - допускаемые напряжения смятия и среза материала шпонки, МПа Рис.2. Соединение призматической шпонкой Шпонки имеют три исполнения: шпонки со скругленными торцами и шпонки с плоскими торцами (см. рисунок 2). Соединение сегментными шпонками Принцип работы сегментных шпонок (см. рисунок 3) аналогичен работе призматических шпонок. Глубокая посадка шпонки в вал обеспечивает более устойчивое положение, чем у призматической шпонки. Шпоночный паз для сегментных шпонок фрезеруют специальной фрезой, соответствующей размеру шпонки. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал. Сегментные шпонки рассчитывают так же, как и призматические из условия прочности на смятие и на срез: где k – возвышение шпонки над валом, k=h-t, мм; t – глубина шпоночного паза на валу, мм. Рис. 3. Соединение сегментной шпонкой Материал шпонок и допускаемые напряжения Шпонки изготавливаются из чистостянутых прутков из углеродистых сталей по ГОСТ 1050, реже легированных сталей 40Х, 45Х по ГОСТ 4543. Величина допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал (см. таблицу 1). Таблица 1. Величины допускаемых напряжений Соединение Материа л Нагрузка Спокойная Слабыетолчки Ударная Напряжение смятия , МПа Неподвижное Сталь 150 120 90 Чугун 80 53 27 Подвижное Сталь 50 40 30 Неподвижное, подвижное Напряжение среза , МПа Сталь 90 72 54 Порядок выполнения работы 1. изучить основные типы шпоночных соединений. 2. ознакомиться с конструкциями шпонок. 3. вычертить основные схемы шпоночных соединений и эскизы шпонок в двух проекциях с указанием всех размеров. 4. по указанию преподавателя провести прочностной расчет шпоночных соединений. 5. записать условные обозначения рассчитанных шпонок по гостам. 6. оформить отчет о работе. Задания для расчета шпоночных соединений Соединение призматической шпонкой Для соединения зубчатого колеса с валом редуктора (см. Рисунок 4) выбрать призматическую шпонку и определить ее длину из условия прочности по напряжениям смятия и среза исходя из данных, приведенных в таблице 2. Таблица 2. Варианты для расчета призматических шпонок Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Крутящий момент, Т, Нм 150 260 175 300 200 225 475 600 215 250 Диаметр вала, d, мм 30 40 32 42 36 38 60 70 35 50 Характер нагрузки спокойная слабые толчки ударная Материал колеса чугун сталь чугун сталь чугун Рис. 4. Соединение вала с колесом призматической шпонкой Соединение сегментной шпонкой Втулочная муфта соединяет два вала при помощи сегментных шпонок (см. рисунок 5). Подобрать сегментные шпонки и проверить соединения на смятие и на срез. Крутящий момент определить из условия прочности вала на кручение из данных, приведенных в таблице 3. Таблица 3. Варианты для расчета сегментных шпонок Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Диаметр вала, d, мм 15 20 25 30 35 40 17 22 28 36 Допускаемое напряжение, , Н/мм 2 20 25 30 35 20 25 30 35 20 25 Рис. 5. Соединение валов с муфтой сегментными шпонками Соединение клиновой шпонкой Для вала диаметра d (см. рисунок 1) подобрать размеры клиновой и призматической шпонок. Определить, какой момент может передать каждая из этих шпонок, приняв длину шпонок l р =1,5d, коэффициент трения f=0,2. Вычертить в масштабе 1:1 поперечные и продольные разрезы вала со шпонками и записать их условные обозначения по ГОСТам. Исходные данные приведены в таблице 4. Таблица 4. Варианты для расчета клиновых и призматических шпонок Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Диаметр вала, d, мм 30 40 50 60 70 35 45 55 65 75 Характер нагрузки спокойная слабые толчки ударная спокойная слабые толчки Приложение А (справочное) Шпонки клиновые врезные (Схему клиновой шпонки см. на рисунке 1.) Таблица А.1. Размеры сечения шпонок и пазов по ГОСТ 8791, размеры в мм Диаметр вала, d (от-до) Сечение шпонки Глубина паза Длина шпонки l (от-до) b h Вала t Втулки t 1 от 10 до 14 4 4 2,5 1,5 15-50 св. 14-18 5 5 3 2 15-50 св. 18-24 6 6 3,5 2,5 20-60 св. 24-30 8 7 4 3 25-80 св. 30-36 10 8 4,5 3,5 35-90 св. 36-42 12 8 4,5 3,5 35-100 св. 42-48 14 9 5 5 40-140 св. 48-55 16 10 5 5 45-160 св. 55-65 18 11 5,5 5,5 50-180 св. 65-78 20 12 6 6 70-220 св. 78-90 14 14 7 7 90-260 св. 90-105 28 16 8 8 100-300 Примечание: Длины шпонок назначаются в указанных приделах по конструктивным соображениям кратные 10 мм. Приложение Б (справочное) Шпонки призматические (Схему призматической шпонки см. на рисунке 2). Таблица Б.1. Размеры шпонок и пазов по ГОСТ 8788, размеры в мм Диаметр вала, d Размеры сечения шпонок Глубина паза Ширина, b Высота, h Вал, t Втулка, t 1 от 6 до 8 2 2 1,2 1,0 св. 8-10 3 3 1,8 1,4 св. 10-12 4 4 2,5 1,8 св. 12-17 5 5 3 2,3 св. 17-22 6 6 3,5 2,8 св. 22-30 8 7 4 3,3 св. 30-38 10 8 5 3,3 св. 38-44 12 8 5 3,3 св. 44-50 14 9 5,5 3,8 св. 50-58 16 10 6 4,3 св. 58-65 18 11 7 4,4 св. 65-75 20 12 7,5 4,9 св. 75-85 22 14 9 5,4 св. 85-95 25 14 9 5,4 св. 95-110 28 16 10 6,4 Примечание: Длины призматических шпонок выбирают из ряда (по ГОСТ 8789): 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 320 |