Соединения с сегментными шпонками

Сегментную шпонку получают отрезая от круглого прутка диаметром D диск толщиной b, который затем разрезают на два равных сегмента. При этом высота шпонки h ≈ 0, 4D длина l ≈ D (рис. 49, а).

Паз на валу выполняют дисковой фрезой, в ступице — протяжкой или долбяком (рис. 49, б). Такой способ изготовления обеспечивает легкость установки и удаления шпонки, взаимозаменяемость сопряжения. Ручная подгонка обычно не требуется. Шпонка в пазу вала самоустанавливается, не требует дополнительного крепления к валу.

Сегментные шпонки широко применяют в массовом и крупносерийном производстве. Вследствие указанных достоинств область их применения расширяется и на серийное и мелкосерийное производство.

Рис.49.

Недостатком соединения является ослабление сечения вала глубоким пазом, снижающим сопротивление усталости вала. Поэтому сегментные шпонки применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов и при установке деталей на малонагруженных участках вала (например, на концах валов).

Шпонки проверяют на прочность по напряжениям смятия σ _см и среза τ _ср по формулам, приведенным для призматических шпонок. При этом l_р ≈ l.

Материалы шпонок и выбор допускаемых напряжений

Материалом шпонок служат среднеуглеродистые стали с временным сопротивлением σ _в ≥ 600 МПа (например, стали марок Ст6, 45, 50). Значения допускаемых напряжений выбирают в зависимости от характера нагрузки, условий работы соединения (табл.9.1).

Табл. 9.1

Выбор допускаемых напряжений [σ ]_см для шпоночных соединений (вал стальной)

Тип соединения, материал ступицы	МПа
Неподвижное, стальная ступица	130… 200
Неподвижное, ступица из чугуна или стального литья	80...110
Подвижное без нагрузки, стальная ступица	20... 40

Большие значения принимают при постоянной нагрузке, меньшие - при переменной и работе с ударами.

При реверсивной нагрузке [σ ]_см снижают в 1, 5 раза. Допускаемое напряжение на срез шпонок [τ ]_ср = 70... 100 МПа. Большее значение принимают при постоянной нагрузке.

Шлицевые соединения

Шлицевое соединение образуют выступы (зубья) на валу (рис. 50), входящие в соответствующие впадины (шлицы) в ступице. Рабочими поверхностями являются боковые стороны выступов. Выступы на валу выполняют фрезерованием, строганием или накатыванием в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Впадины в отверстии ступицы изготовляют протягиванием или долблением.

Рис. 50.

Шлицевое соединение представляет собой фактически многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом.

Назначение шлицевых соединений - передача вращающего момента между валом и ступицей.

Шлицевые соединения стандартизованы и широко распространены в машиностроении.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными:

1. Способность точно центрировать соединяемые детали или точно выдерживать направление при их относительном осевом перемещении.

2. Меньшее число деталей соединения (шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное - три).

3. Большая несущая способность вследствие большей суммарной площади контакта.

4. Взаимозаменяемость (нет необходимости в ручной пригонке).

5. Большее сопротивление усталости вследствие меньшей глубины впадины и меньшей поэтому концентрации напряжений, особенно для эвольвентных шлицев.

Недостатки - более сложная технология изготовления, а следовательно, более высокая стоимость. Шлицевые соединения различают:

- по характеру соединения - неподвижные для закрепления детали на валу; подвижные, допускающие перемещение вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач; шпинделя сверлильного станка);

- по форме выступов - прямобочные, эвольвентные, треугольные.

Центрирование (обеспечение совпадения геометрических осей) соединяемых деталей выполняют по наружному D, внутреннему d диаметрам или боковым поверхностям b выступов. Выбор способа центрирования зависит от требований к точности центрирования, от твердости ступицы и вала. Первые два способа обеспечивают наиболее точное центрирование.

Соединения с треугольным профилем (рис. 51) изготовляют по отраслевым нормалям. Применяют в неподвижных соединениях. Имеют большое число мелких выступов-зубьев (z = 15... 70; m = 0, 5... 1, 5). Угол β профиля зуба ступицы составляет 30, 36 или 45°. Применяют центрирование только по боковым поверхностям, точность центрирования невысокая.

Рис. 51.

Выступы выполняют как на цилиндрических, так и на конических поверхностях. Параметры соединения записывают через модуль m:

d_m = mz; h ≈ 1, 3m.

Применяют для передачи небольших вращающих моментов тонкостенными ступицами, пустотелыми валами, а также в соединениях торсионных валов, стальных валов со ступицами из легких сплавов, в приводах управления (например, привод стеклоочистителя автомобиля).

Соединения с треугольным профилем применяют также при необходимости малых относительных регулировочных поворотов деталей. Если для деталей, требующих относительной угловой регулировки, применить два соединения с числами зубьев z и (z + 1), то детали можно повернуть одну относительно другой на минимальный угол, равный 1/[z(z + 1)] рад. Например, если число зубьев ζ = 70, то минимальный угол поворота равен 1/4970 рад (0, 0115° или 0, 69').

Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σ _в > 500 МПа.

Расчёт шлицевых соединений

Основным критерием работоспособности шлицевых соединений является сопротивление рабочих поверхностей смятию и изнашиванию. Изнашивание боковых поверхностей зубьев обусловлено микроперемещениями деталей соединения вследствие упругих деформаций при действии изгибающего и вращающего моментов или несовпадения осей вращения (из-за наличия зазоров, погрешностей изготовления и монтажа).

Параметры соединения выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала, а затем выполняют расчет по критериям работоспособности.

Смятие и изнашивание рабочих поверхностей связаны с действующими на контактирующих поверхностях напряжениями смятия σ _см.

Упрощенный (приближенный) расчет основан на ограничении напряжений смятия σ _см допускаемыми значениями [σ ]_см, назначаемыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций:

где Τ — расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменном режиме нагружения), Нм;

К_з— коэффициент неравномерности распределения нагрузки между выступами (зависит от точности изготовления: погрешностей угловых шагов выступов и сопряженных впадин, величины радиального зазора); К_з = 1, 1... 1, 5;

d_m - средний диаметр соединения, мм;

z — число выступов;

h — рабочая высота выступа, мм;

l_р - рабочая длина соединения, мм;

[σ ]_см - допускаемое напряжение смятия, МПа.

В табл. 9.2 приведены значения [σ ]_см для изделий общего машиностроения и подъемно-транспортных устройств, рассчитанных на длительный срок службы. Большие значения принимают для легких режимов нагружения.

Если расчетное напряжение [σ ]_см превышает допускаемое, то увеличивают длину ступицы, изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения и повторяют проверочный расчет.

Табл.9.2.

Допускаемые напряжения смятия [σ ]_см для расчета шлицевых соединений при средних условиях эксплуатации

Тип соединения	[σ ]_см, МПа
< 350 НВ	> 40 HRC
Неподвижное	60...100	100...140
Подвижное без нагрузки (блок шестерен коробки передач)	20...30	30...60
Подвижное под нагрузкой (соединение карданного вала)	—	5...15

При проектировочном расчете шлицевых соединений после выбора по стандарту размеров сечения определяют длину выступов l_Р. Если получают l_p > 1, 5d, то изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения. Длину ступицы принимают l_ст = l_p + 4... 6 мм и более в зависимости от конструкции соединения.

Уточненные расчеты на смятие и износ разработаны для прямобочных шлицевых соединений и учитывают характер нагружения, конструктивные особенности соединения, приработку рабочих поверхностей, требуемый ресурс и т.д.

ЛЕКЦИЯ №10.

Предыдущая 4 5 6 7 8 9 101112 13 14 15 16 17 18 19 Следующая