72482

ШПОНОЧНЫЕ, ЗУБЧАТЫЕ (ШЛИЦЕВЫЕ) И ПРОФИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Лекция

Производство и промышленные технологии

Шпоночные зубчатые шлицевые и профильные соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом. Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные а вторая – ненапряженные соединения.

Русский

2014-11-22

540.5 KB

4 чел.

Лекция 4.

ШПОНОЧНЫЕ,   ЗУБЧАТЫЕ   (ШЛИЦЕВЫЕ)

И   ПРОФИЛЬНЫЕ   СОЕДИНЕНИЯ

Шпоночные,   зубчатые   (шлицевые) 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 стандартизированы.

Соединения клиновыми шпонками

Врезные клиновые шпонки (рис.4.1) характеризуются следующими положениями: свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (Необходимость этих зазоров связана с технологическими трудностями посадки шпонки по всем четырем 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.

Рис.4.1

 

Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторую величину (см.рис.4.1), 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, создаст 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.

Рис.4.2

           Фрикционная шпонка (рис.4.2) 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.

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 см, а в продольном сечении шпонки – напряжения среза (рис.4.3).

Для простоты расчета допускают, что шпонка врезана в вал наполовину своей высоты, напряжения 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:

   (4.1)

    (4,2)

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 (4.1).

 

Рис.4.3

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.

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.*.

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

.

Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой (штифтом) показана на рис.4.4. 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 или 1200. Цилиндрическую шпонку устанавливают в

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

Рис.4.4

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготовляют из чистотянутых стальных прутков – углеродистой или легированной стали с пределом прочности в не ниже 500 МПа. Величина допускаемых зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал.

[см] = 80 200 МПа

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

[см] = 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 соединения.

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.

Общие замечания по расчету шпоночных соединений

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

В тех случаях, когда одна шпонка не может передать заданного момента, устанавливают две или три шпонки. При этом призматические шпонки обычно располагают под углом 1800. При расчете прочности многошпоночного соединения допускают, что нагрузка распределяется равномерно между всеми шпонками.

ЗУБЧАТЫЕ  (ШЛИЦЕВЫЕ)  СОЕДИНЕНИЯ

Конструкция и классификация

Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы (рис.4.5).

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

 Соединения с прямобочными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням зубьев (рис.4.6,а), по наружному (рис.4.6,б) или внутреннему (рис.4.6,в) 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.

Рис.4.5

Рис.4.6

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.

Соединения с эвольвентными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням (рис.4.7,а) или по наружному диаметру вала (рис.4.7,б). 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.

Рис.4.7

Расчет зубчатых соединений

Размеры зубьев, аналогично шпонкам, выбирают по таблицам стандартов в зависимости от диаметра вала. Боковые поверхности зубьев испытывают напряжением смятия, а в сечениях у их оснований возникают напряжения среза и изгиба (рис.4.8).

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

                    ,                 (4.3)

где К 0,7 0,8 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения усилий между зубьями; z – число зубьев; h – высота поверхности контакта зубьев;  - рабочая длина зубьев; rср – средний радиус поверхности контакта;    -

Рис.4.8

для прямобочных зубьев (f – см.рис.4.8); h  m; rср = mz/2 – для эвольвентных зубьев (m – модуль).

Оценка и применение зубчатых соединений

Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными обладают рядом преимуществ, главным 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.

СОЕДИНЕНИЯ  ДЕТАЛЕЙ  ПОСРЕДСТВОМ  ПОСАДОК

С  ГАРАНТИРОВАННЫМ  НАТЯГОМ  (ПРЕССОВЫЕ  СОЕДИНЕНИЯ)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Соединение двух деталей по круговой цилиндрической поверхности можно осуществить непосредственно без применения болтов, шпонок и т.д. Для этого достаточно при изготовлении деталей обеспечить натяг посадки, а при сборке запрессовать одну деталь в другую (рис.4.9).

 Натягом называют отрицательную разность диаметров отверстия и вала:       = А – В. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр посадочных поверхностей становится общим и равным d. При этом на поверхностях посадки возникает удельное давление р и соответствующие ему силы трения. Силы трения обеспечивают неподвижность соединения и позволяют воспринимать как крутящие, так и осевые нагрузки. Защемление вала во втулке позволяет, кроме того, нагружать соединение изгибающим моментом. В инженерной практике такое соединение называют прессовым.

 Нагрузочная способность прессового соединения прежде всего зависит от натяга. Величину последнего устанавливают в соответствии с величиной нагрузки.

Практически расчетная величина натяга очень невелика, она измеряется микронами и не может быть выполнена точно. Неизбежные погрешности производства приводят к рассеиванию величины натяга, а следовательно, и к рассеиванию нагрузочной способности соединения.

Рис.4.9

Действительный натяг, полученный в соединении, называют технологическим натягом.

Сборку любого прессового соединения выполняют одним из трех способов: прессованием, нагревом втулки, охлаждением вала.

 Прессование – распространенный и несложный способ сборки. Однако этот способ имеет существенные недостатки – смятие и частичное срезание (шабровка)

неровностей контактных поверхностей, возможность неравномерных деформаций деталей и повреждения их торцов.

          Шабровка и смятие неровностей приводит к ослаблению прочности соединения до полутора раз по сравнению со сборкой нагревом или охлаждением.  

          Для облегчения сборки прессованием и уменьшения шабровки концу вала и краю отверстия рекомендуют придавать коническую форму, как это показано на рис.4.10.

Рис.4.10

 Шабровка поверхностей контакта устраняется полностью при сборке по методу нагревания втулки (до 200 4000С) или охлаждения вала (твердая углекислота – 790С, жидкий воздух – 1960С). Недостатком метода нагревания является возможность изменения структуры металла, появление окалины и коробления.

Метод охлаждения свободен от этих недостатков и поэтому с развитием холодильной техники он получает все более широкое распространение. Необходимую разность температур нагрева втулки или охлаждения вала, обеспечивающую свободную сборку, подсчитывают по формуле

,

где d – номинальный диаметр посадки; max – наибольший натяг посадки; 0 – минимальный необходимый зазор, обеспечивающий свободную сборку (рекомендуется принимать равным минимальному зазору посадки движения - - температурный коэффициент линейного расширения (для стали и чугуна   10 10-6 0С-1).

Прочность  прессового  соединения

При расчете прессовых посадок необходимо рассматривать как условия прочности (неподвижности) соединения, так и условия прочности деталей.

Расчет прочности деталей является проверкой возможности применения той или иной посадки.

Расчет прочности соединения

На рис.4.11 приведена расчетная схема для прессового соединения.

Условие прочности соединения при нагружении осевой силой S:

    (4.4)

где р – давление на поверхности контакта.

Рис.4.11

Условие прочности соединения при нагружении крутящим моментом

    (4.5)

При совместном действии Т и S

   (4.6)

где Ft = 2T/d – окружная (тангенциальная) сила.

По теории расчета толстостенных цилиндров, изучаемой в курсе сопротивления материалов, удельное давление на поверхности контакта связано с натягом зависимостью

   (4.7)

где р – расчетный натяг; С1 и С2 – коэффициенты:

,

Е1 и Е2, 1 и 2 – модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов вала и втулки.

При расчете прочности соединения натяг р принято определять по наименьшему табличному натягу посадки min с поправкой u на срезание и сглаживание шероховатостей поверхности при запрессовке (если сборку выполняют нагреванием или охлаждением, u = 0):

    (4.8)

где Rz1 и Rz2 – высоты шероховатостей сопрягаемых поверхностей.

Расчет прочности и деформаций деталей

 

Расчет прочности и деформаций деталей прессового соединения выполняют по формулам для толстостенных цилиндров. Эпюры напряжений в деталях 1 и 2 показаны на рис.4.12, где r – напряжения сжатия в радиальном направлении; t1 и t2 – напряжения сжатия и растяжения в тангенциальном направлении.

         Давление р при расчете прочности деталей определяют по наибольшему натягу посадки max – по формуле (4.7) с учетом формулы (4.8), в которых

                                  (4.9)

         Приведенные зависимости справедливы только в пределах упругих деформаций.

         Условие, при котором в деталях не будет пластических деформаций (по теории наибольших касательных напряжений),

               ,

где 1 – максимальное, а 3 – минимальное нормальные напряжения, считая растяжение положительным; т – предел текучести материала.

Рис.4.12

Нетрудно установить, что наибольшие эквивалентные напряжения эк имеют место в точках внутренних поверхностей втулки и вала. При этом для втулки 1 = t2; 3 = r и условия отсутствия пластических деформаций получены и при наличии некоторой кольцевой пластической зоны вблизи внутренней поверхности втулки.

Дополнительные указания к расчетам

1. Силу, необходимую для запрессовки или выпрессовки деталей, можно ориентировочно оценить по формуле (4.4), в которой давление р определяют по максимальному натягу – формулы (4.7) и (4.9). Можно использовать также эмпирические зависимости, по которым сила запрессовки

          (4.10)

для стальных ступицы и вала при d2  2d и d1 = 0 – см.рис.4.12.

Соответственно для чугунной ступицы и стального вала

          (4.11)

где S’ – кгс; max – мм;  - длина ступицы, мм.

2. Приведенные выше формулы для расчета прочности деталей основаны на предположении, что давление распределяется равномерно по поверхности контакта.

          Действительная эпюра давлений в направлении длины втулки представляется некоторой кривой, приближенный характер которой показан на рис.4.13.Здесь наблюдается концентрация давлений (напряжений) у краев отверстия, вызванная вытеснением сжатого материала от середины в обе стороны.

Рис.4.13

ОЦЕНКА  И  ОБЛАСТЬ  ПРИМЕНЕНИЯ

ПРЕССОВОГО  СОЕДИНЕНИЯ

Из рассмотренного выше следует, что прессовое соединение относится к группе неподвижных и напряженных.

Разборка такого соединения затруднена и обычно связана с применением специальных приспособлений. Однако в зависимости от величины натяга и технологии сборки могут быть получены как разъемные, так и неразъемные прессовые соединения. Разъемное соединение сохраняет свою работоспособность при повторных сборках. Разборка неразъемных соединений сопровождается повреждением посадочных поверхностей деталей.

Основным положительным свойством прессового соединения является его простота и технологичность. Это обеспечивает сравнительно низкую стоимость соединения и возможность его применения в массовом производстве. Хорошая центровка деталей и равномерное распределение нагрузки по всей посадочной поверхности позволяют использовать прессовое  соединение для скрепления деталей современных высокоскоростных машин.

Существенным недостатком прессового соединения является зависимость его нагрузочной способности от ряда факторов, трудно поддающихся учету: широкого рассеивания значений коэффициента трения и натяга, влияния рабочих температур на прочность соединения и т.д. К недостаткам соединения относится также наличие высоких сборочных напряжений в деталях и уменьшение их усталостной прочности вследствие концентрации давлений у краев отверстия.

С помощью прессовых посадок с валом соединяют зубчатые колеса, маховики, подшипники качения, роторы электродвигателей, диски турбин и т.д. прессовые посадки используют при изготовлении коленчатых валов (рис.4.14), червячных колес (рис.4.15) и т.д.

        Рис.4.14          Рис.4.15

РАЗНОВИДНОСТЬ  СОЕДИНЕНИЙ

ПОСРЕДСТВОМ  НАТЯГА – СОЕДИНЕНИЕ  ПОСАДКОЙ  НА  КОНУС

Такие соединения применяют для закрепления деталей на концах валов (рис.4.16).

Давление на конической поверхности образуется в результате затяжки гайки. В остальном соединение подобно прессовому. В отличие от прессового, соединение легко монтируется и демонтируется  без применения специального оборудования (например, прессов). Это удобно для соединения узлов, монтаж и демонтаж которых  производят не только при сборке изделия на заводе, но и в процессе эксплуатации.

Задачей расчета является определение момента Т, который может передавать соединение при заданных размерах и силе Рзат затяжки гайки.

         (4.12)

Рис.4.16

PAGE  14


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72544. МЕТОД ПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ БЮДЖЕТНОГО ПРАВА 104.5 KB
  В самом общем виде методы правового регулирования общественных отношений в том числе и отношений в сфере бюджетной деятельности это совокупность правовых средств или способов применяемых в ходе правового регулирования названных отношений.
72545. К ВОПРОСУ ОБ ОТНОШЕНИЯХ В СФЕРЕ ЭКОНОМИКИ КАК ЧАСТИ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ПРЕДМЕТА УГОЛОВНОГО ПРАВА 107.5 KB
  Реформирование российской экономики развитие рыночных отношений сложный процесс требующий больших усилий и времени. В связи с преобразованиями в экономической и политической жизни страны происходят качественные изменения в различных отраслях права: гражданском земельном предпринимательском и других.
72546. МЕСТО НОТАРИАЛЬНЫХ ПАЛАТ В ОРГАНИЗАЦИИ ГРАЖДАНСКОГО ОБЩЕСТВА РОССИИ 186.5 KB
  Глубокие политические и социально-экономические преобразования в России возникновение и развитие рыночных отношений конституционное закрепление равенства частной государственной муниципальной и иных форм собственности обусловили серьезное видоизменение роли и значения многих традиционных...
72547. ПОНЯТИЕ И СУЩНОСТЬ БАНКА 130 KB
  Будучи юридическим лицом в качестве основной цели деятельности которого законодательно закреплено извлечение прибыли банк совершая банковские операции стремится увеличить превышение своих доходов над расходами. Движущим мотивом деятельности банка является не выполнение общеэкономических...
72548. ОСОБЕННОСТИ ПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ИМУЩЕСТВА ДОЛЖНИКА В КОНКУРСНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 138 KB
  Имущество должника в конкурсном производстве служит главной цели наиболее полному удовлетворению требований кредиторов. Закон О несостоятельности банкротстве далее Закон называет все имущество должника имеющееся в момент открытия конкурсного производства и выявленное в ходе конкурсного...
72550. ХРИСТИАНСКАЯ МОДЕЛЬ ЧЕЛОВЕКА И МОДЕЛЬ ПРЕСТУПНИКА: ИХ СООТНОШЕНИЕ 173 KB
  В начале 1990 г. Главный смысл содержания этого раздела заключался в том что партия как бы опомнившись от длительного летаргического сна впервые обратила свое внимание на человека не как на винтик в приводе государственной машины или лагерную пыль но как на действительную историческую реальность.
72551. ПОНЯТИЕ АДМИНИСТРАТИВНОЙ ПРОЦЕДУРЫ И КОНЦЕПЦИИ ЗАКОНОДАТЕЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АДМИНИСТРАТИВНЫХ ПРОЦЕДУР В ЗАРУБЕЖНЫХ ГОСУДАРСТВАХ 91 KB
  В науке административного права административные процедуры рассматриваются как составная часть административного процесса. В связи с этим наиболее типично следующее определение административной процедуры: административная процедура это нормативно установленный порядок последовательно...
72552. ПОЛНОМОЧИЯ, ПОРЯДОК ОБРАЗОВАНИЯ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ФЕДЕРАЛЬНОГО АРБИТРАЖНОГО СУДА МОСКОВСКОГО ОКРУГА 106.5 KB
  Согласно ст. 24 Федерального конституционного закона О судебной системе Российской Федерации Федеральный арбитражный суд округа: в пределах своей компетенции рассматривает дела в качестве суда кассационной инстанции а также по вновь открывшимся обстоятельствам; является вышестоящей судебной...