Тема 13 соединения деталей машин

13.1. Основные понятия и общая классификация соединений

Соединения как неподвижные связи между элементами конструкции обусловлены целесообразностью расчленения машины на узлы и детали для того, чтобы упростить производство, облегчить сборку, ремонт, транспортировку и т.п. Для выполнения заданных функций в машине все детали в определенном порядке соединяют между собой. Таким образом, образуются так называемые соединения деталей.

По признаку разъемности соединения подразделяются на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения — такие, которые допускают сборку и разборку без повреждения соединяемых элементов и соединяемых деталей. К этому виду соединений относятся: резьбовые, шпоночные, шлицевые (зубчатые), профильные, штифтовые и клеммовые.

Неразъемные соединения — такие, которые невозможно разобрать без разрушения соединяющих и соединяемых деталей. К ним относятся: заклепочные, сварные, паяные, клеевые и соединения с натягом (прессовые).

Разъемные соединения, в свою очередь, можно разделить на две группы — напряженные и ненапряженные.

Напряженными называют соединения, в деталях которых напряжения возникают при сборке до приложения внешних нагрузок. Примером такого соединения является затянутое болтовое соединение.

174

Ненапряженными называют соединения, в деталях которых напряжения не возникают до приложения внешних нагрузок. Примером такого соединения является соединение призматической и сегментной шпонками.

Соединения являются ответственным элементом конструкций механизмов. Часто причиной отказов и разрушений механизмов является низкое качество соединений.

13.2. Шпоночные соединения

Шпоночные соединения предназначены для передачи вращающего момента от вала к ступице насаженной на него детали и наоборот. Соединения делятся на ненапряженные с призматическими (рис. 13.1, а), сегментными (рис. 13.1, б) и цилиндрическими (рис. 13.1, в) шпонками и напряженные — с клиновыми шпонками (рис. 13.1, г). В машиностроении, в том числе и авиастроении, основное применение имеют ненапряженные шпоночные соединения для передачи малых и средних вращающих моментов.

Достоинства: простота конструкции, низкая стоимость изготовления, простота сборки и разборки.

Недостатки: ослабление сечений соединяемых деталей шпоночными пазами, вызывающими концентрацию напряжений; нарушение центрирования деталей в напряженных соединениях с клиновыми шпонками.

Наибольшее распространение получили соединения с призматической шпонкой (рис. 13.1, а). Шпонка здесь имеет вид призмы с размерами с плоскими торцами или с одним или двумя скругленными торцами, как показано на рисунке. Последние наиболее употребительны. Соединение стандартизовано. Размеры шпонки и выбирают по ГОСТ в зависимости от диаметра вала. Длина шпонки назначается из стандартного ряда длин и берется на 5…10 мм меньше длины ступицы детали.

175

Рис. 13.1. Виды шпоночных соединений

Достаточно широкое применение нашли также соединения с сегментной шпонкой. Шпонка такого соединения имеет вид сегмента круга, как показано на рис. 13.1, б. Соединение более технологично. Однако более глубокий паз на валу заметно снижает его прочность. Поэтому эти шпонки применяют в валах малонагруженных механизмов. Соединение сегментной шпонкой также стандартизовано.

Если ступица детали имеет общую торцевую поверхность с валом, возможно образование соединения цилиндрическими шпонками (рис. 13.1, в). Отверстия в торцах соединяемых деталей высверливают в собранном состоянии. Нагрузочную способность соединения при необходимости повышают за счет установки нескольких шпонок (до 4-х) равномерно по окружности.

176

Напряженные шпоночные соединения образуются клиновыми шпонками, которые обычно имеют уклон 1:100 (см. рис. 13.1, г). Рабочими гранями этих шпонок являются не боковые, а верхние и нижние грани. Клиновые шпонки могут передавать вращающий момент и осевую силу, однако при установке вызывают деформацию деталей и нарушают центрирование. Поэтому шпоночные соединения с клиновыми шпонками имеют ограниченное применение. В ответственных и высокоточных механизмах эти соединения не используются.

Основными видами повреждений шпоночных соединений являются смятие рабочих поверхностей и срез сегментных шпонок.

Длинные призматические шпонки применяются в качестве направляющих, например, в станках. У таких шпонок может наблюдаться изнашивание направляющих поверхностей.

Таким образом, основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность.

Размеры призматических и сегментных шпонок установлены так, что определяющими её прочность являются напряжения смятия. Расчет ведется в предположении равномерного распределения давления по боковой поверхности контакта шпонки с валом и ступицей. По назначенным размерам расчет проводится как проверочный по условию прочности:

,

где — вращающий (крутящий) момент, ; — диаметр вала, мм; — рабочая длина шпонки, мм; — глубина врезания шпонки в ступицу, мм; — допускаемые напряжения смятия, МПа. Допускаемые напряжения при расчетах на смятие определяются по зависимости . Здесь — минимальное из трех значений предела текучести для более слабого материала шпонки, вала или ступицы; — коэффициент запаса.

177

Расчет соединения с круглой (цилиндрической) шпонкой ведется также по напряжениям смятия по условию прочности:

.

При невыполнении условия прочности с одной шпонкой, устанавливается несколько шпонок, при расчете это учитывается подстановкой числа шпонок в знаменатель дроби. Отсюда можно рассчитать необходимое число шпонок.