114. Шлицевые соединения.

По форме профилей зубьев различают три типа шлицевых соединений: прямобочные, эвольвентные, треугольные.Соединение с прямобочными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням зубьев, по наружному или внутреннему диаметру.

Число зубьев шлицев 6...20.

Центрирование по диаметрам (D или d) обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы, центрирование по боковым граням обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям, применяется при тяжелых условиях работы.

Какое центрирование — по наружному или внутреннему диаметру — конкретно выбирают по технологическим условиям изготовления.

Соединение с эвольвентными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням или по наружному диаметру вала. Наиболее распространен первый способ.

Основные критерии работоспособности шлицевых соединений — сопротивление рабочих поверхностей зубьев смятию и коррозионно-механическое изнашивание.

На расчет шлицевых соединений разработан ГОСТ 21425 — 75.

Расчетная формула для шлицевого соединения:

где S_F = (z h d_m)/2 — удельный (на единицу длины) суммарный статический момент площади рабочих поверхностей (см. таблицу ГОСТ 21425 — 75), l — рабочая длина зубьев, z — число зубьев, d_m = 0,5(D+d) — средний диаметр, h = 0,5(D-d)-2f — рабочая высота прямобочных зубьев, для эвольвентных — h  m и d _m = z m; где m — модуль зубьев.Размеры поперечного сечения зубьев выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала. Длину зубьев l рассчитывают и согласовывают с длиной ступицы.

Расчет на изнашивание выполняется по условию:

где [_изн] — условное допускаемое напряжение (берется по таблицам ГОСТа);

— коэффициент числа циклов нагружения,

N = 60 t n, K_E — коэффициент режима работы, К_ос — коэффициент осевой подвижности, К_с — коэффициент условий смазки

Кос = 1 — соединение неподвижно;

Кос = 1,25 — соединение подвижное без нагрузки;

Кос = 3 — соединение подвижное под нагрузкой;

Кс = 0,7 — смазка без загрязнений;

Кс = 1 — средняя смазка;

Кс = 1,4 — смазка с загрязнениями.

115. Шпоночные соединения

Шпоночные и 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. 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 стандартизованы. Соединение клиновыми шпонками (например, врезной клиновой шпонкой — рис. 6.1) характеризуется свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающего момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки.

1 Необходимость этих зазоров связана с технологическими трудностями посадки шпонки по всем четырем граням,

Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторое значение , равное половине зазора посадки и деформации деталей.

Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения. Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна оси вала.

Обработка паза в ступице с уклоном, равным уклону шпонки, создает 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.

Значительное сокращение применения клиновых шпонок позволяет не рассматривать в настоящем курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.

С оединение призматическими шпонками ненапряженное. Оно требует изготовления вала и отверстия 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 _ср.

Для упрощения расчета допускают, что шпонка врезана в вал на половину 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 этих допущениях, получаем условия прочности в виде:

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 первую формулу .

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. В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице.

Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этих щпонок подобен принципу работы призматической шпонки. Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. 6.4. Глухая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на малонагруженных участках вала, например на концах валов.

Аналогично соединению с призматической шпонкой для сегментной шпонки получим:

При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегментные шпонки.

Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой (штифтом) показана на рис. 6.5. Цилиндрическую шпонку используют 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 120. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжению смятия аналогично призматической:

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков — углеродистой или легированной стали с пределом прочности _в не ниже 500 МПа. Значение допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал.

Для неподвижных соединений допускают:

при переходных посадках [_cм] =80...150 МПа;

при посадках с натягом [_cм] = 110...200 МПа.

Меньшие значения для чугунных ступиц и при резких изменениях нагрузки. В подвижных соединениях (в осевом направлении) допускаемые напряжения значительно снижают в целях предупреждения задира и ограничения износа. При этом принимают [_cм] =20...30 МПа.