23. Шпоночные соединения. Разновидности. Подбор и проверочный расчет.

Шпоночные и зубчатые 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.

Соединение клиновыми шпонками например врезной клиновой шпонкой характеризуется свободной посадкой ступицы на вал с зазором, расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням, передачей вращающего момента от вала к ступице в основном силами трения , которые образуются в соединении от запрессовки шпонки. 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.

Соединение 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 смятение, а в продольном сечении шпонки напряжение среза. Для упрощения расчета допускают что шпонка врезана в вал на половину своей высоты напряжения распределяются равномерно по высоте и длине шпонки а плечо равнодействующей этих напряжений равно.

Сегментня 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 рисунку (учебник Иванов страница 89) Глубокая посадка шпонки обеспечивает её 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. При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегментные шпонки.

Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой. 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 углом180 градусов или 120 градусов соответственно. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

23. Шлицевые соединения. Способы центрирования. Подбор и проверочный расчет.

Конструкция и классификация. Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в от­верстии ступицы (рис. 6.6). Все размеры зубчатых соединений, а также допуски на них стандартизованы. По форме профиля зубьев различают три типа соединений: прямобочные, эвольвентные, треугольные.

Соединения с прямобочньши зубьями выполняют с центрированием по боко­вым граням зубьев (рис. 6.7, а), по на­ружному (рис. 6.7, б) или внутреннему (рис. 6.7, в) диаметрам вала. Стандар­том предусмотрены три серии соедине­ний (легкая, средняя и тяжелая), кото­рые отличаются высотой и количеством зубьев. Число зубьев изменяется от 6...20. У соединений тяжелой серии зу­бья выше, а их количество больше, чем у соединений средней и легкой серий.

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 b 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), то 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. 6.8, а) или по наружному диаметру вала (рис. 6.8, 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, а также более высокая прочность (благодаря большему числу зубьев и скругления впадин) обеспечивают им все более широкое применение. Эвольвент­ные зубья, так же как и прямобочные, можно применять в подвижных соединениях.

Соединения с треугольными зубьями (рис. 6.9) не стандартизо­ваны, их применяют главным образом как неподвижные при тонко­стенных втулках и стесненных габаритах по диаметру. Это соедине­ние имеет большое число мелких зубьев (до 70). Вследствие техно­логических трудностей треугольные зубья часто заменяют мелкими эвольвентными зубьями.

Оценка и применение зубчатых соединений. Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными обладают рядом преимуществ, главные из которых следующие.

детали лучше центрируются на валах и имеют лучшее направ­ление при осевом перемещении; прочность соединения, в особенности при динамических нагрузках, существенно повышается вследствие увеличения суммарной рабочей поверхности зубьев по сравнению с поверхностью шпонки, а также вследствие уменьшения глубины пазов и равномерного распределения нагрузки по окружности вала. Преимущества зубчатого соединения перед шпоночным обусловили его широкое применение в высоконапряженных машинах (автотрак­торная промышленность, станкостроение, авиастроение и т. п.).

Расчет зубчатых соединений

Основными критериями работоспособности зубчатых соединений являются сопротивления рабочих поверхностей зубьев смятию и коррозийно-механическому изнашиванию. Коррозийно-механическое из­нашивание возникает при очень малых колебательных относительных перемещениях сопряженных поверхностей. В зубчатых соединениях такие перемещения связаны с деформациями и зазорами. Не трудно понять, что циклические деформации изгиба вращающегося вала распространяются в отверстие ступицы и сопровождаются относи­тельными микроперемещениями Деформации кручения ала также сопровождаются микросдвигами, но в отличие от изгиба эти микросдвиги циклические только при переменном крутящем моменте. Если соединение нагружено поперечной силой F, не изменяющей своего положения при вращении вала (например, сила в зацеплении зубчатой передачи), то зазоры в соединении выби­раются то в одну, то в другую сторону, т. е. возникают колебатель­ные относительные перемещения. Кроме того, сила F=√F_t²+F², смещенная от середины ступицы, образует опрокидывающий момент M_опр1=Fe, который вызывает концентрацию нагрузки у ближнего края ступицы. Опрокидывающий момент образуют и осевые силы.

Исследования зубчатых соединений позволили разработать ГОСТ 21425—75 по расчету их нагрузочной способности. Ниже излагается методика такого расчета с некоторыми упрощениями и сокращениями.

Расчет по напряжениям смятия. Учитывая и допуская равномерное распределение нагрузки между зубьями и по длине зубьев, получаем

σ_см= 2T/(K₃zhd_срl)≤[σ_CM],

где T-номинальный крутящий момент(наибольший из длительно действующих); K_3=0,7…0,8 – коэффициент неравномерности нагрузки по зубьям;z- число зубьев;h – рабочая высота зубьев; l - рабочая длина зубьев; d_ср – средний диаметр соединения. Для прямобочных зубьев h=0,5(D-d)-2f, d_ср=0,5(D+d); для эвольвентных зубьев h≈m, d_ср=zm, где m – модуль зубьев; [σ_CM] - допускаемое напряжение.