8 Разъемные соединения. Шпоночные и шлицевые (в том числе зубчатые) соединения

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.

Соединение клиновыми шпонками

Рабочими являются широкие верхние грани шпонки. Передача крутящего момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки. Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы. Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения.

Прочность по смятию широкой грани:

Соединение призматическими шпонками

Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия а в продольном сечении шпонки ‑ напряжения среза (рис. 6.2).

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 . Рассматривая равновесие вала или ступицы при этих допущениях, получаем условия прочности в виде

,

У стандартных шпонок ГОСТ 23360-78 размеры и зависят от диаметра вала и подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчетах обычно используют только формулу (6.1).

Шпонки тангенциальные

Поперечное сечение прямоугольник. В поперечном сечении соединения шпонка одной своей широкой стороной располагается касательно к окружности вала ‑ втулки. Шпонка состоит из двух односкосных одинакового уклона клиньев, составленных таким образом, что узкие грани ‑ они являются рабочими ‑ параллельны. Эти шпонки применяются сравнительно редко.

Прочность узкой грани по смятию проверяется по условию

где  - ширина фаски.

Сегментная шпонка является разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этой шпонок подобен принципу работы призматической шпонки. Основные размеры сегментных шпонок b×h×D (ширина, высота, диаметр заготовки) стандартизованы в зависимости от диаметра вала ГОСТ 24071-80. Длина шпонки l.

Аналогично соединению с призматической шпонкой для сегментной шпонки получим

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

Соединения с цилиндрической шпонкой

Цилиндрическую шпонку используют для закрепления деталей на конце вала. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжениям смятия:

Зубчатые (шлицевые) соединения

Конструкция и классификация.

Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы. Размеры зубчатых соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Зубья на валах получают фрезерованием, строганием или накатыванием. Зубья в отверстиях образуют протягиванием или долблением.

Стандартом предусмотрены три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая; они отличаются высотой и числом зубьев. Число зубьев изменяется от 6 до 20. У соединений тяжелой серии зубья выше, а их число больше, что позволяет передавать большие нагрузки. По форме профиля различают зубья прямобочные, эвольвентные и треугольные.

Т реугольные зубчатые (шлицевые) соединения применяются главным образом для неподвижных соединений при передаче небольших крутящих моментов.

Профиль зуба в плоскости, перпендикулярной оси соединения ‑ треугольник, биссектриса угла, при вершине которого проходит через центр сечения.

Чаще всего эти соединения используют с целью избежать прессовых посадок, применение которых по каким-либо причинам нежелательно, а также при тонкостенных втулках.

Наряду с цилиндрическими применяются и конические соединения этого типа.

Соединения этого типа не стандартизованы.

Соединения с прямобочными зубьями ГОСТ 1139-80 выполняют с центрированием по боковым граням, по наружному или внутреннему диаметрам. При выборе способа центрирования руководствуются следующим.

Центрирование по диаметрам D и 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. Его применяют при тяжелых условиях работы (ударные и реверсивные нагрузки и др.).

С оединения с эвольвентными зубьями предпочтительны при больших диаметрах валов, когда для нарезания зубьев в отверстии и на валу могут быть использованы весьма совершенные технологические способы, применяемые для зубчатых колес. В соответствии с этим стандарты на зубчатые соединения предусматривают диаметры валов до 500 мм с эвольвентными зубьями и только до 125 мм с прямобочными.

Расчет зубчатых соединений

Основными критериями работоспособности и расчета зубчатых соединений являются:

- сопротивление рабочих поверхностей смятию;

-- сопротивление изнашиванию от фреттинг-коррозии (это коррозионно-механическое изнашивание при малых относительных колебательных перемещениях соприкасающихся поверхностей).

Упрощенный расчет по обобщенному критерию. В упрощенной расчетной модели принято равномерное распределение нагрузки по длине зубьев. При этом получают:

где   ‑ номинальный крутящий момент (наибольший из длительно действующих);

 = 0,7…0,8 ‑ коэффициент неравномерности нагрузки по зубьям;

 ‑ число зубьев;

 ‑ рабочая высота зубьев;

 ‑ рабочая длина зубьев;

 ‑ средний диаметр соединения.

 - допускаемое напряжение смятия зависящее от типа соединения, условий эксплуатации и твёрдости зубьев.

Для прямобочных зубьев: ; .

для эвольвентных зубьев: ; .

где  ‑ модуль зубьев;

Расчет по ГОСТ 21425 — 75. Этот уточненный расчет разработан пока только для прямобочных зубчатых соединений.

При расчете по ГОСТ учитывают неравномерность распределения нагрузки по зубьям и длине зубьев (связанную с погрешностями изготовления и перекосами деталей от нагрузки), приработку рабочих поверхностей, срок службы и пр.

Нагрузочная способность соединения определяется как меньшая из двух, полученных по расчету на смятие и на износ.

Расчет на смятие При записи расчетных формул принято все корректирующие коэффициенты учитывать при расчете допускаемых напряжений. При этом формулу (6.5) записывают в виде

а допускаемые напряжения

где   ‑ предел текучести материала рабочих поверхностей зубьев детали меньшей твердости;

 = 1,25…1,4 ‑ коэффициент запаса прочности:

 ‑ коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями;

 ‑ коэффициент продольной концентрации нагрузки;

 ‑ коэффициент концентрации нагрузки от погрешностей изготовления.

 ‑ коэффициент динамичности нагрузки.

Расчет на износ. Различают расчеты, когда износ допускается при некотором ограниченном сроке службы и когда износ не допускается или он практически мал при неограниченно большом сроке службы (расчет на безызносную работу). Соединения, нагруженные только крутящим моментом (например, муфты с валами), на износ не рассчитываются.

Расчет на износ выполняют по условию

где   ‑ допускаемое напряжение по износу;

где   ‑ допускаемое условное давление при числе циклов N = 10⁸ (см. ниже) и постоянном режиме нагружения;

 ‑ коэффициент неравномерности нагрузки и различного скольжения на зубьях при расчете на износ;

 ‑ коэффициент продольной концентрации нагрузки такой же, как и при расчете на смятие;

 ‑ коэффициент переменности нагрузки;

 ‑ коэффициент числа циклов микросдвигов в соединении за полный срок службы;

 ‑ коэффициент условий смазки подвижных соединений;

 ‑ коэффициент осевой подвижности в соединении.

Расчет на безызносную работу при неограниченно большом сроке службы выполняют по формуле

где   ‑ допускаемое давление на рабочих поверхностях зубьев по условию безызносной работы, зависящий от вида термообработки зубьев;