КАБІНЕТ МІНІСТРІВ УКРАЇНИ

Національний Університет Біоресурсів і Природокористування України

Шпонкові та шліцьові з’єднання

Розміри, вибір та перевірочні розрахунки

Методичні рекомендації до виконання курсового проекту

для студентів спеціальностей:

КИЇВ 2008

Вступ

В машинобудуванні для передачі обертового руху широко застосовуються шпонкові та шліцьові з’єднання, якими вали з’єднуються із зубчастими колесами, шківами пасових передач, маховиками, зірочками ланцюгових передач тощо. Такі з’єднання поширені в трансмісіях тракторів, автомобілів, сільськогосподарських, будівельних та інших машин.

Шпонкові та шліцові з’єднання відносяться до роз’ємних з’єднань, від роботоздатності яких значною мірою залежить довговічність інших деталей. Це обумовлює необхідність обґрунтованого вибору елементів таких з’єднань і розрахунків їх на міцність.

Дійсні рекомендації містять методику вибору геометричних розмірів і розрахунку на міцність найбільш використовуваних у машинобудуванні типів шпонкових (призматичних, сегментних і клинових) та шліцьових (прямобічних і евольвентних) з’єднань.

Розрахунок шліцьових з’єднань наводиться у відповідності з ГОСТ 21425-75. До методичних рекомендацій включено необхідний довідковий матеріал з вибору типорозмірів шпонкових та шліцьових з’єднань. Рекомендації можуть бути використані студентами, як при курсовому чи дипломному проектуванні, так і у науково-дослідній роботі.

І. Шпонкові з’єднання

Шпонки призначенні для передачі крутного моменту від вала до маточини деталі (зубчастого колеса, шківа тощо) чи навпаки, від маточини до валу. В окремих випадках, крім передачі крутного моменту шпонки фіксують в осьовому напрямку насадженні на вал маточини (клинові шпонки) чи призначенні для напрямку їх руху (направляючі шпонки).

В методичних рекомендаціях приведені методи розрахунків найбільш розповсюджених у сільськогосподарському машинобудуванні призматичних, сегментних і клинових шпонкових з’єднань.

І.І. З’єднання призматичними шпонками

Призматичні шпонки (рис.1) виконують прямокутного перерізу з відношенням висоти до ширини перерізу (h:b) від 1:1 для валів малих діаметрів до 1:2 для валів великих діаметрів (ГОСТ 23360-78).

Кінці шпонок виконують плоскими чи округлими. Призматична шпонка являється врізною, тобто знаходиться в пазі вала. При цьому у вал шпонка заходить на величину, яка набагато менша половини своєї висоти. Робочими гранями призматичних шпонок служать їх бокові, більш вузькі грані. При цьому на цих гранях виникають напруги змину δсм, а в повздовжньому перерізі шпонки – напруження зрізу τср.

Для спрощення і полегшення збору шпонкових з’єднань між шпонкою і маточиною передбачують радіальний зазор.

Розміри поперечного перерізу шпонок, а також пазів стандартизовані (ГОСТ 23360-78) і визначаються в залежності від діаметра вала (табл. 1). Довжину шпонки приймають набагато меншу (на 3…7 мм) довжини маточини, узгодивши довжину шпонки із стандартним рядом довжин (див. примітку 1 до табл. 1).

Для ступінчастих валів допускається приймати менші розміри перерізів стандартних шпонок на валах більших діаметрів, за виключенням вихідних кінців валів. Це пов’язано з тим, що з міркувань міцності і працездатності шпонкових з’єднань немає причин призначення для ступені більшого діаметра великої шпонки, чим для ступені меншого діаметра того ж вала. Навпаки, чим більший діаметр ступені ступінчатого вала, тим меншим для неї може бути переріз шпонки тому, що при однаковому крутному моменті в шпонковому з’єднанні на ступені більшого діаметра діють менші зусилля, чим в шпонковому з’єднанні на ступені меншого діаметра.

Виконання А Виконання В Виконання С
Примітки: на робочому кресленні вказується один розмір вала – t1 (переважно) чи d-t1 і для втулки – d-t2.

Рис. 1. З’єднання призматичною шпонкою

Наявність на одному валу шпонкових пазів однакових по перерізу і довжині покращує технологічність конструкції вала. Таким чином, рекомендується призначати однакові шпонки для всіх ступенів вала, виходячи із найменшого діаметра, що має шпонковий паз.

Вибрані шпонки позначають наступним чином. Наприклад, шпонка виконання А розмірами b=18 мм, h=11мм, l=100 мм:

Шпонка 18 × 11 × 100 ГОСТ 23360-78

Те ж, виконання В:

Шпонка В 18 × 11 × 100 ГОСТ 23360-78.

Для спрощення розрахунків допускають, що шпонка врізана у вал на половину своєї висоти і напруження змину розподіляються рівномірно по висоті і довжині шпонки. Тоді умови міцності шпонкового з’єднання на змин можна записати у вигляді:

, (1)

де Т – крутний момент, Н∙мм;

h – висота шпонки, мм;

lp – робоча довжина шпонки, мм (довжина прямолінійної ділянки шпонки; для виконання А: lp=l-b; для виконання В: lp=l);

d – діаметр вала, мм;

[δсм] – допустиме напруження на зминання для шпонкових з’єднань, МПа.

Допустимі напруження в нерухомих шпонкових з’єднаннях при спокійному навантаженні рекомендується приймати:

• при посадці з гарантованим натягом в з’єднанні вал-ступиця:

[δсм] = 150…200 МПа при сталевій маточині [δсм] = 60…100 МПа

при чавунній маточині;

• при відсутності гарантованого натягу в з’єднанні:

[δсм] = 100…150 МПа при сталевій маточині і [δсм] = 60…80 МПа

при чавунній маточині. Ці значення допустимих напруг знижують

при роботі з слабким поштовхами на 1/3, а при ударному

навантаженні на 2/3.

Якщо при розрахунку нерівність (1) не виконується, то в з’єднанні передбачають дві, рідше три шпонки, які встановлюють під кутом 180° чи 120º. Якщо і при цьому не забезпечується міцність з’єднання, то шпонкові з’єднання замінюють на шліцеві.

У стандартних шпонок розміри b і h підібрані так, що навантажувальну здатність з’єднання обмежують напруження змину, а не зрізу. Тому при розрахунках зазвичай використовують тільки формулу (1).

Розрахунок шпонок на зрізі проводять тільки у випадку короткочасних перенавантажень, якщо такі є, по формулі:

, (2)

де b – ширина шпонки, мм;

[τср] – допустиме напруження зрізу, яке приймається

[τср] = 60…90 МПа.

Вибір посадки шпонкового з’єднання проводять в залежності від характеру з’єднання. Граничні відхилення розмірів по ширині і глибині паза вала і втулки повинні відповідати:

• по ширині b при вільному шпонковому з’єднанні – на валу H9, у втулці D10;

• по ширині b при нормальному шпонковому з’єднанні на валу N9, і втулці Js9;

• по ширині b при щільному шпонковому з’єднанні – на валу Р9, у втулці Р9.

Граничне відхилення довжини паза повинне відповідати Н15. граничне відхилення ширини шпонки b по h9, висоти h – по h9, h11, довжини l – по h14.

Примітки: на робочому кресленні вказується один розмір вала – t1 (переважно) чи d-t1 і для втулки – d-t2.

Рис. 2. З’єднання сегментними шпонками

Сегментні шпонки (рис.2) використовуються рідше чим призматичні, також вони забезпечують меншу точність посадок маточини на валу і врізаються у вал на більшу глибину, що відповідно знижує витривалість валів.

Застосування сегментних шпонок обумовлено технологічністю з’єднання (не потребує ручної підгонки), а також стійким положенням шпонки у валу, що виключає її перекошення і концентрацію напружень. Шпонки при коротких маточинах встановлюють по одній, при довгих – по дві (інколи навіть три) по довжині маточини. Сегментні шпонки характеризуються шириною b, діаметром заготовки D, висотою h (чи довжиною l) (рис. 2).

Розмір шпонок і перерізів пазів вибирають в залежності від діаметрів вала (табл. 2). Сегментні шпонки позначаються наступним чином. Наприклад, шпонка розмірами b = 6 мм, h = 10 мм:

Шпонка 6 × 10 гост 24071-80.

Як і для призматичної шпонки перевірка міцності з’єднання сегментної шпонки проводиться по напруженні змину:

, (3)

де Т – передавальний крутний момент, Н∙мм;

d – діаметр вала, мм;

l – довжина шпонки, мм;

k = h - t1 – висота шпонки, яка доторкається до маточини, мм;

[δсм] – допустиме напруження на змин, МПа (приймається, як і для призматичних шпонок – див. п. І.1).

Граничні відхилення паза b повинні відповідати:

• при нормальному з’єднанні – на валу N9, на втулці Js9;

• при щільному з’єднанні – на валу і втулці Р9.

Щільне з’єднання застосовується у випадках дії ударних навантажень і

при реверсуванні. Нормальне з’єднання – при спокійному режимі роботи без реверсування.

Граничні відхилення ширини шпонки b – по h9, висоти h – h11, діаметра D – h12.

І.3. З’єднання клиновими шпонками

З’єднання клиновою шпонкою (рис. 3) являється напруженим з’єднанням, тому може крім крутного моменту передавати і осьову силу. На відмінно від призматичних і сегментних шпонок робочими гранями у них служать широкі грані, по бічним граням осі є зазор.

Клинові шпонки викликають радіальне переміщення осі маточини по відношенню до осі вала викликаючи биття насадженої деталі. Тому область застосування клинових шпонок невелика.

Розміри клинових шпонок вибираються по табл. 3 в залежності від діаметра вала і довжини маточини насадженої деталі. Клинові шпонки позначаються наступним чином. Наприклад, клинова шпонка виконання 1 з розмірами b = 18 мм, h = 11 мм, l = 100 мм:

Шпонка 18 × 11 × 100 ГОСТ 24068-80,

те ж, виконання 2:

Шпонка 2-18 × 11 × 100 ГОСТ 24068-80.

Граничне відхилення ширини шпонки b – h9; висота шпонки h – h11; довжина шпонки l – l14.

Допуски на виготовлення шпоночного паза: ширини паза у втулці і вала – D-10; довжини паза вала, призначеного для шпонки виконання 1 – Н15.

В клиновому шпонковому з’єднанні тиск в з’єднаннях шпонки з валом і маточиною розподіляється нерівномірно. Крутний момент частково буде передаватися силами тертя в з’єднанні.

Приблизно перевірочний розрахунок клинової шпонки проводять по напруженням змину по формулі:

,

де Т – передавальний крутний момент, Н∙мм;

l1 – довжина шпонкового з’єднання, мм;

b – ширина шпонки, мм;

d – діаметр вала, мм;

ƒ – коефіцієнт тертя між маточиною і шпонкою (для сталевих маточин

ƒ≈0,15; для чавунних маточин ƒ≈0,2).

ІІ. Шліцеві з’єднання

Шліцові (зубчасті) з’єднання знайшли широке застосування в машинобудуванні (автотракторна промисловість, верстатобудування, сільськогосподарське будування тощо) завдяки ряду переваг в порівнянні зі шпонковими:

а) суттєво підвищується витривалість з’єднань, особливо при динамічних навантаженнях, внаслідок збільшення площі робочої поверхні зубів;

б) краще центрування деталей на валах і краще спрямування при осьовому переміщенні.

По формі профілю зубів розрізняють три типи з’єднань: прямобічні (рис.4), евольвентні (рис.5) і трикутні. З’єднання з трикутними зубами не стандартизовані і використовуються тільки в якості нерухомого з’єднання при передачі невеликих моментів при тонкостінних втулках. Тому ми зупинимося на розгляді перших двох типів шліцевих з’єднань.