Соединения с сегментными шпонками

Сегментную шпонку получают отрезая от круглого прутка диа­метром D диск толщиной b, который затем разрезают на два равных сегмента. При этом высота шпонки h ≈ 0,4D длина l ≈ D (рис. 49, а).

Паз на валу выпол­няют дисковой фрезой, в ступице — протяжкой или долбяком (рис. 49, б). Такой способ изготовле­ния обеспечивает легкость установки и удаления шпон­ки, взаимозаменяемость сопряжения. Ручная подгонка обычно не требуется. Шпонка в пазу вала самоустанавливается, не требует до­полнительного крепления к валу.

Сегментные шпонки широко применяют в массовом и крупно­серийном производстве. Вследствие указанных достоинств область их применения расширяется и на серийное и мелкосерийное произ­водство.

Рис.49.

Недостатком соединения является ослабление сечения вала глу­боким пазом, снижающим сопротивление усталости вала. Поэтому сегментные шпонки применяют при передаче относительно небольших вращающих мо­ментов и при установке деталей на малонагруженных участках вала (напри­мер, на концах валов).

Шпонки проверяют на прочность по напряжениям смятия σ_см и среза τ_ср по формулам, приведенным для призматиче­ских шпонок. При этом l_р ≈ l.

Материалы шпонок и выбор допускаемых напряжений

Материалом шпонок служат среднеуглеродистые стали с вре­менным сопротивлением σ_в ≥ 600 МПа (например, стали марок Ст6, 45, 50). Значения допускаемых напряжений выбирают в зависимости от характера нагрузки, условий работы соединения (табл.9.1).

Табл. 9.1

Выбор допускаемых напряжений [σ]_см для шпоночных соединений (вал стальной)

Тип соединения, материал ступицы	МПа
Неподвижное, стальная ступица	130… 200
Неподвижное, ступица из чугуна или сталь­ного литья	80...110
Подвижное без нагрузки, стальная ступица	20... 40

Большие значения принимают при постоянной нагрузке, мень­шие - при переменной и работе с ударами.

При реверсивной нагрузке [σ]_см снижают в 1,5 раза. Допускаемое напряжение на срез шпонок [τ]_ср = 70 ... 100 МПа. Большее значение принимают при постоянной нагрузке.

Шлицевые соединения

Шлицевое соединение образуют выступы (зубья) на валу (рис. 50), входящие в соответствую­щие впадины (шлицы) в ступице. Рабо­чими поверхностями являются боковые стороны выступов. Выступы на валу выполняют фрезерованием, строганием или накатыванием в холодном состо­янии профильными роликами по методу продольной накатки. Впадины в отверстии ступицы изготовляют про­тягиванием или долблением.

Рис. 50.

Шлицевое соединение представляет собой фактически многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом.

Назначение шлицевых соединений - передача вращающего момента между валом и ступицей.

Шлицевые соединения стандартизованы и широко распростра­нены в машиностроении.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоноч­ными:

1. Способность точно центрировать соединяемые детали или точно выдерживать направление при их относительном осевом пе­ремещении.

2. Меньшее число деталей соединения (шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное - три).

3. Большая несущая способность вследствие большей суммар­ной площади контакта.

4. Взаимозаменяемость (нет необходимости в ручной пригонке).

5. Большее сопротивление усталости вследствие меньшей глу­бины впадины и меньшей поэтому концентрации напряжений, осо­бенно для эвольвентных шлицев.

Недостатки - более сложная технология изготовления, а сле­довательно, более высокая стоимость. Шлицевые соединения различают:

- по характеру соединения - неподвижные для закрепления де­тали на валу; подвижные, допускающие перемещение вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач; шпинделя сверлильно­го станка);

- по форме выступов - прямобочные, эвольвентные, треугольные.

Центрирование (обеспечение совпадения геометрических осей) соединяемых деталей выполняют по наружному D, внутреннему d диаметрам или боковым поверхностям b выступов. Выбор способа центрирования зависит от требований к точности центрирования, от твердости ступицы и вала. Первые два способа обеспечивают наи­более точное центрирование.

Соединения с треугольным профилем (рис. 51) изготовляют по отраслевым нормалям. Применяют в неподвижных соединениях. Имеют большое число мелких выступов-зубьев (z = 15 ... 70; m = 0,5 ... 1,5). Угол β профиля зуба ступицы составляет 30, 36 или 45°. Применяют центрирование только по боковым поверхно­стям, точность центрирования невысокая.

Рис. 51.

Выступы выполняют как на цилиндрических, так и на кониче­ских поверхностях. Параметры соединения записывают через мо­дуль m:

d_m = mz; h ≈ 1,3m.

Применяют для передачи не­больших вращающих моментов тонкостенными ступицами, пусто­телыми валами, а также в соеди­нениях торсионных валов, сталь­ных валов со ступицами из легких сплавов, в приводах управления (например, привод стеклоочистителя автомобиля).

Соединения с треугольным профилем применяют также при необходимости малых относительных регулировочных поворотов де­талей. Если для деталей, требующих относительной угловой регули­ровки, применить два соединения с числами зубьев z и (z + 1), то детали можно повернуть одну относительно другой на минималь­ный угол, равный 1/[z(z + 1)] рад. Например, если число зубьев ζ = 70, то минимальный угол поворота равен 1/4970 рад (0,0115° или 0,69').

Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σ_в > 500 МПа.

Расчёт шлицевых соединений

Основным критерием работоспособности шлицевых соедине­ний является сопротивление рабочих поверхностей смятию и изна­шиванию. Изнашивание боковых поверхностей зубьев обусловлено микроперемещениями деталей соединения вследствие упругих деформаций при действии изгибающего и вращающего моментов или несовпадения осей вращения (из-за наличия зазоров, погрешностей изготовления и монтажа).

Параметры соединения выбирают по таблицам стандарта в за­висимости от диаметра вала, а затем выполняют расчет по критери­ям работоспособности.

Смятие и изнашивание рабочих поверхностей связаны с дейст­вующими на контактирующих поверхностях напряжениями смятия σ_см.

Упрощенный (приближенный) расчет основан на ограничении напряжений смятия σ_см допускаемыми значениями [σ]_см, назначае­мыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций:

где Τ — расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменном режиме нагружения), Нм;

К_з — коэффициент неравномерности распределения нагрузки между выступами (зависит от точности изготовления: погрешностей угловых шагов выступов и сопряженных впадин, величины ра­диального зазора); К_з = 1,1 ... 1,5;

d_m - средний диаметр соединения, мм;

z — число выступов;

h — рабочая высота выступа, мм;

l_р - рабочая длина соединения, мм;

[σ]_см - допускаемое напряжение смятия, МПа.

В табл. 9.2 приведены значения [σ]_см для изделий общего ма­шиностроения и подъемно-транспортных устройств, рассчитанных на длительный срок службы. Большие значения принимают для лег­ких режимов нагружения.

Если расчетное напряжение [σ]_см превышает допускаемое, то увеличивают длину ступицы, изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения и повторяют проверочный расчет.

Табл.9.2.

Допускаемые напряжения смятия [σ]_см для расчета шлицевых соединений при средних условиях эксплуатации

Тип соединения	[σ]см, МПа
	< 350 НВ	> 40 HRC
Неподвижное	60...100	100...140
Подвижное без нагрузки (блок шестерен коробки передач)	20...30	30...60
Подвижное под нагрузкой (соеди­нение карданного вала)	—	5...15

При проектировочном расчете шлицевых соединений после вы­бора по стандарту размеров сечения определяют длину выступов l_Р. Если получают l_p > 1,5d, то изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения. Длину ступицы принимают l_ст = l_p + 4 ... 6 мм и более в зависимости от конструкции соединения.

Уточненные расчеты на смятие и износ разработаны для прямобочных шлицевых соединений и учитывают характер нагруже­ния, конструктивные особенности соединения, приработку рабочих поверхностей, требуемый ресурс и т.д.