05 семестр / Книги и методические указания / Петров Соединения вал-ступица

31

В машиностроении используются две разновидности профильных соединений: первая – для плотных посадок типа Н7/k6, Н7/n6 – с контуром поперечного сечения в виде кривой, состоящей из трех (n=3) одинаковых циклически повторяющихся участков и вторая – для подвижных посадок типа Н7/g6, Н7/h6 – с контуром поперечного сечения, у которого n=4.

Развитие технологии производства профильных соединений привело к разработке т.н. равноосных соединений, у которых расстояние D между двумя параллельными касательными к контуру по общей нормали в точках касания одинаково. Такой контур обрабатывается проще и с большей точностью (особенно это важно для деталей высокой твердости). Для равноосных соединений используется обычный мерительный инструмент, применяемый для круглых валов и отверстий.

Критериями работоспособности профильных соединений являются: прочность при растяжении втулки, ее радиальная деформация и прочность на смятие рабочих поверхностей.

Прочность на растяжение втулки равноосного соединения определяется условием

Радиальная деформация втулки

В этих зависимостях Т – в Нм; l – длина втулки в мм; D – в мм – показан на эскизе; Е=2,1 105 МПа – модуль упругости; К=f(a/D) – коэффициент (табл. 11); β1,2=f(Dнар/D) – коэффициент (таблица 12), где Dнар – наружный диаметр втулки.

32

Максимальная радиальная деформация втулки должна находиться внутри поля допуска соответствующей посадки соединения.

Призматические и соединения с круглым валом и лыской рассчитываются только на смятие.

Призматические соединения

σсм = 3 b10l3 Т ≤[σ]см , МПа

Соединения с круглым валом и лыской

В этих формулах Т – в Нм; l – длина втулки в мм; b и t – размеры в мм; f=0,12…0,18 – коэффициент трения.

Конструктивно принимают b=t=0,8d.

Круглый профиль с лыской обеспечивает лучшее центрирование и технологичнее призматического соединения, однако уступает последнему по нагрузочной способности.

Допускаемые напряжения для профильных соединений устанавливаются анало-

гично шлицевым. Для термообработанных поверхностей рекомендуется [σ]см =100…140

МПа.

33

4. ШТИФТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Штифтовые соединения применяют при передаче небольших нагрузок – осевой силы или вращающего момента. Используют их для точного взаимного фиксирования деталей, а также как предохранительные элементы.

Штифты отличаются большим разнообразием типов: конические (рис. 1а), цилиндрические (рис. 1б), насеченные (рис. 1 в, г, д, е, ж) и пружинные (рис. 1з).

Отверстия под штифты в обеих соединяемых деталях обрабатываются в сборе: после сверления выполняют развертку, чтобы обеспечить соосность.

Штифты удерживаются в отверстиях силами трения. Это достигается в соединениях с цилиндрическими штифтами установкой с натягом, с насеченными штифтами вследствие местной упругости выступающих элементов на боковой поверхности штифтов, с коническими – осевым перемещением штифта. Конусность конических штифтов 1/50, что обеспечивает надежное самоторможение и центрирование деталей. Иногда концы штифтов расклепывают.

Для возможности разборки без выколачивания штифтов в соединениях на плоскости дополнительно развертываются отверстия в одной детали или нарезают на головке штифта резьбовое отверстие.

Пружинные штифты вальцуют из ленты и закаливают. Ввиду податливости их можно устанавливать в отверстия с большими допусками, обеспечивая надежное сцепление даже при ударной нагрузке и сохранение силы сцепления после многократной сборки и разборки.

Насеченные штифты не требуют развертывания отверстий; штифты надежно удерживаются в них без дополнительных средств закрепления. При забивании штифтов в отверстия выдавленный ранее при насечке из канавок материал упруго деформируется в обратном направлении. Таким образом, создаются повышенные местные давления, что повышает прочность сцепления.

По конструктивной реализации различают осевые штифты (круглые шпонки) и радиальные штифты.

Осевые штифты применяют для передачи вращающего момента в неразборных соединениях.

Вследствие благоприятной формы выемок в вале и ступице концентрация напряжений относительно невелика. Многоштифтовые соединения этого типа по прочности приближаются к шлицевым, а при посадке с натягом по центрирующим поверхностям могут превосходить их.

35

Рис. 1 Основные типы штифтов

36

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ СОЕДИНЕНИЙ

Для одного и того же вала призматические шпонки целесообразно унифицировать по сечению, а по возможности и по их длине, ориентируясь при этом на меньший из диаметров вала. Придерживаться стандартных соотношений между диаметром вала и сечением призматической шпонки необязательно. При небольших вращающих моментах целесообразно брать шпонку меньшего сечения, чем это соответствует данному диаметру вала по стандарту.

Соединение данной ступицы с валом двумя или более призматическими шпонками недопустимо, так как в передаче нагрузки принимает участие только одна из шпонок. По этой же причине соединение деталей с двумя ступицами (типа барабана) следует выполнять одношпоночным. Если по результатам расчетов одна шпонка не удовлетворяет нагрузочной способности соединения, следует применить шлицевое или посадку с натягом.

Перепад диаметров ступеней ступенчатого вала с призматическими шпонками следует выбирать из условия свободного прохода насаживаемой детали (например, подшипника качения), без демонтажа шпонок из пазов вала. С целью уменьшения концентрации напряжений шпоночный паз не должен доходить до буртика ступенчатого вала на 3…5 мм. На консолях валов шпоночный паз целесообразно прорезать на выход в торец вала.

Для обеспечения сборки шпоночного соединения, например, зубчатого колеса с валом рекомендуется предусматривать направляющий цилиндрический участок вала с допуском по d11.

Следует избегать применения шпоночных соединений на тонкостенных полых валах. Клиновые шпонки с головками применяют, как правило, на консолях валов.

Легкую серию прямобочных шлицевых соединений целесообразно применять для неподвижных слабонагруженных соединений, среднюю серию – для подвижных и неподвижных соединений при средней спокойной нагрузке, тяжелую серию – для напряженных условий работы.

Для подвижных шлицевых соединений следует, из соображений устойчивости положения детали на валу, длину ступицы принимать не менее диаметра вала. Увеличивать длину шлицевого соединения более удвоенного диаметра вала не имеет смысла вследствие резкого уменьшения фактической площади контакта по длине зубьев.

37

В блок-шестернях коробок передач, имеющих ступицу большой длины; целесообразно предусмотреть выборку в средней части шлицевого отверстия ступицы для выхода стружки при протягивании.

При конструировании шлицевого вала и ступицы необходимо предусмотреть свободный выход режущего инструмента и шлифовального круга. На угловых кромках шлицев вместо обычных фасок целесообразнее выполнять скосы под углом 15 ° … 30 °, перекрывающие полностью высоту зубьев.

Соединения призматические и на лысках применяют, как правило, на консолях валов и затягивают гайкой на резьбовом хвостике.

38

Приложение 1

Механические характеристики материалов, применяемых для деталей шлицевых соединений

40

Оформление рабочих чертежей вала и отверстия треугольного профиля

Список литературы

1. Орлов П.И. «Основы конструирования» т. 2. - М.: Машиностроение, 1988 г. 2. Решетов Д.Н. «Детали машин». - М.: Машиностроение, 1989 г.

3. Ревков Г.А., Петров М.С. «Основные принципы конструирования деталей машин» - М.: МАМИ, 1990 г.

Михаил Сергеевич Петров.

Конструирование и расчет соединений вал-ступица, работающих зацеплением. Ме-

_______________________________________________________________________________

МАМИ 107023, Москва, Б. Семеновская, 38.