Клиновые соединения

Клиновым называется разъемное соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей форму клина. Клиновые соединения подразделяют на установочные (рис. 27, а), предназначенные для регулирования и установки нужного взаимного положения деталей, и силовые (рис. 27, б, в), предназначенные для прочного скрепления деталей. Клиновые соединения применяют, например, для регулирования положения подшипников валков прокатных станов, для соединения штока с ползуном в паровых машинах или насосах, соединения протяжек с патроном протяжного станка; рассмотренные ранее соединения клиновыми и тангенциальными шпонками также можно отнести к числу клиновых соединений.

Достоинства клиновых соединений: простота и надежность конструкции, возможность создания и восприятия больших усилий, быстрота сборки и разборки соединения.

Недостатки: значительное ослабление сечений соединяемых деталей пазами под клинья, нетехнологичность этих пазов и концентрация напряжений, что существенно сократило область применения клиновых соединений в современных конструкциях.

С иловые клиновые соединения бывают ненапряженные, в которых нет напряжений до приложения внешней силы F (рис. 27, б), и напряженные, в которых осуществляется предварительный натяг силой Q (рис. 27, в, где натяг осуществляется с помощью буртика на стержне). Ненапряженные соединения применяют при постоянных односторонних нагрузках, напряженные — при знакопеременных нагрузках. Для обеспечения самоторможения соединения необходимо, чтобы угол скоса клина был меньше удвоенного угла трения, т. е. α < 2< φ.

Рис. 27. Клиновые соединения.

Критерием работоспособности клинового соединения является прочность. В клиновых соединениях рассчитывают стержень по ослабленному сечению и хвостовую часть стержня на срез, поверхность контакта клина со стержнем и втулкой на смятие и клин на изгиб; расчетная схема клина на изгиб показана на рис. 27, б.

Напряженное клиновое соединение рассчитывают так же, как ненапряженное, но по расчетной нагрузке F_p = 1,25F.

Клеммовые соединения

Клеммовые соединения применяют для закрепления деталей типа кривошипов, рычагов и т. п. на валах, осях и других круглых стержнях.

По конструкции различают два типа клеммовых соединений: со ступицей; имеющей прорезь (рис 28, а), и с разъемной ступицей (рис. 28, б). Разъемная ступица несколько увеличивает массу и стоимость соединения, но при этом становится возможным устанавливать клемму на любую часть вала независимо от формы и размеров соседних участков вала, а также без смятия других деталей, уже установленных на вал. После затяжки винтов 1 (рис. 28, а) и 2 (рис. 28, б) ступица 4 оказывается прижатой к валу 3, в соединении возникает давление р на поверхности контакта ступицы с валом и силы трения, которые позволяют нагружать клеммовые соединения как вращающими моментами, так и осевыми силами (а также поперечными силами и изгибающими моментами).

Достоинства клеммовых соединений: простота монтажа и демонтажа; возможность перестановки и регулировки взаимного положения деталей (вала и клеммы) как в осевом, так и окружном направлениях.

Недостатки: малая несущая способность; нестабильность коэффициента трения и рассеяние нагрузочной способности.

Р ис. 28. Клеммовые соединения: a — с прорезью; б — с разъемной ступицей.

При расчетах клеммовых соединений обычно определяют силу затяжки винтов, обеспечивающую необходимую силу прижатия клеммы к валу и передачу соединением заданной нагрузки, а затем определяют размер винтов в соответствии с методами расчета резьбовых соединений.

В приближенных расчетах как наиболее вероятный рассматривают следующий расчетный случай. Принимают, что детали клеммы 1 и 2 (рис. 29), обладают малой изгибной жесткостью и при затяжке винтов клемма прижимается к валу всей внутренней поверхностью отверстия в клемме. Возникшее после затяжки винтов давление р считается равномерно распределенным по поверхности контакта полуступиц 1 и 2 клеммы с валом (осью) 3. Равнодействующая давления на каждую полуступицу в таких предпосылках равна

F _N = 2  pdl,

где l — длина клеммы в осевом направлении; здесь пренебрегают отсутствием давления в месте разъема клеммы ввиду малости участка (на рис. 29 этот участок ограничен дугами окружностей с углом 2α₁,).

Суммарная нормальная к поверхности контакта вала с клеммой рила, которая определяет величину силы трения для каждой полуступицы клеммы, равна

F_N.  (π/2) pdl  (π/2) F_N.

Условие прочности сцепления клеммы с валом при действии вращающего момента Т выражают в виде

2F_N.fd / 2 ≥ T или pfl d ² / 2 ≥ T ,

а при действии, осевой силы

2 F_N.f ≥ Fa или π pfl d ≥ Fa.

Рис. 29. Расчетная схема клеммового соединения.

Из равновесия сил, действующих на одну из полуступиц, следует 2zF_зат = F_N; после подстановок сокращений получают необходимую силу затяжки F_зат одного клеммового винта при действии на соединение вращающего момента Т:

F_зат ≥ Т / (πf d l z),

а при действии осевой силы F_а

F_зат ≥ F_а / (2πfz),

где z — половина общего числа винтов, стягивающих полуступицы клеммы; f — коэффициент трения; d — диаметр вала соединения; l — длина клеммы в направлении оси соединения.

При расчете клеммовых винтов нужно учитывать, что они дополнительно нагружаются от вращающего момента Т, который действует на клеммовое соединение. Одна полуступица клеммы передает только половину полного вращающего момента, и винты одной стороны полуступицы клеммы дополнительно растягиваются действием половины момента, приходящегося на одну полуступицу, т. е. одной четвертью полного вращающего момента Т, которым нагружено соединение. Величину этой дополнительной растягивающей нагрузки на один клеммовый винт можно подсчитать по формуле

F = T / (4lz)

где l — расстояние между винтами (см. рис. 29).

При одновременном нагружении соединения вращающим моментом T и осевой силой F_a определение силы затяжки клеммового винта соединения приближенно можно проводить по равнодействующей сдвигающей силе

F_ =

подставляя в формулу F_зат значение F_ вместо F_a.

При расчете клеммовых соединений с прорезью (см. рис. 28, а) пренебрегают тем, что для выборки зазоров винты приходится затягивать сильнее, чем в клеммовых соединениях с прорезью. Иногда это учитывают, увеличивая 1,1-1,2 раза необходимую силу затяжки винтов. Распределение давления на поверхности контакта клеммы с валом так же, как и в случае клеммы с прорезью, принимают равномерным, тогда формулы для соединений с разъемной ступицей полностью применимы и для соединений с прорезью; только в этом случае под z понимают полное число винтов, стягивающих клеммовое соединение.