5.3. Разъемные соединения

5.3.1. Назначение и классификация

К разъемным соединениям относятся резьбовые и соединения "вал-втулка".

Соединения типа «вал-втулка» служат для крепления ступицы или втулки детали (зубчатого колеса, шкива, маховика, муфты, звездочки, кулачка и др.) на валу и передачи вращающего момента от вала к ступице или наоборот.

Эти соединения являются разъемными, осуществляют фиксацию деталей в окружном направлении и допускают осевое взаимное смещение деталей в процессе работы.

Рис. 5.9

Соединения «вал-втулка» могут быть фрикционными и с зацеплением. К фрикционным соединениям относят дисковые, соединения с натягом (прессовые), конические, клеммовые и др., у которых фиксирование взаимного положения деталей и передачи нагрузки (вращающего момента) между ними происходит за счет сил сцепления (трения). При соединении деталей с помощью клемм (рис. 5.9) используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов. К соединениям зацеплением относят шпоночные, шлицевые (зубчатые), штифтовые, профильные и др., у которых передача нагрузки осуществляется за счет силового замыкания деталей через шпонки, зубья, штифты и другие подобные детали. Все виды указанных соединений находят широкое применение в любых машинах, в том числе артиллерийской и транспортной технике.

5.3.2. Шпоночные соединения: основные типы, конструкция и расчет

Шпоночными называют соединения зацеплением с помощью шпонок (рис. 5.10). Шпонка – деталь, устанавливаемая в совмещенных пазах вала и ступицы (втулки). Типы и размеры шпонок стандартизованы. Соединения могут быть напряженные и ненапряженные. Напряженные соединения осуществляются клиновыми шпонками с головкой или без нее (рис. 5.10, г). Ненапряженные соединения осуществляют призматическими шпонками (рис. 5.10, а) с плоскими или со скругленными торцами. Они имеют небольшую глубину врезания в вал, легко монтируются и демонтируются. У этих шпонок боковые грани являются рабочими; между верхней гранью шпонки и дном паза ступицы имеется зазор.

Сегментные шпонки (рис. 5.10, б) имеют глубокую посадку и не перекашиваются под нагрузкой. Однако глубокий паз существенно ослабляет вал. Поэтому сегментные шпонки применяют для передачи небольших вращающих моментов.

Цилиндрические шпонки (рис. 5.10, в) используют, как правило, для крепления деталей на конце вала. Стандартные шпонки изготовляют из стальных прутков, углеродистых или легированных сталей (Ст5, Ст6, 45, 50. 35Х, 40Х и др.) с пределом прочности σ_в ≥ 500 МПа.

Достоинствами шпоночных соединений являются простота конструкции, невысокая стоимость изготовления, удобство сборки и разборки. Это обуславливает их широкое применение.

Отрицательные свойства: соединение ослабляет вал и ступицу шпоночными пазами; концентрация напряжений в зоне шпоночной канавки; прочность соединения ниже прочности вала и ступицы. Не рекомендуется применение шпоночных соединений для быстровращающихся динамически нагруженных валов.

Рис. 5.10

Шпонки подбирают по таблицам ГОСТа в зависимости от диаметра вала. Основными параметрами шпонок и соединений (рис. 5.10, а) являются: в – ширина шпонки; h – высота шпонки; ℓ - длина; ℓ_р – расчетная (рабочая) длина; d – диаметр вала; t₁ – глубина паза на валу; t₂ – глубина паза в ступице.

При передаче вращающего Т момента шпоночные соединения выходят из строя из-за смятия рабочих граней и среза шпонок.

Проверочный расчет шпонок на смятие производится по нормальным напряжениям σ_см, а на срез – по касательным напряжениям τ_с по формулам:

σ_см = F_t/A_cм = 2Т/[dℓ_p(h-t₁)] ≤ [ σ_см ]; (5.23)

τ_с = F_t/A_c = 2T/(dвℓ_р) ≤ [τ_с], (5.24)

где F_t = 2T/d – окружная сила; А_см, А_с – площадь поверхности смятия и среза. При проектировочном расчете, зная допускаемые напряжения, по формулам (5.23), (5.24) определяется рабочая длина ℓ_p шпонки и выбирается наибольшая. Нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия.

Если условие прочности (5.23) не выполняется, то соединение образуют с помощью двух или трех шпонок, установленных на валу под углом 120 или 180⁰ относительно друг друга.

Рекомендуемые допускаемые напряжения:

при стальной ступице [ σ_см ] = 100…150 МПа;

при чугунной ступице [ σ_см ] = 60…80 МПа;

на срез [τ_с] = 60…90 МПа.

При реверсивной нагрузке значения допускаемых напряжений уменьшают в 1,5 раза, а при ударной нагрузке – в 2 раза.