Соединения деталей
Детали, составляющие машину, связаны между собой тем или иным способом. Эти связи можно разделить на подвижные (подшипники, зацепления) и неподвижные (сварные, болтовые, прессовые). Наличие подвижных связей в машине обусловлено её кинематической схемой. Неподвижные связи обусловлены целесообразностью расчленения машины на узлы и детали для того, чтобы упростить производство и облегчить сборку.
Неподвижные связи в технике называют соединениями.
По признаку разъёмности все соединения делят на раъёмные и неразъёмные.
Разъёмные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.
Неразъёмные соединения не позволяют разъединить детали без их повреждения. Применение неразъёмных соединений обусловлено в основном технологическими и экономическими требованиями. К этой группе относятся заклёпочные, сварные и соединения с натягом.
Соединения являются важными элементами конструкций. Многие аварии и неполадки в работе машин обусловлены неудовлетворительным качеством соединений.
Основным критерием работоспособности и расчёта соединений является прочность.
Необходимо стремиться к тому, чтобы соединение было равнопрочным с соединяемыми элементами. Желательно, чтоб соединение не искажало форму изделия, не вносило дополнительных элементов в его конструкцию.
Шпоночные соединения
Шпоночные соединения служат для закрепления деталей на валах и осях и передачи крутящего момента. Такими деталями являются зубчатые колёса, шкивы, звёздочки. Соединение нагружается в основном крутящим моментом Т.
Все основные виды шпонок делятся на клиновые и призматические. Клиновые шпонки сейчас применяют редко и только в единичном производстве.
В массовом и серийном производстве применяют призматические шпонки.
Соединение призматическими шпонками ненапряжённое. Оно требует изготовления вала и отверстия с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передаётся с вала на ступицу боковыми гранями шпонки. При этом на них возникает напряжение смятия см, а в продольном сечении шпонки напряжение среза .
Для упрощения расчёта допускают, что шпонка врезана в вал наполовину своей высоты, напряжения смятия распределяются равномерно по высоте и длине шпонки, а плечо равнодействующей этих напряжений равно d/2.
Рассматривая равновесие вала или ступицы при этих допущениях, получаем условия прочности в виде:
,
.
У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают напряжения смятия, а не напряжения среза. Поэтому при расчётах стандартные шпонки проверяют только на смятие.
Стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков углеродистой или легированной стали с пределом прочности не ниже 500 МПа. Значение допустимых напряжений зависит от режима работы, материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал.
Для ненапряжённых соединений см=80…150 МПа.
Все размеры шпонок и допуски на них стандартизованы. Стандарт предусматривает для каждого размера вала определённые размеры поперечного сечения шпонки. Поэтому при проектных расчётах размеры b и h берут по справочнику и определяют lp из расчёта шпонки на смятие. Расчётную длину шпонки округляют до стандартного размера, согласуясь с размерами ступицы.
В тех случаях, когда одна шпонка не может передавать заданного момента, устанавливают две или три шпонки. При этом следует учитывать, что подстановка нескольких шпонок связана с технологическими трудностями, а так же ослабевает вал и ступицу. Поэтому многошпоночные соединения почти не применяют. Их заменяют зубчатыми.