Соединение клиновыми шпонками

Врезные клиновые шпонки характеризуются следующими положениями: а) свободной посадкой ступицы на вал (с зазором);

б) расположением шпонки в пазе с зазором по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки);

в) передачей вращающего момента Т от вала к ступице в основном за счет силы трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки.

Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторую величину D. Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших скоростях вращения.

Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцевая плоскость не будет перпендикулярна к оси вала. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного машиностроения.

Для упрощения расчета клиновых врезных шпонок принимают, что при передаче шпоночным соединением крутящего момента Т напряжения сжатия по ширине поверхности контакта рабочих граней шпонки с валом и ступицей распределяются по закону треугольника. В этом случае передаваемый крутящий момент Т складывается из момента нормальной силы F_n (рис. 21.5), момента сил трения между ступицей и шпонкой , где f – коэффициент трения между ними, и момента силы трения между ступицей и валом , где f^'' - коэффициент трения между ними.

Приближенно можно принять, что плечо силы равно радиусу вала и .

При таких допущениях

или

. (21.4)

Из принятого закона распределения напряжений смятия по ширине шпонки следует

, (21.5)

где l – длина ступицы детали.

Решая совместно уравнения (21.4) и (21.5), получаем

.

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту шпонок принимают по ГОСТу в зависимости от диаметра вала. Длину шпонки принимают в зависимости от длины ступицы и согласовывают с ГОСТом по шпонкам.

Далее делают проверочный расчет шпоночного соединения по одному из рассмотренных случаев.

Шлицевые соединения

Шлицевые (зубчатые) соединения вал – ступица представляют собой соединения, образуемые выступами (зубьями) на валу, входящими во впадины соответствующей формы в ступице. Эти соединения можно представить как многошпоночные, у которых шпонки выполняются за одно целое с валом.

Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными имеют следующие преимущества:

1. Большую несущую способность при одинаковых габаритах из-за значительно большей рабочей поверхности и равномерного распределения давления по высоте зубьев;

2. Большую усталостную прочность вала со шпоночными канавками;

3. Детали на шлицевых валах лучше центруются и имеют лучшее направление при передвижении вдоль вала.

Соединения обеспечивают жесткое фиксирование деталей в окружном направлении и допускают осевые перемещения (подвижных соединений).

По форме профиля зубьев различают три типа соединений:

1) прямобочные;

2) эвольвентные;

3) треугольные.

1.
Соединение с прямобочными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням (рис. 21.6, а) зубьев, по наружному (рис. 21.6, б) или внутреннему (рис. 21.6, в) диаметру вала.

Стандартом предусмотрены три серии соединений (легкая, средняя и тяжелая), которые отличаются высотой и количеством зубьев. Число зубьев изменяется в пределах от 6 до 20. У соединений тяжелой серии зубья выше, а их количество больше, чем у соединений средней и легкой серий. При выборе способа центрирования руководствуются следующим. Центрирование по диаметрам D или d обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы по сравнению с центрированием по боковым граням. Центрирование по боговым граням обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям. Поэтому его применяют при тяжелых условиях работы. Диаметр центрирования (наружный или внутренний) выбирают из технологичных условий. Если твердость материала втулки позволяет обработку протяжкой (НВ<350), рекомендуют центрирование по наружному диаметру. При этом центрирующие поверхности втулки калибруют протяжкой, а центрирующие поверхности вала – шлифованием.

При высокой твердости втулки рекомендуют центрирование по внутреннему диаметру. В этом случае центрирующие поверхности отверстия и вала можно обрабатывать шлифованием.

Условное обозначение соединения с прямобочными зубьями в соответствии с ГОСТ 1139-80 должно содержать: букву, обозначающую поверхность центрирования, число зубьев z и номинальные размеры d, D, b соединения; обозначения посадок диаметра и размера b, помещенные после соответствующих размеров. Например, при z=8, d=42, D=48, b=8 обозначение соединения с прямобочными зубьями с центрированием по наружному, с посадкой по диаметру центрирования и по размеру b - имеет вид .

Рекомендуемые посадки для размера b:

- для неподвижных соединений при центрировании по D;

- для подвижных соединений при центрировании по d.

2. Соединения с эвольвентными шлицами выполняют с центрированием по боковым граням (рис. 21.7,а) или по наружному диаметру вала (рис. 21.7,б). Наиболее распространен первый способ центрирования.

Эвольвентные зубья применяют при диаметрах от 4 до 500 мм при z=6¸82.в соответствии со стандартом ГОСТ 6033-80 угол исходного контура a=30°, за номинальный диаметр соединения применяют его наружный диаметр

где m – модуль соединения;

х – коэффициент смещения.

Обозначение соединения с эвольвентным профилем должно содержать: номинальный диаметр D, модуль m, обозначение посадки соединения, помещаемое после размеров центрирующих элементов, номер стандарта ГОСТ 6033-80. Например, обозначение соединения при D=50, m=2 с центрированием по боковым поверхностям зубьев имеет вид ГОСТ 6033-80.

Рекомендуемые посадки:

- для неподвижных соединений;

- для подвижных соединений.

3. Соединения с треугольными зубьями не стандартизированы, их применяют главным образом как неподвижные при тонкостенных втулках. Это соединение имеет большое число мелких зубьев, что позволяет регулировать положение ступицы на валу в окружном направлении.

По рекомендации СЭВ угол профиля b=60° (рис. 21.8) при номинальных диаметрах до 60 мм.

Кроме таких соединений в машиностроении изготавливают соединения с другими углами профиля 72°, 90° и др. и D=5¸75 мм.

В быстроходных передачах авиационных изделий точность центрирования шлицевых соединений часто недостаточна.

Для ее повышения центрирование осуществляют по вспомогательным поверхностям: коническим и цилиндрическим (рис. 21.9).

Расчет шлицевых соединений

Размеры зубьев, аналогично шпонкам, выбирают по таблицам стандартов в зависимости от диаметра вала. Боковые поверхности зубьев испытывают напряжения смятия, а в сечениях у их основания возникают напряжения среза и изгиба (рис. 21.10). Для зубьев стандартного профиля решающее значение имеют напряжения смятия, которые определяют по формуле

где k=0,7¸0,8 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения усилий между зубьями;

z – число зубьев;

h – высота поверхности контакта зубьев;

- для прямобочных зубьев;

h»m – для эвольвентных зубьев;

l – рабочая длина зубьев;

r_ср – средний радиус поверхности контакта;

- для прямобочных зубьев;

- для эвольвентных зубьев;

m – модуль соединения.

Расчет зубьев на износ

Износ боковых (рабочих) поверхностей зубьев является распространенной причиной выхода из строя шлицов, передающих крутящий момент. Изнашивание зубьев обусловлено неизбежными взаимными циклическими (от вращения) смещениями деталей соединения при действии реальной нагрузки в результате несовпадения или наклона осей, а также вследствие начального (монтажного) перекоса.

Условный расчет на износостойкость соединений с эвольвентными зубьями выполняют по форме определения допустимого угла перекоса.

Если принять, что ось шлицевого вала имеет перекос на угол Dj по отношению к оси шлицевой втулки, то наибольшее взаимное смещение точек зубьев за один оборот составит

где l и d_m – соответственно длина и средний диаметр соединения, мм;

Dj - угол перекоса в радианах.

Скорость относительного скольжения (мм/с)

,

удельная мощность трения

,

где n – частота вращения вала (мин^-1);

f – коэффициент трения;

s_см – среднее контактное напряжение в соединении при k=1;

,

где [P₁] – допускаемая мощность трения, Н мм/(мм²с);

[P₁]=0,3HRC – при граничной смазке;

[P₁]= 0,5HRC – при полужидкой смазке.

Для валов диаметром 10¸50 мм [Dj]=10'.

Для соединений допускающих относительное проскальзывание [Dj]=40'.

Эффективными средствами повышения износостойкости являются:

1) уменьшение углов перекоса;

2) увеличение твердости контактирующих поверхностей путем азотирования, цементации, обдувки дробью;

3) уменьшение зазоров в шлицевом соединении, применение более плотных посадок, центрирование по вспомогательным поверхностям и затяжка соединений;

4) применение бочкообразных зубьев;

5) подача смазки в зону контакта;

6) снижение коэффициента трения путем покрытий (серебром, медью, кадмием, молибденом).

Лекция №22

Сварные соединения

Сварка – это технологический процесс соединения деталей, основанный на использовании сил молекулярного взаимодействия, которые проявляются в результате местного нагрева стыка до расплавления или до пластического состояния с последующим взаимным деформированием.

Затвердевающий после сварки металл, соединяющий сварные детали, называется сварным швом.

Высокая производительность сварочного процесса, часто легко поддающаяся автоматизации, и хорошее качество соединений обеспечили широкое распространение сварки в технике. Во многих случаях прочность сварного шва не лимитирует несущую способность деталей и разрушение её наступает вне соединения. Применение сварки вместо литья и клейки значительно снижает трудоемкость процесса изготовления детали, значительно экономит материал.

К недостаткам сварных конструкций относят:

1) появление остаточных напряжений в свариваемых элементах;

2) коробление;

3) плохое восприятие переменных и вибронагрузок;

4) сложность контроля качества сварки.

Виды сварки

Ручная дуговая сварка плавящимся электродом. Нагрев производится электрической дугой между изделием и электродом. Электрод, расплавляясь, служит присадочным материалом для образования сварного шва.

Автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом под флюсом. При сварке шов формируется в значительной степени за счет расплавленного основного металла, что значительно сокращает расход электродного материала.

Электрошлаковая сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева металла используется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Применяется для сварки крупногабаритных деталей.

Контактная сварка - основана на использовании повышенного оммического сопротивления в стыках деталей и осуществляется несколькими способами:

1. Стыковая контактная сварка основана на нагреве стыкуемых торцов деталей теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока силой в несколько тысяч ампер. Нагрев торцов деталей производится либо до оплавления их (сварка плавлением), либо до пластического состояния с последующим сдавливанием деталей (сварка давлением).

2. Шовная контактная сварка, при которой соединение элементов выполняется внахлестку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывного шва. Применяется для получения герметичных швов в тонколистовых конструкциях.

3. Точечная контактная сварка, при которой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов. Применяется в тонколистовых конструкциях, в которых не требуется герметичность швов.