Тема 3.12: Шпонкові і шліцьові з’єднання.

План

1. Шпонкові з’єднання. Розрахунок з’єднань призматичними шпонками.

2. Зубчасті (шліцьові) з’єднання, застосування та перевірний розрахунок.

1. Шпонкові з’єднання. Розрахунок з’єднань призматичними шпонками.

Шпонкові з’єднання – це з’єднання, що утворені за допомогою шпонок. Шпонкою називають деталь, яку вставляють у пази вала і маточини з метою утворення з’єднання, здатного передавати крутний момент від вала до маточини або навпаки. Це з’єднання типу вал-маточина.

На основі розроблених нових конструкцій шпонок, на рівні винаходів, нами запропонована нова класифікація шпонкових з’єднань, яка відрізняється від наведеної у підручниках з деталей машин. Її суть наступна:

- шпонкові з’єднання жорсткими стандартними шпонками (рис. 12. 1) –

клиновими,

призматичними,

сегментними.

Рис. 12. 1. Схеми жорстких стандартних шпонок

- шпонкові з’єднання жорсткими спеціальними шпонками (рис. 12. 2), з різними поперечними перерізами

Рис. 12. 2. Схеми перерізів жорстких спеціальних шпонок

- шпонкові з’єднання напівжорсткими або напівпружними   шпонками (рис. 12. 3)

Рис. 12. 3. Схеми напівжорстких або напівпружних шпонок

- шпонкові з’єднання пружними шпонками (рис. 12. 4)

Рис. 12. 4.

- шпонкові з’єднання  запобіжними   шпонками (рис. 12. 5)

Рис. 12. 5.

Шпонкові з’єднання жорсткими  шпонками розрізняють ненапружені та напружені. Ненапружені шпонкові з’єднання здійснюють за допомогою призматичних і сегментних шпонок. Напружені шпонкові з’єднання здійснюють за допомогою клинових  шпонок.

Пази в маточині виконують довбанням або протягуванням одношліцьовою протяжкою шириною b на глибину t₁.

Рис. 12. 6. Схема пазів у валу і маточині з розмірами

Пази на валу (рис. 12. 7) виконують фрезеруванням пальцьовою або дисковою фрезами шириною b на глибину t₂.

Рис. 12. 7. Схеми виготовлення пазів у валу

Найбільше ширину призматичної шпонки та ширину паза в маточині виконують з посадкою, а у валу -   (рис. 12. 8). Шпонки входять у паз маточини так, що між верхньою гранню шпонки і дном маточини утворюється зазор. У з’єднанні клиновою шпонкою зазори утворюються між боковими гранями вала і маточини з боковою гранню шпонки.

Рис. 12. 8. Схеми установки і посадок шпонок у пази вала і маточини

Розрахунок ненапружених шпонкових з’єднань.

Ненапружені шпонкові з’єднання здійснюють за допомогою

призматичних (ГОСТ 23360-78)

 і сегментних (ГОСТ 24071-80) стандартних шпонок.

 Згідно із стандартом ширина шпонок  і висота   вибирається залежно від діаметра вала . Довжину шпонки  вибирають залежно від довжини маточини  деталі.

Рис. 12. 9. Розрахункова схема ненапружених шпонкових з’єднань

До прикладання крутного моменту  у шпонці не виникають напруження (рис. 12. 9), тому таке шпонкове з’єднання є ненапруженим. При прикладанні крутного моменту (рис. 12. 9) у з’єднаннях  вал-шпонка і маточина-шпонка виникають напруження зминання, а по більшій грані шпонка може зрізатися.

Для ненапружених шпонкових з’єднань виконують, як правило, перевірочні розрахунки:

- на зминання ;                                     (12.1)

- на зріз  .                                        (12.2)

В наведених умовах міцності  - робоча довжина шпонки. Допустимі напруження зминання   залежать від матеріалу маточини і приймаються . Допустимі напруження зрізу  залежать від матеріалу шпонки і рівні , де  - границя текучості матеріалу шпонки.

Коли умови міцності не виконуються, потрібно збільшити довжину шпонки, якщо дозволяє довжина маточини, або передбачити дві шпонки, взаємно зміщені на 180º.

Розрахунок напружених шпонкових з’єднань.

Напружені шпонкові з’єднання здійснюють за допомогою клинових шпонок (ГОСТ 23068-80). Згідно із стандартом ширина шпонок  і висота   вибирається залежно від діаметра вала . Довжину шпонки  вибирають залежно від довжини маточини  деталі. Ухил широкої грані приймається 1:100.

Напружені шпонкові з’єднання за способом розміщення клинових шпонок на валах бувають (рис. 12. 10) фрикційними, на лисці, тангенціальними і врізними (рис. 12. 11).

Рис. 12. 10. Схеми шпонкових з’єднань клиновою шпонкою

Рис. 12. 11. Схеми шпонкового з’єднання врізною клиновою шпонкою

Розглянуті з’єднання клиновими шпонками передають крутний момент за рахунок сил тертя, які виникають в сполуках широких граней з валом і маточиною. Сили тертя створюються натягом у радіальному напрямі при забиванні клинових шпонок. Тому зі сторони бічних граней клинових шпонок передбачаються зазори.

Таким чином у ненавантаженому крутним моментом з’єднанні на робочих гранях шпонки (рис. 12. 12) мають місце напруження зминання , тому таке шпонкове з’єднання є  напруженим. При прикладанні крутного моменту   у сполуках вал-шпонка і маточина-шпонка напруження зминання  змінюються (див. рис. 12. 12, б, в, г). Крайнім станом вважається розподіл напружень зминання  за епюрою зображеною на рис. 12. 12, в.

Рис. 12. 12. Схеми розподілу навантаження у з’єднанні  клиновою шпонкою

Крутний момент , прикладений до вала (рис.12. 13), зрівноважується дією сили , прикладеної до вала з боку шпонки, і дією такої ж сили зі сторони маточини, а також дією сил тертя   з боку шпонки та маточини. Тоді умова рівноваги вала буде:

.                                (12.3)

Враховуючи те, що: ,  і  з умови рівноваги отримаємо                              .                               (12.4)

В наведеній умовах міцності  - коефіцієнт тертя;  - робоча довжина шпонки. Допустимі напруження зминання  залежать від матеріалу маточини і приймаються .

Рис. 12. 13. Розрахункова схема  з’єднання  клиновою шпонкою

2. Зубчасті (шліцьові) з’єднання, застосування та перевірний розрахунок.

Коли не забезпечується міцність шпонкового з’єднання при передачі крутного моменту, тоді застосовують шліцьове з’єднання (рис. 12. 14). Таке з’єднання утворюється за рахунок шліців (зубців), що нарізуються на поверхні вала та отвору маточини.

Рис. 12. 14. Схема шліцьового з’єднання

Класифікують шліцьові з’єднання наступним чином:

- за формою профілю шліців: прямокутні, евольвентні та трикутні;

- за центруванням: за внутрішнім діаметром d, за зовнішнім діаметром D та за бічними гранями шліців b ;

- за серіями: легкої, середньої та важкої.

Шліцьові з’єднання з прямокутним профілем шліців стандартизовані по ГОСТ 1139- 80,  з евольвентним профілем шліців стандартизовані по ГОСТ 6033- 80, а з трикутним профілем шліців – не стандартизовані.

Розміри поперечного перерізу: внутрішній діаметр , зовнішній діаметр , ширина   і число   шліців приймаються в залежності від діаметра вала і технологічних міркувань. Довжину шліців  вибирають залежно від довжини маточини .

Розрахунок  шліцьових з’єднань.

Шліци шліцьових з’єднань працюють на деформацію зминання, зрізу і згину. Самою небезпечною є деформація зминання. На рис. 12.15 показана  розрахункова схема шліцьового з’єднання. 

Рис. 12. 15. Розрахункова схема шліцьового з’єднання

Для оцінки роботоздатності шліцьового з’єднання визначають напруження зминання, зрізу і згину за формулами:

- на зминання           ;                            (12.5)

- на зріз                     ;                              (12.6)

- на згин                    .                           (12.7)

В умовах міцності маємо   - коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілу навантаження на шліци з’єднання.

Запитання для самоконтролю:

1. За допомогою чого утворюються шпонкові з’єднання ?

2. Яка деталь називається шпонкою ?

3. Які бувають жорсткі шпонки ?

4. Які шпонки називають ненапруженими і напруженими ?

5. За якою умовою перевіряють міцність ненапружених шпонкових з’єднань ?

6. За якими умовами перевіряють міцність напружених шпонкових з’єднань ?

7. Яке з’єднання називають шліцьовим ?

8. Які бувають шліцьові з’єднання за формою профілю ?

9. Які бувають шліцьові з’єднання за центруванням ?

10. Як розподіляють шліцьові з’єднання за серіями ?

11. За якими деформаціями перевіряють міцність шпонкових з’єднань ?

Попередня тема Теоретичні відомості Наступна тема