Лабораторная работа № 2 Изучение валов и осей, шпоночных и шлицевых соединений

Цель работы: ознакомление с терминологией, особенностями конструкции, методами определения параметров, областью применения валов и осей, шпоночных и шлицевых соединений.

Общие сведения

Валы – детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей геометрической оси и для поддержания вращающихся деталей. Валы по назначению можно разделить на валы передач, несущие детали передач – зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты, коренные валы, несущие, помимо деталей передач, еще и рабочие органы – колеса, кривошипы, зажимные патроны и т. д.

По форме геометрической оси валы делятся (рис. 2.1) на прямые, коленчатые и гибкие. По форме осевого сечения прямые валы бывают постоянного диаметра и ступенчатые, а по форме поперечного сечения — круглые, и шлицевые, квадратные, профильные.

Они могут изготавливаться заодно с деталями передач или рабочими органами (вал–шестерня, вал–эксцентрик) или отдельно от них.

Оси – детали, служащие для поддержания вращающихся вместе с ними или на них деталей и не передающие – крутящего момента. Следовательно, они бывают вращающимися и неподвижными. Короткие оси делают постоянного диаметра, а длинные – фасонными.

Практически валы выполняют ступенчатыми. Эта форма удобна в изготовлении и сборке; уступы валов могут воспринимать большие осевые силы. Посадочные поверхности под ступицы деталей, насаживаемых на вал, выполняют цилиндрическими или коническими.

Участки осей и валов, которыми они опираются на подшипники, и воспринимают нагрузки, называются цапфами. Концевые цапфы называются шипами (отсюда – подшипники), а внутренние – шейками. Цапфы, воспринимающие осевые нагрузки, называются пятами (опоры - подпятники).

Рисунок 2.1 - Основные типы валов и осей

Длина осей не превышает 3 м, а валов – 6-7 м, что объясняется длиной выпускаемых промышленностью круглых заготовок, условиями изготовления и транспортирования. При необходимости можно изготавливать более длинные валы, их делают составными с помощью фланцев.

Наиболее широко применяемые в настоящее время ступенчатые валы характеризуются наличием различных технологических элементов (рис. 2.2): галтелей – поверхностей плавного перехода от одной ступени к другой, обеспечивающих снижение концентрации местных напряжений; фасок на торцах, облегчающих монтаж на валах деталей и предупреждающих травмирование рук; округленных канавок для выхода шлифовального круга; шпоночных канавок или шлицев в местах установки деталей передач или рабочих органов.

Рисунок 2.2 - Конструкция вала

Шпоночные соединения служат для закрепления деталей на валах с целью передачи крутящего момента от вала к ступице детали, и наоборот.

Шпонка – призматический или клиновидный стержень, устанавливаемый в пазах вала и ступицы, насаживаемый на вал. Все виды шпонок можно разделить на две основные группы: клиновые, образующие напряженные соединения, призматические или сегментные, образующие ненапряженные соединения.

Клиновые шпонки бывают врезные (рис. 2.3) на лыске, фрикционные, с головкой и с плоскими концами. Наиболее распространены врезные шпонки.

Рисунок 2.3 - Основные типы клиновых шпонок

Рисунок 2.4 - Соединение призматической шпонкой

Клиновые шпонки забивают между валом и ступицей до упора, поэтому еще до приложения внешней нагрузки создается напряженное соединение. Работают эти шпонки верхней и нижней гранями, а между боковыми гранями и стенками пазов остаются монтажные зазоры. Уклон верхней грани шпонки и, соответственно, паза ступицы — 1:100.

Недостатком соединений клиновыми шпонками является неизбежное радиальное и возможное осевое смещение насаживаемой на вал детали, что приводит к необходимости усложнять конструкцию вала созданием различных устройств, фиксирующих деталь в осевом направлении, а также к появлению неуравновешенной силы, вызывающей биение, износ и разрушение опор вала. Поэтому клиновые шпонки применяют сравнительно редко, как правило, в тихоходных неответственных передачах.

Призматические шпонки (рис. 2.4) — врезные, со скругленными или прямыми торцами наиболее распространены. Их не забивают, а закладывают в пазы, что требует большой точности изготовления, но зато нет предварительного напряжения и отсутствует эксцентриситет. Достоинство их и в отсутствии уклона, что делает их более удобными в изготовлении.

Рабочими гранями призматических шпонок являются более узкие боковые грани. Для удобства сборки имеется монтажный зазор между верхней гранью и дном паза ступицы.

Призматические шпонки могут применяться как в неподвижных соединениях, так и в подвижных. В последнем случае они бывают направляющие, по которым ступица перемещается вдоль вала, и скользящие, перемещающиеся вместе со ступицами вдоль вала.

Сегментные шпонки — своеобразная разновидность призматических. Принцип их работы одинаков (рис. 2.6).

Они наиболее технологичны, так как – отличаются удобством изготовления, как самих шпонок, так и пазов для них. Недостатком является значительная глубина паза в валу, что приводит к уменьшению прочности валов. Поэтому сегментные шпонки применяются лишь при передаче небольших моментов.

Рисунок 2.5 - Различные виды призматических шпонок

Рисунок 2.6 - Соединение сегментной шпонкой

Шлицевые (зубчатые) соединения (рис. 2.7) – соединения с выступами – зубьями на валу, входящими во впадины соответствующей формы в ступице. Зубья на валу изготавливаются фрезерованием, а в ступице – протягиванием. По сравнению со шпоночными соединениями, шлицевые обеспечивают большую несущую способность при одинаковых габаритах из-за большей рабочей поверхности и более равномерного распределения давления по высоте зубьев, большую усталостную прочность вала, лучшее центрирование деталей на валу.

Рисунок 2.7 - Зубчатые (шлицевые) соединения

Различают три типа шлицевых соединений: прямобочные, эвольвентные, треугольные.

Центрирование (обеспечение совпадения геометрических осей) соединяемых деталей, выполняют по наружному D внутреннему d диаметрам или боковым поверхностям b выступов.

Прямобочные наиболее распространены из–за простоты изготовления и хороших эксплуатационных свойств. Они могут обеспечивать центрирование ступицы на валу по боковым граням b, по наружному D, или по внутреннему d диаметрам.

Достигается это калиброванием центрирующих поверхностей втулок протяжкой, а вала – шлифованием. Центрирование по D или d обеспечивает более высокую соосность ступиц на валу, а центрирование по боковым поверхностям – более равномерное распределение нагрузки по зубьям.

Эвольвентные шлицевые соединения имеют более высокую прочность зубьев из-за их утолщения к основанию, и более технологичные из-за возможности использовать для нарезания шлиц на валу зубонарезное оборудование и инструмент. Но протяжки для изготовления эвольвентных пазов в ступицах малых и средних диаметров очень дороги, поэтому данный вид соединений применяется ограниченно. Центрирование ступиц здесь осуществляется преимущественно по боковым граням и по наружному диаметру.

Прямобочные и эвольвентные зубчатые соединения применяются как подвижные, так и неподвижные, а вот третий вид соединений – треугольные – применяется только как неподвижные, для передачи сравнительно небольших моментов, или тогда, когда нужно регулировать положение ступицы на валу в окружном направлении, что обеспечивается большим числом мелких зубьев.

Параметры сечения шпонок и шлицев не рассчитываются, а определяются из таблиц стандартов, по известной величине диаметра вала.