30. Шпонкові і зубчасті (шліцеві) з'єднання: типи, оцінка з'єднань, розрахунок за напруженнями зминання
Шпонкові і зубчасті з'єднання служать для закріплення деталей на осях і валах. Такими деталями є шківи, зубчасті колеса, муфти, маховики, кулачки і т.д. З'єднання навантажуються в основному обертаючим моментом.
Шпонкові з'єднання
Всі основні види шпонок можна розділити на клинові і призматичні. Перша група шпонок утворює напружені, а друга – ненапружені з'єднання. Розміри шпонок і допуски на них стандартизовані.
З
'єднання
клиновими шпонками
(наприклад, урізною клиновою шпонкою,
рисунок 30.1) характеризується вільною
посадкою маточини на вал (із зазором);
розташуванням шпонки у пазі їз зазорами
по бічних гранях (робочими є широкі
грані шпонки); передачею обертаючого
моменту від вала до маточини в основному
силами тертя, що утворюються в з'єднанні
від запресовування шпонки. Запресовування
шпонки зміщає центри вала і маточини
на деяке значення Δ, рівне половині
зазору посадки і деформації деталей.
Цей зсув викликає дисбаланс і несприятливо
позначається на роботі механізму при
великих частотах обертання.
Клинова
форма шпонки може викликати перекос
деталі, при якому її торцева площина не
буде перпендикулярною вісі вала. Обробка
паза в маточині з ухилом, рівним ухилу
шпонки, створює додаткові технологічні
труднощі і часто вимагає індивідуального
пригону шпонки по пазу. Такий пригон
зовсім неприпустимий в умовах масового
виробництва. Ці недоліки послужили
причиною того, що застосування клинових
шпонок різко скоротилося в умовах
сучасного виробництва. Значне скорочення
застосування клинових шпонок дозволяє
не розглядати в дійсному курсі їхні
конструктивні різновиди і розрахунок
на міцність.
З'єднання призматичними шпонками ненапружене. Воно вимагає виготовлення вала й отвору з великою точністю. У багатьох випадках посадка маточини на вал здійснюється з натягом. Момент передається з вала на маточину бічними вузькими гранями шпонки. При цьому на них виникають напруження зминання σсм, а в поздовжньому перетині шпонки напруження зрізання (рисунок 30.2).
Для спрощення розрахунку допускають, що шпонка врізана у вал на половину своєї висоти, напруження σсм розподіляються рівномірно по висоті до довжини шпонки, а плече рівнодіючої цих напружень дорівнює ~d/2. Розглядаючи рівновагу вала чи маточини при цих допущеннях, одержуємо умови міцності у вигляді:
(30.1)
(30.2)
У
стандартних шпонок розміри b
і h
підібрані так, що навантаження з'єднання
обмежують не напруження зрізання, а
напруження зминання. Тому при розрахунках
звичайно використовують тільки формулу
(30.1).
Паралельність граней призматичної шпонки дозволяє здійснювати рухливі в осьовому напрямку з'єднання маточини з валом (коробки швидкостей і ін.). Сили тертя, що виникають при переміщенні маточини в рухливому з'єднанні, можуть порушити правильне положення шпонки, тому її рекомендують кріпити до вала гвинтами (рисунок 30.3). У деяких конструкціях рухливих з'єднань доцільно застосовувати короткі шпонки, прикріплені до маточини (рисунок 30.3, б).
С
егментна
і циліндрична шпонки
є різновидом призматичної шпонки, тому
що принцип роботи цих шпонок подібний
принципу роботи призматичної шпонки.
Конструкція з'єднання за допомогою
сегментної шпонки показана на рисунку
30.4. Глибока посадка шпонки забезпечує
їй більш стійке положення, чим у простої
призматичної шпонки. Однак глибокий
паз значно послабляє вал, тому сегментні
шпонки застосовують головним чином для
закріплення деталей на малонавантажених
ділянках вала, наприклад на кінцях
валів. Аналогічно з'єднанню з призматичною
шпонкою для сегментної шпонки одержимо:
(30.3)
При довгих маточинах можна ставити в ряд по осі вала дві сегментні шпонки.
Конструкція з'єднання з циліндричною шпонкою (штифтом) показана на рисунку 30.5. Циліндричну шпонку використовують для закріплення деталей на кінці вала. Отвір під шпонку свердлять і обробляють розгорненням після посадки маточини на вал. При великих навантаженнях ставлять дві чи три циліндричні шпонки, розташовуючи їх під кутом 180° або 120°. Циліндричну шпонку встановлюють в отвір з натягом. У деяких випадках шпонці додають конічну форму.
Умова міцності з'єднання циліндричною шпонкою по напруженнях зминання аналогічна формулі (30.1);
(30.4)
Матеріал шпонок і напруження, що допускаються
Стандартні шпонки виготовляють з суцільнотягнутих сталевих прутків – вуглецевої чи легованої сталі з межею міцності σb не нижче 500 МПа. Значення допустимих напружень залежить від режиму роботи, міцності матеріалу вала і втулки, типу посадки втулки на вал.
Для нерухомих з'єднань допускають: при перехідних посадках [σсм] = 80…150МПа; при посадках з натягом σсм = 110...200 МПа. Менші значення для чавунних маточин і при різких змінах навантаження. У рухливих (в вісьовому напрямку) з'єднаннях допускні напруження значно знижують з метою попередження задірання й обмеження зношення. При цьому приймають [σсм] =20...30 МПа.
Оцінка з'єднань призматичними шпонками і їхнє застосування
Призматичні шпонки широко застосовують у всіх галузях машинобудування. Простота конструкції і порівняно низька вартість – головні достоїнства цього виду з'єднань.
Негативні властивості: з'єднання послабляє вал і маточину шпонковими пазами; концентрація напружень у зоні шпонкової канавки знижує опір утоми вала; міцність з'єднання нижче міцності вала і маточини, особливо при перехідних посадках чи посадках із зазором. Тому шпонкові з'єднання не рекомендують для швидкохідних динамічно навантажених валів. Технологічним недоліком призматичних шпонок є труднощі забезпечення їхньої взаємозамінності, тобто необхідність пригону чи підбора шпонки по пазу, що обмежує їхнє застосування в крупносерійному і масовому виробництві. Пригоном прагнуть забезпечити стійке положення шпонки в пазах, тому що перекос (вивертання) шпонки значно послабляє з'єднання. Сегментна шпонка з глибоким пазом у цьому відношенні має перевагу перед простою призматичною шпонкою. Її воліють застосовувати при масовому виробництві.
Загальні зауваження з розрахунку шпонкових з'єднань
Усі розміри шпонок і допуски на них стандартизовані. Стандарт передбачає для кожного діаметра вала визначені розміри поперечного переріза шпонки. Тому при проектних розрахунках розміри b і h беруть по довіднику і визначають l. Розрахункову довжину шпонки округляють до стандартного розміру, згоджують з розміром маточини.
Отримані вище розрахункові формули не враховують впливу сил тертя, що утворюються в з'єднанні при посадках з натягом. Ці сили тертя частково розвантажують шпонку і враховуються при виборі напружень, що допускаються – див. вище.
У тих випадках, коли одна шпонка не може передати заданого моменту, установлюють дві чи три шпонки. При цьому варто враховувати, що постановка декількох шпонок зв'язана з технологічними утрудненнями, а також послабляє вал і маточину. Тому багатошпоночні з'єднання майже не застосовують. Їх заміняють зубчастими з'єднаннями.