Соединения с натягом

В цилиндрических соединениях с натягом (рисунок 1, а) нагрузки передаются за счет трения, возникающего между двумя деталями после их сборки, с упругопластическим деформированием сопряженных поверхностей при необходимой разнице посадочных размеров. Сборка осуществляется механической запрессовкой либо с помощью нагрева охватывающей или охлаждения охватываемой детали. Характерные посадки в цилиндрических соединениях с натягом: H 7/р6, H 7 /z 6, H 7 /s 6, H 7 /t 7, H 7 / u7 и т. д.

а – цилиндрическое; б – коническое; в – схема сил в коническом соединении

Рисунок 1 – Соединение с натягом:

Рекомендуемые ЕСДП посадки с натягом могут быть разделены на 3 группы. Тяжелые и особо тяжелые посадки (H / u; Н/х; H/z) имеют увеличенный натяг с большим разбросом его значений. Эти посадки рекомендуется определять опытным путем. Средние посадки H/r, H/s, H/t применяются для запрессовки втулок в шкивы и зубчатые колеса, для закрепления зубчатых колес на валах коробок скоростей, для установки бронзовых венцов червячных колес и т. п. Эти посадки могут передавать значительные нагрузки без дополнительного крепления. Легкие посадки Н/р характеризуются минимальным гарантированным натягом и применяются в соединениях тонкостенных деталей при передаче небольших нагрузок.

Цилиндрические соединения с натягом занимают промежуточное положение между разъемными и неразъемными. При определенных условиях (например, при малых натягах, характерных для посадок подшипников качения, при сборке со смазыванием маслом, подаваемым под большим давлением в зону контакта, и т. п.) повреждения сопряженных поверхностей незначительны либо вовсе не наблюдаются даже при многократных сборках и разборках. В этих случаях соединение может считаться разъемным.

По сравнению с цилиндрическими конические соединения с натягом (рисунок 1, б) имеют некоторые преимущества. Так, их неоднократная сборка и демонтаж не сопровождаются заметными повреждениями сопрягаемых поверхностей. Осевым относительным перемещением деталей соединения можно регулировать натяг, а также с большей точностью его измерять. Вместе с тем для деталей этих соединений необходима более высокая точность.

Общим недостатком соединений с натягом являются отрицательные последствия даже однократной их перегрузки. Если перегрузка сопровождается относительным смещением рабочих поверхностей, то это может вызвать их окончательное разрушение. Чтобы предотвратить такие последствия, в ряде случаев в соединении устанавливают шпонку. Однако шпоночный паз вызывает концентрацию напряжений и снижает предел выносливости вала. Этот пример еще раз свидетельствует о том, насколько важно иметь точные данные по нагрузкам, по всему их спектру. Такие данные позволяют назначать параметры соединения с натягом, обеспечивающие необходимый запас прочности, без дополнительных мер, удорожающих производство.

Еще один недостаток этих соединений – большой разброс натягов –можно исключить за счет селективной сборки, т. е. подбора деталей соединения с допусками, близкими к расчетным. Однако это возможно лишь при индивидуальном или мелкосерийном производстве. В массовом производстве следует считаться с вероятностным характером распределения посадок с натягом.

При расчетах различают статическую прочность соединений с натягом и их прочность при динамических нагрузках. В первом случае полагают, что напряжения в стыке деталей, вызываемые внешними нагрузками, остаются постоянными, и расчет несущей способности соединения ведут по средним значениям давления в стыке. При этом допускается локальное проскальзывание на небольших участках стыковой поверхности, прилегающих к торцам деталей соединения. Вследствие постоянного характера нагрузки такое однократное локальное скольжение не нарушает несущей способности соединения.

Рисунок 2 – Зависимость смещения в стыке от нагрузки

Допускаемые из условия локальной неподвижности стыка нагрузки можно установить на основе зависимости смещения в стыке от нагрузки (крутящего момента Т), показанной на графике (рисунок 2). Если внешний момент не превышает значения Т _у, при котором он уравновешивается силами трения в стыке, то зависимость крутящего момента Т от смещения D в стыке будет описываться прямой ОА или ОА ₁ (при действии момента в противоположном направлении). Если момент увеличить до Т _ск, то первоначальное нагружение будет происходить по кривой ОАВ, а разгрузка и нагружение в обратную сторону – по прямой BB ₁ A ₂, при этом в точке А ₂ момент равен – Т _у.

Шпонки

Шпонки служат для передачи крутящего момента от вала к ступице детали (зубчатого колеса, шкива и т. п.) или, наоборот, от ступицы к валу. В отдельных случаях кроме передачи крутящего момента шпонки фиксируют насаженные на вал ступицы в осевом направлении

Основные типы шпонок стандартизованы. Подобно силовым клиновым соединениям, различают ненапряженные и напряженные шпоночные соединения. Ненапряженные шпоночные соединения осуществляют с помощью призматических и сегментных шпонок, а напряженные — посредством клиновых шпонок.

Призматические шпонки по назначению различают:

Обыкновенные и высокие со скругленными или плоскими концами, предназначенные для неподвижных соединений ступиц с валами;

направляющие, применяемые в тех случаях, когда ступицы должны иметь возможность перемещаться вдоль валов; скользящие, перемещающиеся вдоль вала вместе со ступицами и применяемые вместо направляющих шпонок в тех случаях, когда требуются большие перемещения ступиц. Направляющие шпонки прикрепляют к валу винтами, а скользящие соединяют со ступицей выступом цилиндрической формы.

Шпонка, находящаяся в пазу вала, называется врезной. Призматические шпонки — врезные. Примерно половина их высоты расположена в пазу вала и половина — в пазу ступицы. Рабочими гранями призматических шпонок служат их боковые, более узкие грани. Для упрощения и облегчения сборки шпоночных соединений между обыкновенной или направляющей шпонкой и ступицей, а также между скользящей шпонкой и валом предусматривают радиальный зазор (по высоте шпонки).

Наиболее распространены призматические обыкновенные шпонки, так как по сравнению с клиновыми шпонками они обеспечивают большую точность посадок ступиц на валах, а по сравнению с сегментными шпонками они врезаются в вал на меньшую глубину и, следовательно, в меньшей степени снижают прочность валов.

Сегментные шпонки — врезные и, подобно призматическим, работают боковыми гранями. При необходимости по длине ступицы ставят две (иногда даже три) сегментные шпонки. Сегментные шпонки — самые технологичные из-за легкости изготовления самих шпонок и пазов для них, а также удобства сборки соединений. Недостаток сегментных шпонок — необходимость выполнения глубоких пазов в валах, что снижает прочность последних. Поэтому сегментные шпонки применяют для передач относительно небольших моментов.

Клиновые шпонки по способу расположения на валах различают: врезные, фрикционные и тангенциальные. Клиновые врезные шпонки по конструкции подразделяют на шпонки клиновые без головки с плоскими или скругленными концами и шпонки клиновые с головкой.

В качестве шпонок на лыске и фрикционных применяют клиновые шпонки< с плоскими концами или с головкой. Все клиновые шпонки выполняют с уклоном 1:100. Этот же уклон предусматривают для паза ступицы. Подобно призматическим, примерно половина высоты клиновых врезных шпонок помещается в пазу вала и половина — в пазу ступицы. Вся высота клиновых шпонок на лыске и фрикционных помещается в пазу ступицы. Фрикционной шпонкой осуществляют соединение ступицы с гладким цилиндрическим валом; соответственно поверхность шпонки, соприкасающуюся с валом, делают цилиндрической, ее радиус равен радиусу вала. Фрикционные шпонки передают крутящий момент только силами трения, чем и обусловлено их наименование.

В отличие от призматических у клиновых врезных, на лыске и фрикционных шпонок широкие грани рабочие, а по боковым граням предусмотрены зазоры. Таким образом, напряженность соединений при применении этих шпонок возникает вследствие натяга между валом и ступицей (в радиальном направлении).

Из клиновых шпонок самые распространенные — врезные, так как по сравнению со шпонками на лыске и фрикционными они более надежны, а по сравнению с тангенциальными более технологичны.

Тангенциальные шпонки отличаются от других клиновых шпонок тем, что натяг между валом и ступицей создается ими не в радиальном, а в касательном направлении. Одна из широких граней тангенциальной шпонки направлена по касательной к сечению вала, а одна из узких граней — по радиусу вала. Такое расположение тангенциальных шпонок вызывает необходимость постановки в соединении - двух шпонок, размещаемых под углом 120°-135°. По технологическим условиям каждая тангенциальная шпонка выполняется из двух односкосных клиньев. Тангенциальные шпонки работают в основном на сжатие и поэтому наиболее надежны, но соединение этими шпонками сложное. Тангенциальные шпонки применяют преимущественно в тяжелом машиностроении при больших динамических нагрузках.

Клиновые шпонки применяют ограниченно, так как они вызывают смещение оси ступицы относительно оси вала, а при коротких ступицах могут вызвать перекос соединяемых деталей. В тех случаях, когда перекос насаживаемой на вал детали совершенно недопустим (большинство зубчатых передач), клиновые шпонки не применяют. Иногда применяют шпонки круглые (шпонки-штифты), шестигранные и др.

Материалом для шпонок служат углеродистые стали с пределом прочности не ниже 600 МПа. Призматические шпонки и клиновые шпонки без головок изготовляют из чистотянутой стали (ГОСТ 8787 — 68). Сегментные шпонки выполняют из цельнотянутой стали сегментного профиля (ГОСТ 8786-68).

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту шпонок принимают по соответствующему ГОСТу в зависимости от диаметра вала. Длину шпонки принимают в зависимости от длины ступицы и согласовывают с ГОСТом на шпонки. Достаточность принятых размеров шпонки проверяют расчетом соединения на прочность.