Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки и т. п.) .
Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот.
Основные типы шпонок стандартизированы.
Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковыми или концевыми фрезами, в ступицах – протягиванием (см. рис. 1) .
Достоинства шпоночных соединений – простота конструкции, вследствие чего их широко применяют во всех областях машиностроения.
Недостатки – шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали. Ослабление вала обусловлено не только уменьшением его сечения, но, главное, значительной концентрацией напряжений изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом.
Шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовлении паза концевой фрезой, требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении дисковой фрезой – крепление шпонки в пазу винтами от возможных осевых перемещений.
Классификация шпоночных соединений
Шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и напряженные.
Ненапряженные соединения получают при использовании призматических и сегментных шпонок. При сборке этих соединений в деталях не возникает монтажных напряжений. Для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии (фретинг-коррозии) ступицы устанавливают на валы с натягом.
Напряженные соединения получают при применении клиновых и тангенциальных шпонок (рис. 2) . При сборке таких соединений возникают предварительные (монтажные) напряжения. Тангенциальные шпонки являются разновидностью клиновых шпонок. При запрессовке клиновых шпонок в соединении возникают распорные радиальные силы, что приводит к появлению дисбаланса.
Клиновые шпонки в настоящее время применяются редко, поэтому их методика расчета на прочность здесь не рассматривается.
По форме различают три основных типа шпонок (кроме клиновых и тангенциальных, рис. 2) – призматические , сегментные и круглые .
Призматические шпонки (рис. 3) изготавливают в нескольких исполнениях – с плоскими и скругленными торцами. Округление торцов шпонки облегчает монтаж конструкции.
Шпонки с плоскими торцами устанавливают вблизи деталей (концевых шайб, колец и т. п.) , препятствующих ее осевому перемещению, поскольку призматическая шпонка не препятствует осевому перемещению деталей вдоль вала.
Иногда для фиксации от осевого смещения призматические шпонки фиксируют распорными втулками или установочными винтами.
Сегментные шпонки (рис. 3) , как и призматические, работают только боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов, так как глубокий паз значительно ослабляет вал.
Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении и удобны для монтажа и демонтажа. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей устойчивое положение.
В отличие от призматических шпонок, сегментные шпонки не нуждаются в дополнительной фиксации от осевого перемещения.
Материал шпонок и допускаемые напряжения
Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с σв ≥ 600 МПа – чаще всего из сталей марок Ст6, 45, 50.
Видео:3. Конструирование, выбор размеров шпонкиСкачать
Допускаемые напряжения смятия [σ]см для шпоночных соединений зависят от материала ступицы (вал, как правило, изготовляют из стали) , типа посадки ступицы и характера нагрузки.
Так, неподвижное соединение при стальной ступице допускает напряжение 140…200 МПа, при чугунной ступице – 80…110 МПа. Большие напряжения допускаются при постоянной нагрузке, меньшие – при переменной.
Читайте также: Плазморез со встроенным компрессором кедр cut 40b 220в
Допускаемое напряжение при срезе шпонок [τ]ср = 70…100 МПа (Н/мм2). Большие допускаемые напряжения принимают для постоянной нагрузки.
Расчет шпоночных соединений
Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность.
Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимости от диаметра вала, а затем соединения проверяют расчетом на прочность.
Характер напряжений, возникающих в шпоночном соединении во время работы, показан на рис. 4 . Шпонки работают на смятие и срез, а боковые стенки пазов на валах и в ступицах — на смятие.
Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность их на срез и изгиб обеспечивается, если выполняется условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений – расчет на смятие шпонки. Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не производят.
При расчете условно принимают, что напряжение σсм смятия распределяются равномерно по площади контакта боковых граней шпонок и шпоночных пазов, а прочность материала, характер соединения, режим работы учитываются при выборе допускаемого напряжения [σ]см .
Проверочный расчет соединения призматической шпонкой выполняют по условию прочности на смятие (см. рис. 4):
где: F1 – окружная сила, передаваемая шпонкой, Асм – площадь смятия шпонки (мм 2 ).
где: T = передаваемый момент (Нм); d – диаметр вала (мм).
На смятие рассчитывают выступающую из вала часть шпонки, которая имеет меньшую площадь смятия.
При определении площади смятия Асм учитывают размер фаски f , который для стандартных шпонок примерно равен 0,06h (здесь h – общая высота шпонки) .
Шпонка с фаской f = 0,06h имеет расчетную площадь Асм смятия:
где: t1 – глубина шпоночного паза на валу (мм); lр – расчетная длина шпонки (мм).
Для шпонок с плоскими торцами lp = l , со скругленными торцами lp = l – b .
Подставив значения F1 и Асм в формулу проверочного расчета, получим:
Видео:Шпоночные соединения Классификация и виды шпонок Достоинства и недостатки шпоночных соединенийСкачать
В проектировочном расчете соединения, после выбора размеров b и h поперечного сечения шпонки по стандарту, определяют расчетную рабочую длину lp :
Длину ступицы lст принимают на 8…10 мм больше длины шпонки. Если длина ступицы больше величины 1,5d , то шпоночное соединение целесообразно заменить на шлицевое или соединение с натягом, чтобы избежать значительной неравномерности распределения напряжений по длине шпонки.
Проверочный расчет соединения сегментной шпонкой выполняют на смятие:
где: lp ≈ l – рабочая длина шпонки (мм); (h – t) — рабочая глубина паза в ступице (мм).
Поскольку сегментные шпонки выполняются узкими, их, в отличие от призматических, проверяют на срез.
Условие прочности при срезе:
где: b – ширина шпонки (мм); [τ]сp – допускаемое напряжение на срез.
Рекомендации по конструированию шпоночных соединений
При проектировании и конструировании шпоночных соединений следует придерживаться следующих рекомендаций, основанных на опыте эксплуатации и аналитических выводах:
- Перепад диаметров ступеней вала с призматическими шпонками назначают из условия свободного прохода детали большего посадочного диаметра без удалении шпонки из паза на участке меньшего диаметра.
- При наличии нескольких шпоночных пазов на валу их располагают на одной образующей.
- Из удобства изготовления рекомендуют для разных ступеней одного и того же вала назначать одинаковые по сечению шпонки, исходя из ступени меньшего диаметра.
Прочность шпоночных соединений при этом оказывается вполне достаточной, поскольку окружные силы на разных участках вала обратно пропорциональны диаметру, поэтому на участках с большим диаметром окружная сила будет меньше. - При необходимости установки двух сегментных шпонок их ставят вдоль вала в одном пазу ступицы. Постановка нескольких шпонок в одном соединении сильно ослабляет вал, поэтому рекомендуется в этом случае перейти к шлицевому соединению.
Читайте также: Рычаг переключения вала отбора мощности мтз 80
Пример проектировочного расчета шпонки
Задача Выбрать тип стандартного шпоночного соединения стального зубчатого колеса со стальным валом и подобрать размеры шпонки.
Диаметр вала d = 45 мм .
Соединение передает вращающий момент Т = 210 Нм при спокойной нагрузке.
Решение
Выполняем проектировочный расчет, на основании которого подбираем нужную шпонку.
Выбор соединения:
Для соединения вала с колесом принимаем широко распространенную призматическую шпонку со скругленными торцами ( исполнение I) .
Расчетные размеры шпонки и паза на валу:
Видео:5.1 Шпоночные и шлицевые соединенияСкачать
По таблице стандарта, устанавливающей зависимость между диаметром вала, размером сечения шпонки и глубиной паза, принимаем для d = 45 мм :
b = 14 мм ; h = 9 мм , глубина паза на валу t1 = 5,5 мм .
Допускаемые напряжения:
По таблице стандарта, устанавливающей зависимость допускаемого напряжения от типа шпоночного соединения и материала ступицы, принимаем для стальной ступицы, неподвижного соединения и спокойной нагрузки:
Расчетная длина шпонки:
lp = 2×10 3 Т / d(0,94h – t1) [σ]см = (2000×210) / 45(0,94×9 – 5,5)190 = 16,6 мм .
5. Длина шпонки с закругленным торцом: l = lp + b = 16,6 + 14 = 30,6 мм .
В соответствии со стандартом принимаем длину шпонки l = 32 мм .
6. Длина ступицы колеса: lст = l + 10 мм = 32 + 10 = 42 мм , что допустимо.
Выбор и расчёт призматической шпонки
КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАЛОВ
Для редукторов общего назначения рекомендуется выполнять простые по конструкции гладкие валы одинакового номинального диаметра по всей длине; для обеспечения требуемых посадок деталей соответствующие участки вала должны иметь предусмотренные отклонения. Но если места посадок отдалены от конца вала, то установка деталей затрудняется. Поэтому для удобства сборки и разборки узла вала, замены подшипников и других насаживаемых деталей валы выполняют ступенчатыми. Пример такой конструкции представлен на рис. 8.4. На участках вала, предназначенных для неподвижных посадок деталей, указывают отклонения размеров вала типа s6, u7, r6 и п6 со скосами для облегчения монтажа. Размеры скосов и фасок, мм (места и II), в зависимости от диаметра прилегающего участка вала, таковы:
d вала 15-30 30-45 45-70 70-100 100-150
Для плотного прилегания торцов деталей к буртикам вала в месте перехода делают галтели радиусом r в зависимости от диаметра d1, (размеры, мм:
d1 15-30 30-45 45-70 70-100 100-150
Рис. 8.4. Конструкция вала редуктора
Видео:Детали машин. Лекция 5.4. Шлицевые и шпоночные соединенияСкачать
Рис. 8.5. Рабочий чертеж вала
В местах перехода от d к D, если детали здесь не устанавливают, предусматривают галтели с радиусом закругления R 0,4 (D – d).
Правый конец вала длиной l одинакового номинального диаметра d2 = d3 имеет на участке длиной l1 отклонение k6 для посадки муфты или шкива. Участок левее, не сопрягаемый с деталями, показан с отклонением h11. Это позволяет уменьшить число ступеней вала.
Читайте также: Ремкомплект тормозного вала bpw схема сборки
Пример выполнения рабочего чертежа ступенчатого вала дан на рис. 8.5.
Виды нагрузок, действующих на детали машин
1.Статическая (постоянная) Нагрузка – нагрузка вызываемая постоянной не изменяющейся по значению, направлению и закону силой (весовая нагрузка станин, фундаментов, корпусов и др.).
2.Динамическа(переменная) нагрузка- нагрузка, вызываемая силой, изменяющейся по значению, направлению и закону. В этом случае, как правило ускорения вызывают значительные силы инерции, которыми в расчётах пренебрегать нельзя. По характеру распределения по поверхности: а) Сосредоточенные (силы, моменты); б) Равномерно распределённые; в) распределённые по различным законам. Например: симметричный, отнулевой, несимметричный, стыпенчетый, импульсная нагрузка.
58 Шпо́ночное соедине́ние — соединение охватывающей и охватываемой детали для передачи крутящего момента с помощью шпонки. Шпоночное соединение позволяет обеспечить подвижное соединение вдоль продольной оси. Классификация соединений в зависимости от формы шпонки: соединения призматическими шпонками, соединения клиновыми шпонками, соединения тангенциальными шпонками, соединения сегментными шпонками, соединения цилиндрическими шпонками.
Основной критерий работоспособности шпоночного соединения — прочность на смятие.
Достоинства шпоночных соединений: • простота конструкции, • легкость монтажа и демонтажа, • низкая стоимость. Недостатки шпоночных соединений: • шпоночные пазы ослабляют прочность вала и ступицы, • конструкция напряжений, возникающих в зоне шпоночного паза, снижает сопротивление усталости.
Выбор и расчёт призматической шпонки
Подобрать призматическую шпонку для соединения стального зубчатого колеса с валом диаметром d = 55 мм, передающего вращающий момент Т = 600 Нм. Длина ступицы зубчатого колеса 70 мм. Нагрузка постоянная реверсивная.
Согласно стандарту (см. табл.5.1), на призматические шпонки по заданному диаметру вала берем шпонку с размерами: b = 16 мм, h = 10 мм, t1 = 6 мм (исполнение А). Учитывая длину ступицы, из стандартного ряда выбираем длину шпонки l = 63 мм; расчетная длина lр = l – b = 63 — 16 = 47 мм.
Видео:Геометрические параметры зубчатых колёс. Перекрытие. Смещение.Скачать
Таблица 5.1. ГОСТ 23360 – 78
1. Длину шпонки выбирают из ряда: 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 25; 28; 32; 36;
40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200 … (до 500).
2. Материал шпонок – сталь чистотянутая с временным
сопротивлением разрыву не менее 590 МПа.
Допускаемые напряжения на смятие для неподвижных шпоночных соединений принимаются в зависимости от предела текучести:
где – допускаемый коэффициент запаса прочности = 1,9. 2,3 при постоянной нереверсивной нагрузке; = 2,9. 3,5 при переменной нереверсивной нагрузке; при реверсивной нагрузке значения увеличиваются на 30%. При чугунных ступицах = 70. 100 МПа. Для подвижных шпоночных соединений в целях предупреждения задира и ограничения износа допускаемые напряжения смятия уменьшают в 3 – 4 раза.
Допускаемые напряжения на срез для шпонок принимают в пределах
(меньшие значения берут при динамических нагрузках).
Принимая материал шпонки сталь 45 с пределом текучести = 350 МПа, а допускаемый коэффициент запаса прочности = 2,5 (нагрузка постоянная реверсивная), определим допускаемое напряжение
Проверяем соединение на смятие: Па =116 МПа МПа.
Проверяем соединение на срез: МПа, мм2, МПа. 29 МПа
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
🌟 Видео
Лекция 3 Шпоночные и шлицевые соединенияСкачать
Практика 5 Шпоночные и шлицевые соединенияСкачать
Модуль шестерни и параметры зубчатого колесаСкачать
6.3 Зубчатые цилиндрические передачиСкачать
Лекция «Соединения деталей машин»Скачать
Фрезерование зубчатого колеса фрезеровка шестерни нарезка зубаСкачать
Теория машин и механизмов Тема Разъемные соединения Доцент Авдеева А НСкачать
Зубчатое колесо в Компас 3DСкачать
Выполнение чертежа цилиндрического зубчатого колесаСкачать
Виды зубчатых колес. Характеристика и классификация шестеренСкачать
5.3 Изгибная прочность зубчатых передачСкачать
ЭВОЛЬВЕНТНОЕ зубчатое зацепление шестерен. Как это работает?Скачать
Видеоуроки Компас.18 Зубчатое колесо в КомпасеСкачать
4 5 расчет зубчатого колесаСкачать
Уроки Компас 3D. Взаимное вращение деталей в Сборке.Сборка зубчатых колёс.Скачать
