Теоретические основы работы. Шпоночные и шлицевые (зубчатые) соединения относятся к разъёмным соединениям и предназначены для передачи вращающего момента с вала на ступицу сидящей на нем

Шпоночные и шлицевые (зубчатые) соединения относятся к разъёмным соединениям и предназначены для передачи вращающего момента с вала на ступицу сидящей на нем детали (например, зубчатого колеса, полумуфты и т.п.) или наоборот.

1.1. Шпоночные соединения

В шпоночных соединениях вращающий момент с вала на ступицу (или наоборот) передается с помощью специального элемента – шпонки, устанавливаемой в пазах этих соприкасающихся деталей и препятствующей их относительному повороту или сдвигу.

Наиболее широко распространены в настоящее время ненапряженные шпоночные соединения с призматическими шпонками (рис. 4.1). Центрирование в этих соединений выполняют по диаметру посадки ступицы на вал.

Рис. 4.1. Конструктивная схема соединения с призматической шпонкой

Призматические шпонки имеют, как правило, закругленные концы и прямоугольное поперечное сечение, ширина и высота которого так же, как и длина , стандартизованы, и выбираются по справочным таблицам ГОСТ 23360-78 [2] в зависимости от диаметра вала (табл. 4.1). В качестве материала для изготовления данных шпонок в ответственных консструкциях обычно используется среднеуглеродистая сталь 45.

Таблица 4.1

Геометрические характеристики призматических шпонок из ГОСТ 23360-78

Шпонки врезают по ширине в пазы вала и ступицы на глубину, равную примерно половине ее высоты . Рекомендуемые посадки для шпонки: в паз вала – Р9/h9, в паз ступицы – Js/h9. При этом для соединения вала со ступицей, например, зубчатого колеса следует выбирать посадки с натягом типа H7/p6.

Вращающий момент передается со ступицы на вал узкими боковыми гранями шпонки (рис. 4.1). При этом на них возникают напряжения смятия , а в продольном сечении шпонки – напряжения среза . Однако, у стандартных шпонок размеры и подобраны таким образом, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому определение работоспособности шпоночного соединения сводится к проверке его прочности по напряжениям смятия

, (4.1)

где - окружная сила от момента (Нм), действующая на боковую грань шпонки; - площадь смятия; - рабочая длина шпонки; - общая длина шпонки; - длина ступицы; - допускаемое напряжение смятия в неподвижных соединениях с призматическими шпонками [1].

1.2. Шлицевые соединения

В шлицевых соединениях вращающий момент с вала на ступицу (или наоборот) передается с помощью специальных выступов (зубьев) на внешней цилиндрической поверхности вала, заходящих в соответствующие им пазы (шлицы) на внутренней цилиндрической поверхности ступицы и наоборот. Естественно, что материалом для получения шлицов являются материалы вала и ступицы, для изготовления которых обычно выбирают среднеуглеродистые, стали, типа сталь 45, реже легированные стали, типа сталь 40Х.

В силовых машиностроительных конструкциях в настоящее время обычно используются соединения с прямобочными шлицами (рис. 4.2) и эвольвентными шлицами (рис. 4.3).

Рис. 4.2. Соединение с прямобочными шлицами

Рис. 4.3. Соединение с эвольвентными шлицами

Из соединений с прямобочными шлицами наиболее распространены соединения с центрированием по наружному диаметру (рис. 4.2) или внутреннему диаметру . Геометрические параметры и этих соединений стандартизованы и выбираются по справочным таблицам ГОСТ 1139-80 [2] в зависимости от их номинального внутреннего диаметра , равного диаметру отверстия в заготовке ступицы, и серии (табл. 4.2). Стандарт предусматривает три серии: легкую среднюю и тяжёлую. Для одного и того же диаметра с переходом от легкой серии к средней и тяжелой возрастает наружный диаметр и увеличивается число шлицов , При этом их ширина уменьшается, а фаска практически не меняется. Поэтому соединения средней и тяжелой серий отличаются повышенной нагрузочной способностью.

Таблица 4.2

Геометрические характеристики прямобочных шлицов из ГОСТа 1139-80

, мм
Легкая серия
, мм
, мм
, мм	0, 3	0, 4	0, 5
Средняя серия
, мм
, мм
, мм	0, 3	0, 4	0, 5
Тяжёлая серия
, мм
, мм
, мм	0, 3	0, 4	0, 5

Эвольвентные шлицевые соединения технологичнее прямобочных и обладают большей нагрузочной способностью. Центрирование в соединениях с эвольвентным профилем шлицов выполняют, как правило, по их боковым поверхностям (рис. 4.3), реже по наружному диаметру . За номинальный диаметр соединения принимают его наружный диаметр , равный диаметру заготовки вала, и в зависимости от него определяют по справочным таблицам ГОСТа 6033-80 [2] модуль шлицов и их число (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Геометрические характеристики эвольвентных шлицов из ГОСТ 6033-80

, мм	, мм
1, 25
1, 5

Посадки элементов шлицевых соединений также регламентированы указанными выше стандартами и выбираются по соответствующим справочным таблицам [2].

Отказы шлицевых соединений обычно обусловлены смятием и изнашиванием боковых рабочих поверхностей их зубьев. При этом и смятие, и износ зависят от одного и того же фактора – величины напряжений смятия на этих поверхностях шлицов. Следовательно, прочность по напряжениям смятия можно принять в качестве обобщенного критерия работоспособности шлицевых соединений. Тогда в упрощенной расчётной модели при равномерном распределении нагрузки по длине шлицов определение работоспособности соединений сводится к проверке условия

, (4.2)

где - номинальный передаваемый соединением вращающий момент, Нм; - число зубьев (щлицев); - средний диаметр соединения, мм; - высота шлицев, мм; для прямобочных щлицев: , ; для эвольвентных шлицев: , ; - длина шлицев; - коэффициент неравномерности распределения нагрузки по зубьям (шлицам); - допускаемое напряжение смятия; для неподвижных соединений при средних условиях эксплуатации и твердости материала шлицев не более [1].

2. Порядок выполнения работы и оформление её результатов

1. Изучают теоретические основы работы.

2. Путем опытных замеров определяют геометрические характеристики исследуемых валов с приматическими шпонками, с прямобочными и эвольвентными шлицами, и заносят полученные результаты в соответсвующие табл. 4.4…4.6.

Таблица 4.4

Размеры и условное обозначение призматической шпонки

Геометрические характеристики, мм	Результаты измерений
d - номинальный диаметр вала
- ширина шпонки
- высота шпонки
- длина шпонки
- рабочая длина шпонки
Условное обозначение: Шпонка х х ГОСТ 23360-78

Таблица 4.5

Размеры и условное обозначение прямобочных шлицев

Геометрические характеристики, мм	Результаты измерений
d - номинальный внутренний диаметр
- наружный диаметр шлицов
- ширина шлицев
- фаска шлицев
- число шлицев
- длина шлицов
Условное обозначение: D -10х46х56 Н 7/ js 6x7 D 9/ js 7ГОСТ 1139-80

Таблица 4.6

Размеры и условное обозначение эвольвентных шлицев

Геометрические характеристики, мм	Результаты измерений
- номинальный внешний диаметр
- модуль шлицев
- число шлицев
- длина шлицев
Условное обозначение; 35х2х9 Н /9 g ГОСТ 6033-80

3. Используя табл. 4.1…4.3, уточняют стандартные размеры исследуемых изделий и заносят в табл. 4.4…4.6 их условные обозначения.

4. Рассчитывают максимальный вращающий момент , передаваемый каждым из исследуемых соединений, исходя из условий их прочности.

Для соединения с призматической шпонкой с учётом (4.1) и определённых ранее значений геометрических характеристик вала и шпонки рассчитывают как

. (4.3)

Для обоих видов шлицевых соединений с учётом (4.2) и определённых ранее значений геометрических характеристик вала и шлицев вычисляют согласно

. (4.4)

Выводы

В выводах указывают основные результаты работы, сопоставляют полученные результаты с данными учебной литературы [1, 2], дают сравнительную оценку нагрузочной способности исследованных соединений и корректности проведённых исследований.

Контрольные вопросы

1. К какому типу соединений деталей машин относятся шпоночные и шлицевые соединения?

2. Каково основное назначение шпоночных и шлицевых соединений?

3. Какие из размеров шпоночных соединений с прямобочными шлицами и с эвольвентными шлицами называются номинальными и почему?

4. Каким образом центрируют шпоночные соединения, соединения с прямобочными шлицами и соединения с эвольвентными шлицами?

5. Какие посадки рекомендуются для шпонки в паз вала и в паз ступицы?

6. Почему шпоночные соединения с призматическими стандартными шпонками проверяют на прочность только по напряжениям смятия?

7. Что принимают за обощённый критерий работоспособности шлицевых соединений?

8. В чём заключается различие между лёгкой, средней и тяжёлой сериями стандартных прямобочных шлицев?

9. Какими преимуществами обладают эвольвентные шлицевые соединения относительно соединений с прямобочными шлицами?

10. Какое из исследованных соединений и почему обладает большей нагрузочной способностью по передаваемому вращающему моменту?