Соединения типа вал-ступица Шпоночные, шлицевые, штифтовые и профильные

Соединения типа вал-ступица Шпоночные, шлицевые, штифтовые и профильные соединения Упругие элементы (пружины) Лекция № 16 1

Соединения с натягом – разностью посадочных размеров – осуществляют за счет сил упругости от предварительной деформации деталей. Соединяют детали с соосными цилиндрическими и коническими (редко) поверхностями. Способы соединения с натягом: • Механический • Термический Достоинства соединения с натягом: Недостатки соединения с натягом: • Простота в изготовлении • Сложность монтажа – демонтажа и • Обеспечивают хорошее центрирование и возможность повреждения поверхностей фиксирование взаимного расположения • Склонность к контактной коррозии из-за сопрягаемых деталей неизбежных осевых микросмещений • Могут воспринимать значительные • Пониженная прочность при переменных статические и динамические нагрузки нагрузках 2

Критерии работоспособности Виды повреждений соединений с натягом Сползание (взаимное осевое смещение) Разрушение деталей соединения Запас сцепления Наибольший натяг Несущая способность Прочность Критерии работоспособности 3

Несущая способность Нагрузка (осевая сила, вращающий момент) от одной детали к другой передается за счет сил сцепления, наибольшее значение которых равно силам трения. Условие взаимной неподвижности деталей соединения имеет вид: Q – внешняя сдвигающая сила; Ff – сила сцепления (трения). Сдвигающая сила может быть осевой F a и тангенциальной F t (от действия вращающего момента). Тогда результирующая сила равна: 4

Несущая способность Сила сцепления образуется на поверхности контакта благодаря контактным напряжениям q. – удельная сила трения; q H – среднее контактное напряжение; d и l – диаметр и длина сопряжения. Условие неподвижности: 5

Несущая способность Нагрузочная способность соединения определяется (при заданных материалах и размерах) контактными напряжениями: k = 1. 5… 2. 0 – коэффициент запаса сцепления, учитывающий рассеяние коэффициентов трения и погрешности формы поверхностей, переменность нагрузки, … коэффициенты трения 6

Натяг Расчетный радиальный натяг: Р – расчетный диаметральный натяг равен разности посадочных диаметров d B и d A идеально точных деталей; u 1 и u 2 – радиальные перемещения точек поверхности деталей 1 и 2. . 7

Натяг В предварительном расчете полагают, что контактные напряжения распределены равномерно и решают задачу Ламе о сопряжении двух толстостенных цилиндров. Коэффициенты радиальной податливости 1 и 2 равны соответственно: – расчетное значение диаметрального тогда натяга, обеспечивающее передачу нагрузки от одной детали к другой. 8

Прочностная надежность Натяг вызывает в соединяемых деталях радиальные r и окружные напряжения . НАПРЯЖЕНИЯ в охватываемой детали в охватывающей детали (вале): (ступице): Наибольшие напряжения возникают у внутренней поверхности охватывающей детали ( d * = d ). Условие отсутствия пластических деформаций: Наибольшие напряжения в зоне контакта: Соответствующий напряжениям наибольший натяг: Посадку выбирают, сравнивая расчетные и стандартные значений min и max. 9

Шпоночные соединения Шпоночное соединение – соединение зацеплением с помощью шпонки соосных деталей с цилиндрическими (коническими) поверхностями контакта. 10

Шпоночные соединения Шпонка – специальная деталь, размещаемая в пазах вала и ступицы. Ее используют как для передачи вращающего момента, так и для направления осевого перемещения ступицы по валу (направляющая шпонка). 11

Шпоночные соединения Достоинства шпоночных соединений: Недостатки шпоночных соединений: • Простота конструкции и низкая стоимость • Необходимость ручной пригонки • Стандартные элементы • Сложность обеспечения концентричности • Удобство монтажа – демонтажа • Не обеспечивают взаимозаменяемости 12

Шпоночные соединения • НЕНАПРЯЖЕННЫЕ • призматические шпонки – наиболее широко применяются, имеют небольшую глубину врезания, легко монтируются и демонтируются, применяются в соединениях с натягом • сегментные шпонки – глубоко врезаются в вал, не применяются в тяжело нагруженных валах, не перекашиваются под нагрузкой, взаимозаменяемы • НАПРЯЖЕННЫЕ • клиновые шпонки – способны передавать вращающий момент, осевую силу и ударные нагрузки, снижают точность соединения, имеют ограниченное применение 13

Критерии работоспособности Виды повреждений шпоночных соединений СМЯТИЕ рабочих поверхностей СРЕЗ шпонок Напряжения смятия Напряжения среза Прочность Критерии работоспособности 14

Расчет на прочность Прочностную надежность шпоночных соединений оценивают по напряжениям сжатия см на рабочих гранях. Эти напряжения находят из условия равновесия вала (ступицы), полагая, что напряжения в зоне распределены равномерно: T – вращающий момент; l Р – рабочая длина шпонки; t 2 = 0. 4 h – глубина врезания шпонки в ступицу; [ см] – допускаемое напряжение смятия (табличное значение). Рабочая длина шпонки равна: Проверку прочности на срез для шпоночных соединений обычно не производят. 15

Шлицевые соединения Шлицевое соединение – соединение зацеплением с помощью шлицев соосных деталей с цилиндрическими (коническими) поверхностями контакта. Конструктивно подобно многошпоночному соединению. Применяются для неподвижного и подвижного соединения валов со ступицами. 16

Шлицевые соединения Достоинства шлицевых соединений: • Значительную несущую способность Недостатки шлицевых соединений: • Имеют малые радиальные габариты • Сложность изготовления шлицев • Обеспечивают взаимозаменяемость • Износ шлицев • Обеспечивают хорошее центрирование • Стандартизованы эвольвентные шлицы прямобочные шлицы треугольные 17 шлицы

Шлицевые соединения Шлицевые соединения: • с ПРЯМОБОЧНЫМИ зубьями – широко распространены в машиностроении, число зубьев z = 6… 20, стандартизованы • с ЭВОЛЬВЕНТНЫМИ зубьями – более технологичны, имеют высокую точность и прочность, выполняются с большим количеством зубьев z = 6… 82, стандартизованы • с ТРЕУГОЛЬНЫМИ зубьями – применяют в основном в приборостроении, при ограниченных радиальных габаритах и в неподвижных соединениях, отраслевые стандарты эвольвентные шлицы прямобочные шлицы треугольные 18 шлицы

Критерии работоспособности Виды повреждений шлицевых соединений СМЯТИЕ поверхностей Износ поверхностей Усталостное разрушение Напряжения смятия Угол перекоса Запас прочности Прочность Износостойкость Выносливость Критерии работоспособности 19

Расчеты шлицевых соединений Прочностную надежность шлицевых соединений оценивают по напряжениям сжатия см: d m – средний диаметр соединения; z – число зубьев; h и l – соответственно высота и длина поверхности контакта зубьев; = 0. 7… 0. 8 – коэффициент, учитывающий концентрацию контактных давлений на краях соединения. Расчет валов на выносливость (усталость) заключается в определении коэффициента запаса прочности при переменных напряжениях (см. расчет валов). Расчет на износостойкость носит условный характер и ведется в форме определения допускаемого угла перекоса – монтажного или эксплуатационного происхождения 20

Штифтовые соединения применяют при небольших нагрузках преимущественно в приборостроении. Соединение работает на срез и на смятие. 21

Профильные соединения – соединения, в которых ступица (втулка) насаживается на фасонную поверхность вала и таким образом обеспечивается передача вращения. Имеют малую концентрацию напряжений, обладают самоцентрированием , малошумны, но сложны в изготовлении и эксплуатации. Рассчитывают на смятие. 22

Пружины Классификация Пружины и упругие элементы широко используют в конструкциях в качестве виброизолирующих, амортизирующих, аккумулирующих, натяжных, динамометрических и других устройств. По виду воспринимаемой нагрузки: По геометрической форме: • пружины растяжения • пружины винтовые • пружины сжатия • пружины спиральные • пружины кручения • пружины прямые • пружины изгиба • … По назначению: • для создания заданной постоянной силы • для силового замыкания кинематических пар • для выполнения функций двигателя (аккумулятор) • для виброизоляции • для восприятия энергии удара • для измерения сил 23

Пружины Классификация пружина фасонные пружины сжатия растяжения кручения СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРУЖИНЫ стержневая пружина кручения Тарельчатая кольцевая 24 пружина сжатия спиральная пружина кручения пружина изгиба (рессора)

Пружины Основные параметры витых пружин: Индекс пружины характеризует кривизну витка. Пружины с индексом c < 3 применять • диаметр проволоки d не рекомендуется вследствие высокой • средний диаметр D 0 концентрации напряжений в витках. Индекс • индекс пружины c = D 0 / d пружины выбирается в зависимости от • число рабочих витков n диаметра проволоки (табличное значение). • длина рабочей части H 0 Изменяя индекс можно варьировать осевые и • шаг витков t радиальные размеры пружины, не меняя ее • угол подъема витков tg = t/ D 0 жесткость. Материалы пружин: • высокопрочные высокоуглеродистые стали У 9 А, У 12 А, … • марганцовистовая сталь 65 Г • кремнистая сталь 60 С 2 А • хромованадиевая сталь 50 ХФА • цветные сплавы ( берилиевые и кремнемарганцовистые бронзы) – для работы в химически активной среде Для защиты поверхностей пружин их покрывают лаком или промасливают, оксидируют, наносят цинковое или кадмиевое покрытие. 25

Критерии работоспособности Виды повреждений пружин Разрушение витков пружины Допускаемые напряжения Запас прочности Прочность Выносливость Критерии работоспособности 26

Расчет пружин Силовые факторы в поперечном сечении пружины: поперечная сила F и момент Mz. Момент M z может быть разложен на составляющие – крутящий T и изгибающий моменты MИ: Угол витков мал ( 10… 12 ), поэтому полагают, что пружины работают только на кручение. 27

Расчет пружин Условие прочностной надежности пружины растяжения: k = 1 + 1. 45 /c – коэффициент учета кривизны витков (поправка к формуле для кручения прямого бруса, табличное значение, зависит от значения индекса пружины); [ ] – допускаемое касательное напряжение (справочная величина). Диаметр проволоки для изготовления пружины с заданным индексом c прочность: Необходимое число рабочих витков определяют из условия, что при возрастании нагрузки от установочной F min до максимальной F max пружина должна получить заданное перемещение (осадку) : Податливость одного витка пружины равна: 28

Составные пружины 29

Вопросы для самоконтроля o Каковы основные способы соединения вала со ступицей? o Какими способами получают соединения с натягом? o Каковы виды повреждений и критерии работоспособности соединений с натягом? o В чем преимущества и недостатки шпоночных соединений? o Какие виды шпонок применяются в шпоночных соединениях? o Каковы критерии работоспособности шпоночных соединений и как их рассчитывают? o Как рассчитывают шлицевые соединения и в чем их преимущества? o Каковы конструкции штифтовых и профильных соединений вала и ступицы? o Как классифицируют и где применяются пружины? 30 o Каковы достоинства резиновых упругих элементов?