Детали машин

Соединение деталей машин с  натягом — разностью посадочных размеров — осуществляют за счет их предварительной деформации. С помощью натяга соединяют обычно детали с цилиндрическими и реже коническими поверхностями контакта (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Соединения с натягом венца червячного колеса с центром (а) и шарикоподшипника с валом  (б)

Соединение деталей с натягом (как узел конструкции) представляет собой сопряжение, в котором передача нагрузки от одной детали к другой осуществляется за счет сил трения (сцепления) на поверхностях контакта, образующихся благодаря силам упругости. Вследствие этого соединение имеет нежесткую фиксацию деталей в осевом и окружном направлениях.

Соединения используют сравнительно часто для посадки на валы и  оси зубчатых колес, шкивов, звездочек и др.

Детали соединяют преимущественно механическим или тепловым способом. При сборке механическим способом охватываемую деталь (например, вал) с помощью пресса (или молотка) устанавливают в охватывающую деталь (например, подшипник) или наоборот. Этот способ используется при сравнительно небольших натягах.

Тепловой способ соединения применяется  при больших натягах и производится путем нагрева охватывающей детали до температуры 300 °С в масляной ванне  или охлаждения (обычно до температуры —150°С) в жидком азоте (или подобной среде) охватываемой детали. Выбор способа зависит от соотношения масс и конфигурации деталей. Обычно охлаждение экономичнее, так как охватываемая деталь имеет меньшую массу. Кроме того, кратковременное охлаждение не приводит к изменению структуры материала, поверхности и сохраняет эффекты предшествующей термообработки детали.

Достоинства соединений с натягом  очевидны: они сравнительно дешевы и просты в выполнении, обеспечивают хорошее центрирование сопрягаемых деталей и могут воспринимать значительные статические и динамические нагрузки. Области применения таких соединений непрерывно расширяются.

Недостатки соединений: высокая  трудоемкость сборки при больших  натягах; сложность разборки и возможность повреждения посадочных поверхностей при этом; высокая концентрация напряжений; склонность к контактной коррозии из-за неизбежных осевых микросмещений точек деталей вблизи краев соединения и, как следствие, пониженная прочность соединений при переменных нагрузках; отсутствие жесткой фиксации деталей.[8] 

 

 6.3. Конические соединения

Конические соединения представляют собой разновидность фрикционных  соединений, используемых для передачи вращающего момента между деталями с соосными посадочными поверхностями. Обычно такие соединения применяют для закрепления деталей на концах валов.

Рис. 6.2. Коническое соединение

Натяг и контактные напряжения в  конических соединениях (в отличие  от цилиндрических соединений) создаются затяжкой.

С увеличением угла (конусности) необходимо увеличивать затяжку соединения для сохранения уровня контактных напряжений.

Обычно из технологических соображений  применяют небольшую конусность. При большей конусности на несущую  способность   соединений    существенное влияние оказывают  погрешности углов конуса вала и ступицы (втулки).

Максимальная сила затяжки устанавливается  из условий прочности (подобно максимальному  расчетному натягу).

Затяжку соединений контролируют диномометрическим ключом или по осевому перемещению ступицы.

В процессе работы возможно ослабление затяжки из-за обмятия поверхностей

Для фиксации осевого положения  иногда используют бурты на валах.[7]

 

 6.4. Клеммовые соединения

Клеммовыми   называют   фрикционные соединения деталей с соосными цилиндрическими посадочными поверхностями, в  которых требуемое радиальное давление (натяг) и фиксация за счет сил трения создаются путем деформации изгиба охватывающей детали затянутыми болтами.

Рис. 6.3 Клеммовое соединение

Эти соединения применяют для передачи вращающего момента и осевой силы между валами, осями и призматическими  деталями (рычагами, щеками сборных  коленчатых валов, частями установочных колец и т. п.). Они допускают установку охватывающей детали в произвольном угловом и осевом положениях по длине гладкого участка вала. 

Применяют соединения, в которых  ступица имеет одну прорезь или разъем.

При проектировании соединения обычно требуется определить силу затяжки, обеспечивающую взаимную фиксацию деталей и передачу требуемого вращающего момента, а также оценить прочность болта (болтов) и охватывающей детали (клеммы) .

Сравнительно точный расчет такого соединения возможен путем решения  контактной задачи методом конечных элементов. В приближенном расчете можно принять, что контактные напряжения от затяжки равномерно распределены по поверхности контакта.[5]

 

 6.5. Шпоночные соединения

Соединения двух соосных цилиндрических деталей (вала и (ступицы) для передачи вращения между ними осуществляется с помощью шпонки 1 (рис. 6.4) — специальной детали, закладываемой в пазы соединяемых вала 2 и ступицы 3.

Рис.6.4 Шпоночное соединение

Иногда призматические шпонки используют в качестве направляющих для осевого перемещения ступицы по валу (направляющие шпонки). Длинные шпонки, размещаемые в пазах валов, крепят винтами. Короткие шпонки размещают также в пазах ступицы.

В машиностроении применяют ненапряженные (без нагрузки) соединения (с помощью призматических и сегментных шпонок) и напряженные соединения (с помощью клиновых шпонок). Шпонки этих типов стандартизованы, их размеры выбирают по ГОСТ 23360—78, ГОСТ 24071—80 и ГОСТ 24068—80.

Основные достоинства соединений состоят в простоте конструкции  и возможности жесткой фиксации насаживаемой детали в окружном направлении.

Однако соединения трудоемки в  изготовлении, требуют ручной пригонки или подбора. Это ограничивает использование  соединений в машинах крупносерийного и массового производства. Не рекомендуется применение соединений для быстровращающихся валов ответственного назначения из-за сложности обеспечения концентричной посадки сопрягаемых деталей.

Основным для соединений является условный расчет на смятие (упругопластическое сжатие в зоне контакта).

На практике сечение шпонки подбирают по ГОСТ 23360—78 в зависимости от диаметра вала, а длину шпонки назначают на 5—10 мм меньше длины ступицы.

Проверку прочности шпонок на срез обычно не производят, так как это  условие удовлетворяется при использовании стандартных сечений шпонок Если условие прочности не выполняется, то соединение образуют с помощью двух шпонок, установленных под углом 120 или 180°.

Соединения характеризуются существенно  неравномерным распределением нагрузки и напряжений как по высоте сечения, так и по длине шпонки. Это вызывает упругопластическое смятие рабочих граней пазов и шпонки, закручивание ее, особенно при наличии зазора между валом и ступицей.  Поэтому длину шпоночных соединений ограничивают, а посадку зубчатых колес, шкивов, полумуфт и других деталей на валы осуществляют с натягом.

 В этом случае шпоночные  соединения по существу выключаются  из работы и оказываются резервными, а шпонки обеспечивают лишь  жесткую фиксацию в окружном  направлении насаживаемых деталей.

Расчет комбинированных соединений следует выполнять по схеме расчета соединений с натягом.

Соединения сегментными шпонками

Сегментные шпонки имеют более глубокую посадку и не перекашиваются под нагрузкой, они не требуют ручной пригонки. Однако глубокий паз существенно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки используют преимущественно для закрепления деталей на мало-нагруженных участках вала (например на входных или выходных хвостовика валов).[4]

 

 

 6.6. Шлицевые соединения

Шлицевое соединение (рис. 6.5) условно можно рассматривать как многошпоночное, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом. По сравнению со шпоночными соединениями они имеют меньшие радиальные габариты, высокую несущую способность, взаимозаменяемы и обеспечивают хорошее центрирование деталей. Эти преимущества позволяют использовать соединения в условиях массового производства конструкций и  при  большей  частоте  вращения валов.

Рис. 6.5 Детали (а) и шлицевое соединение (б): 
1—вал; 2—втулка (ступица)

 

Шлицевые соединения применяют для соединения валов со ступицами различных деталей (зубчатых колес, шкивов, дисков и др.) соединения агрегатов с помощью рессор (валов, работающих на кручение), в транс эмиссиях автомобилей, тракторов, вертолетов, сельскохозяйственных машин, в станках и т. д.

 Соединения обеспечивают жесткое  фиксирование деталей в окружном  направлении и допускают их  взаимные осевые перемещения (подвижные соединения).

По форме поперечного сечения  различают три типа соединений: прямобочные  ГОСТ 1139—80; эвольвентные ГОСТ 6033—80; треугольные (изготовляются по отраслевым стандартам).[6]

 6.7. Штифтовые соединения

Штифтовые соединения применяют при небольших нагрузках преимущественно в приборостроении.

Для исключения выпадения в процессе работы используют штифты: насеченными канавками, вальцованные, резьбовые. Часто для этих же целей производят разведение концов штифтов.

Основные типы штифтов стандартизованы. Их изготавливают из углеродистых сталей 30, 45, 50 и др.

По характеру работы штифтовое соединения подобно заклепочному (работает на смятие). Для расчета соединения используют те же зависимости.

Осевые штифты (круглые шпонки) применяют в машиностроении для  передачи вращающего момента в неразъемных  соединениях.    Материалы детали и вала должны   иметь  примерно  одинаковую   твердость для исключения увода сверла в сторону менее твердого материала.

Многоштифтовые соединения этого  типа по прочности близки к шлицевым.[6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ  МЕХАНИЗМЫ

Для  передачи   механической  энергии от двигателя к исполнительному органу или прибору обычно применяют точные передаточные механизмы. Их пользование, как правило, обусловлено необходимостью   согласования   высокой точности движения выходного звена двигателя    и   низкой   скорости   движения исполнительного органа машины или прибора, а также  регулирования скорости движения исполнительного органа при оптически постоянной скорости движения выходного звена двигателя.

Передаточные механизмы   могут выполнять  и такие функции,  как привод нескольких  исполнительных  органов (с различными скоростями движения) от двигателя; преобразование  сил  и передающих моментов; преобразование вида движения (вращательное, поступательное и др.). Среди передаточных механизмов основное   применение    имеют   механические передачи.

В. зависимости от метода силового «толкания» звеньев различают: механическиё   передачи   зацеплением   и  фрикционные передачи.

По принципу передачи и преобразования движения механические передачи можно подразделить на два типа: кинематические   и   волновые    (динамические).

В кинематических передачах преобразование движения происходит в результате взаимного перемещения (вращательного, поступательного и т. д.) гибких и жестких звеньев как жесткого целого (или кинематически).

В волновых передачах преобразование движения осуществляется за счет пропускания по одному из звеньев волны продольной или поперечной деформации.

Этот сравнительно новый тип  передач применяют в механизмах, в которых требуется реализовать очень большое передаточное отношение при ограниченных габаритах.

Для передачи движения на большие  расстояния (8—10 м и более) в машиностроении широко используют кинематические механизмы, в которых сила от ведущего звена к ведомому передается с помощью гибкого звена (ремня, цепи, стальной ленты, каната, троса и т. п.). В соответствии с типом гибкого звена различают передачи ременные, зубчато-ременные, цепные, ленточные, канатные и т. д.

Передачи гибким звеном в зависимости  от метода силового «замыкания» деталей  подразделяют на передачи фрикционные (ременные, канатные) и зацеплением (цепные, зубчато-ременные).

Передачи с жесткими звеньями также  подразделяют на передачи фрикционные  и зацеплением (зубчатые, гиперболоидные и др.)- Их применяют в широком диапазоне мощностей и скоростей движения. По сравнению с передачами гибкой связью они имеют меньшие габариты, более высокие долговечность, КПД и нагрузочную способность.

Основными внешними характеристиками передач являются передаваемый вращающий   момент   (мощность),   переда-  точное отношение, КПД, масса и  надежность.

Задача конструктора состоит в  выборе оптимального по технико-экономическим  показателям типа передачи и ее конструкции.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 8. РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 8.1. Общие сведения

Ременная передача обычно состоит  из двух шкивов, соединенных между собой ремнем, и натяжного устройства, создающего контактные давления между ремнем и шкивами и обеспечивающего за счет сил трения передачу энергии (рис.8.1). Чаще всего начальное натяжение создается при монтаже передачи (без натяжного устройства).

Рис. 8.1 Схема ременной передачи (а) и сечения ремней: б—плоского; 
в—круглого; г — клинового; д—поликлинового

Обычно с помощью ремня передают движение между параллельными валами, вращающимися в одну сторону. Однако благодаря закручиванию ремня реализуют передачи между параллельными валами с вращением их в противоположные стороны, а также передачи между перекрещивающимися валами.