Главная
Лабораторная
работа
Изучение
шпоночных и зубчатых (шлицевых) соединений
1.
Цель работы
- Выяснить назначение шпоночных и шлицевых соединений.
- Ознакомиться с конструкциями изучаемых соединений.
- Определить параметры изучаемых соединений.
- Определить нагрузочную способность шпоночных и
шлицевых соединений.
2. Теоретические
положения
2.1. Описание конструкций шпоночных
соединений
Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух
соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу
этих деталей. Шпонки применяют преимущественно для передачи крутящего момента
от вала к ступице и наоборот.
Шпоночные соединения разделяют на две группы:
ненапряженные, осуществляемые призматическими или сегментными шпонками, и напряженные
– клиновыми шпонками.
Призматические могут быть трех исполнений (рис. 1).
Исполнение
А Исполнение В Исполнение С
Рис. 1
Обычно в соединении ставят одну шпонку. При большой
напряженности можно ставить две шпонки, устанавливаемые под углом 120 или 180 .
Конструкции шпоночных соединений показаны на рис. 2
Призматические шпонки по назначению разделяются на
простые, предназначенные только для передачи крутящего момента (рис.2), а также
направляющие и скользящие, служащие дополнительно для направления при осевом
перемещении детали вдоль вала.
Конструкция направляющей шпонки представлена на рис.3. Направляющие шпонки
дополнительно притягивают к валу винтами. Скользящие шпонки перемещаются вместе
со ступицей вдоль вала. Их применяют при больших перемещениях. Эти шпонки имеют
цилиндрические выступы – головки, которые входят в соответствующие отверстия в
ступицах. Вид скользящей шпонки показан на рис.4.
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Шпонки всех основных видов стандартизованы и их
размеры выбирают по ГОСТам в зависимости от диаметра вала d. Стандартными
является сечение шпонки b x
h.
Длина шпонки l
определяется обычно длиной ступицы lст:
Основным расчетом для призматических шпонок является
условный расчет на смятие в предложении равномерного распределения давления по
поверхности контакта, боковых граней с валом и для простоты расчета полагают,
что плечо сил, действующих на шпонку, равно 0,6d. Тогда условие прочности шпонки на смятие (рис. 5):
где k = 0,4h –
глубина врезания шпонки в ступицу, d – диаметр вала (мм), Т – крутящий момент на валу (Нм), 
– допускаемое напряжение смятия материала шпонки.
Вторым видом ненапряженных шпонок являются сегментные шпонки
(рис.6), которые характеризуются двумя основными параметрами: шириной b и диаметром заготовки d1.
Рис. 6
Ширина и глубина врезания в ступицу выбираются примерно
такими же, как и призматических:
где k=h–t
Обозначение сегментной шпонки:
Шпонка Сегм. 6 х 10 ГОСТ8795 – 68
Шпоночные соединения просты по конструкции и надежны,
но они ослабляют вал и являются концентраторами напряжений. Недостатком
призматических шпонок являются также трудность обеспечения их
взаимозаменяемости, т.е. необходимость ручной пригонки или подбора. Сегментные
шпонки более технологичны, чем призматические, и положение их на валу более устойчиво.
Однако, они требуют более глубокой канавки на валу, и сборка соединения с
сегментной шпонкой сложнее, чем с призматической.
Существует еще
целый ряд ненапряженных шпонок: шестигранные, цилиндрические и торцевые.
2.2. Описание конструкции зубчатых (шлицевых)
соединений
Зубчатые соединения вал – ступица представляют собой
соединения, образуемые выступами – зубьями на валу, входящими во впадины соответствующей
формы в ступице. Эти соединения можно представить как многошпоночные, у которых
шпонки выполнены за одно целое с валом.
Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными имеют:
а) большую несущую способность;
б) большую усталостную прочность вала;
в) лучшее центрирование деталей на валу и лучшее направление
при перемещении детали вдоль вала.
Зубчатые соединения применяются в качестве подвижных и
неподвижных.
В зависимости от формы сечения зубьев различают три
вида соединений:
1) Прямобочные, имеющие на валу зубья постоянной
толщины.
2) Эвольвентные, с профилем зубьев очерченым
эвольвентой.
3) Треугольные, с сечением зуба в форме треугольника.
Прямобочные соединения
в зависимости от нагрузочной способности трех серий: легкой, средней и тяжелой.
Кроме того, эти соединения различают по системе центрирования ступицы на валу:
по боковым граням (рис. 7,а), по
наружному диаметру (рис.7,б), по
внутреннему диаметру (рис. 7,в).
Рис. 7
Центрирование по боковым граням применяется при
передаче больших крутящих моментов, когда не требуется высокой точности центрирования
ступицы и вала. В таком случае возможно перемещение вала в ступице на величину
зазоров, но распределение нагрузки между зубьями оказывается наиболее
равномерным.
В конструкциях, требующих строго соосного расположения
ступицы и вала применяют центрирование по наружному диаметру. Вид центрирования
определяется технологическими условиями – способом получения зубьев на валу и
впадин в ступице. По внутреннему диаметру можно обеспечить более высокие
точности центрирования.
Обозначение шлицевого соединения: Д8 х 36 х 40, где первая цифра обозначает
число зубьев, вторая – диаметр окружности впадин, третья – диаметр окружности
выступов. Буква перед цифрами обозначает способ центрирования (в примере – центрирование
по наружному диаметру ). Другие способы:
b 8 х 36 х
40 то же с центрированием по боковым граням,
d 8 х 36 х
40 – с центрированием по внутреннему диаметру. После обозначения шлицевого
соединения необходимо указать соответствующие поля допусков ( по центрирующей
поверхности и по боковым сторонам зубьев ).
Например:
В эвольвентном зубчатом соединении профили зубьев такие же, как у зубчатых колес.
Поскольку в шлицевом соединении перекатывания нет, высота зубьев уменьшена до
0,9 … 1 модуля и угол профиля рейки увеличен до 30 . Эвольвентные соединения
обладают повышенной прочностью из – за большого числа зубьев и меньшей
концентрации напряжений, связанной с закруглением профиля у основания зуба. Эти
соединения перспективны, их применение ограничивается сложностью изготовления
протяжек, с помощью которых нарезаются шлицы в ступицах.
Центрирование обычно осуществляется по боковым
поверхностям, реже по наружному диаметру.
Соединения треугольного профиля применяют обычно в качестве неподвижных при
стесненных радиальных габаритах. Центрирование в них осуществляется по боковым
граням. Основными геометрическими параметрами являются числа зубьев, модули и
угол впадин.
Зубчатые соединения выходят из строя из-за повреждения
рабочих поверхностей: износа, смятия, заедания.
В качестве расчетного критерия работоспособности принимается смятие
боковых поверхностей шлицев:
где z – число зубьев;
h – высота
поверхности контакта зубьев (мм);
dср – средний диаметр поверхности контакта зубьев (мм);
φ - коэффициент, учитывающий неравномерную работу
зубьев, обычно принимается равный 0,75;
l - длина
поверхности контакта зубьев (мм);
Т – передаваемый крутящий момент (Нм).
Для зубьев
прямоугольного профиля
где f -
высота фаски.
Для зубьев эвольвентного профиля
Для зубьев треугольного профиля
В ответственных случаях, когда требуется плавность работы,
большой срок службы, отсутствие зазоров, малые усилия перемещения применяют
шариковые шлицевые соединения, в которых трение скольжения при осевых перемещениях
заменено трением качения.
3. Методика проведения
испытаний и обработка результатов
3.1. Исследование шпоночных соединений
Ознакомимся на макетах со шпоночными соединениями. С
помощью штангенциркуля замерить ширину шпонки первого исполнения и ширину паза
второго исполнения. Определить размеры стандартного сечения, соответствующего
полученным данным, для чего воспользоваться таблицей 1.
Таблица 1
|
b, мм |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
|
h, мм |
4 |
5 |
6 |
7 |
7 |
8 |
8 |
9 |
10 |
11 |
Измерить длину шпонок l. После этого оценить нагрузочную способность обоих шпоночных
соединений, т.е. определить наибольший крутящий момент Т, который может быть передан данным соединением по формуле (1).
Размер длины шпонки l брать из ряда:
6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25,
32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100.
Величину допускаемых напряжений смятия 
МПа, выбирать в
зависимости от режима работы (по указанию преподавателя) из таблицы 2.
Таблица 2
|
Вид
соединения |
Режим работы |
||
|
Легкий |
Средний |
Тяжелый |
|
|
Неподвижный |
150,0 |
110,0 |
80,0 |
|
Подвижный |
30,0 |
25,0 |
20,0 |
Зарисовать виды шпонок (всех трех исполнений) и
соединений, получаемых при помощи этих
шпонок.
Ознакомиться с направляющей шпонкой, ее конструкцией и назначением. Определить
размеры шпонки, сопоставить со стандартом. Оценить нагрузочную способность по
формуле (1). Дать эскиз шпоночного соединения с направляющей шпонкой. Записать
стандартные обозначения шпонок.
Примеры:
Шпонка А – 18 х 11 х 100 СТ СЭВ 189 – 75 – исполнение
А;
Шпонка В – 18 х 11 х 100 СТ СЭВ 189 – 75 –
исполнение В.
3.2. Исследование шлицевых соединений
Ознакомиться со шлицевыми соединениями,
представленными для выполнения лабораторной работы. Определить вид соединений –
прямобочное, эвольвентное, треугольное.
Отобрать прямобочные соединения. Провести подсчет
числа зубьев, измерить наружные диаметры, данные занести в таблицу.
По таблице 3 определить серию соединения.
Таблица 3
|
Серия |
z |
d1,
мм |
D1,
мм |
b, мм |
|
Легкая |
6 |
23 |
26 |
0,3 |
|
8 |
32 |
36 |
0,4 |
|
|
8 |
46 |
50 |
0,4 |
|
|
8 |
52 |
58 |
0,5 |
|
|
Средняя |
6 |
26 |
32 |
0,6 |
|
6 |
28 |
34 |
0,4 |
|
|
8 |
32 |
36 |
0,4 |
|
|
8 |
36 |
42 |
0,4 |
|
|
8 |
42 |
48 |
0,4 |
|
|
8 |
46 |
54 |
0,5 |
|
|
8 |
52 |
60 |
0,5 |
|
|
Тяжелая |
10 |
23 |
29 |
0,3 |
|
10 |
26 |
32 |
0,4 |
|
|
10 |
28 |
35 |
0,4 |
|
|
10 |
32 |
40 |
0,4 |
Используя внешний осмотр соединений, определить виды
центрирования. Дать эскизы шлицевых валов и соединений. Дать эскизы всех видов центрирования.
Оценить удельную нагрузочную способность всех исследуемых соединений с использованием
формул (2-3). Удельная нагрузочная способность определяется для единицы длины
шлицевого соединения, т.е. при l =
Величины допускаемых напряжений смятия МПа выбрать из
таблицы 4. Режим работы указывает преподаватель.
Таблица 4
|
Тип соединения |
Режим работы |
Поверхность шлицев |
|
|
Без термообр. |
С термообр. |
||
|
Неподвижное |
Тяжелый |
35,0 … 50,0 |
40,0 … 70,0 |
|
Средний |
60,0 … 100,0 |
100,0 …140,0 |
|
|
Легкий |
80,0 …120,0 |
120,0 … 200,0 |
|
|
Подвижное |
Тяжелый |
--- |
3,0 … 10,0 |
|
Средний |
--- |
5,0 … 15,0 |
|
|
Легкий |
--- |
10,0 … 20,0 |
|
Найти шлицевой вал для эвольвентного соединения.
Произвести измерение числа зубьев, наружного и внутреннего диаметров.
Определить модуль, согласовать со стандартным рядом модулей: 1; 1,5; 2; 2,5; 3;
5.
Дать эскиз шлицевого вала с эвольвентным профилем зубьев,
здесь модули выбирать из ряда:
0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5.
Нагрузочная способность определяется по формулам (2) и
(5).
3.3. Ход выполнения работы
1. Ознакомиться со шпоночными соединениями.
2. Провести измерения ширины и длины шпонок.
3. Определить стандартные размеры шпонок.
4. Изобразить эскизы шпонок трех исполнений.
5. Изобразить эскизы шпоночных соединений трех
исполнений.
6. Оценить нагрузочную способность двух шпоночных
соединений.
7. Ознакомиться с зубчатыми соединениями.
8. Произвести измерения прямобочных шлицевых валов и
соединений.
9. Определить вид центрирования.
10. Изобразить эскизы исследуемых шлицевых валов и
соединений.
11. Изобразить эскизы видов центрирования прямобочных
шлицевых соединений.
12. Оценить нагрузочную способность (на единицу длины
соединения) исследуемых зубчатых валов.
13. Произвести измерения зубчатого вала с эвольвентным
профилем (число зубьев, диаметры окружностей
выступов и впадин). Определить модуль.
14. Изобразить эскиз шлицевого вала с эвольвентным
профилем.
15. Оценить нагрузочную способность вала с
эвольвентным профилем (на единицу длины).
4.
Содержание и оформление отчета
4.1 Титульный лист.
4.2 Цель работы.
4.3.
Изучение шпоночных соединений.
4.3.1. Результаты измерений и вычислений (табл. 5)
Таблица 5
|
Тип
шпонок |
bизм |
bcтан |
lизм |
lcт |
Т, Нм |
Обозначение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.3.2. Эскизы шпонок трех исполнений.
4.3.3. Шпоночное соединение трех исполнений.
4.3.4. Оценка нагрузочной способности шпоночных
соединений (расчетные формулы и вычисления).
4.4. Изучение зубчатых (шлицевых) соединений.
4.4.1. Результаты измерений и вычислений (табл. 6)
Таблица 6
|
№ пп |
Вид соединения |
z |
D, мм |
d, мм |
b, мм |
dср, мм |
h, мм |
Серия |
Вид центр. |
Т, Нм |
Обозначение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: если периметр не измеряется и не вычисляется – в
таблице ставить прочерк.
4.4.2. Эскизы шлицевых валов и соединений.
4.4.3. Эскизы видов центрирования.
4.4.4. Оценка нагрузочной способности шлицевых
соединений (расчетные формулы и вычисления).
5.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое " шпоночное соединение ", его
назначение.
2. Классификация шпоночных соединений.
3. Виды призматических шпонок?
4. Конструкция и назначение шпоночных соединений с
направляющими и скользящими шпонками.
5. Как подбираются призматические шпонки?
6. Как проводится расчет призматических шпонок?
7. Что такое " сегментная шпонка"? Дать эскиз конструкции соединения с
сегментной шпонкой.
8. Достоинства и недостатки шпоночных соединений.
9. Что такое зубчатое соединение? Назначение зубчатых соединений.
10. Достоинства и недостатки зубчатых соединений.
11. Виды зубчатых соединений.
12. По каким параметрам различают прямобочные зубчатые
соединения?
13. Виды центрирования шлицевых соединений. От чего
зависит выбор центрирования?
14. Обозначение шлицевых соединений.
15. Дать характеристику зубчатого соединения с
эвольвентным профилем зубьев.
16. Дать характеристику зубчатого соединения с
треугольным профилем зубьев.
17. Как определяется нагрузочная способность зубчатого
соединения?
18. Обозначение шпонок различных исполнений.
19. Из каких материалов изготавливаются шпонки?
20. Каково влияние шпоночных канавок и шлицев на
концентрацию напряжений и условную прочность вала .
email: KarimovI@rambler.ru
Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21
Теоретическая механика Сопротивление материалов
Прикладная механика Строительная механика Теория машин и механизмов
