Соединения деталей машин: разъёмные и неразъёмные

     Натягом N называется положительная разность диаметров вала и отверстия: N = B – A. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр d посадочных поверхностей становится общим. При этом на поверхности возникают удельное давление р и соответствующие ему силы трения. Силы трения обеспечивают неподвижность соединения и позволяют воспринимать вращающий момент в осевую силу. Защемление вала во втулке позволяет, кроме того, нагружать соединение изгибающим моментом.

     Нагрузочная способность соединения, прежде всего, зависит от натяга, величину которого устанавливают в соответствии с  нагрузкой. Практически натяг не очень невелик, он измеряется микрометрами и не может быть выполнен точно. Неизбежные погрешности приводят к рассеиванию натяга а следовательно и к рассеиванию нагрузочной способности соединения.

     Сборку  соединения выполняют одним из трех способов: прессованием, нагревом втулки , охлаждением вала.

     Прессование – распространенный и несложный способ сборки. Однако этому способу свойственны недостатки: смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных поверхностей, возможность неравномерных деформаций деталей и повреждения от торцов. Шабровка и смятие шероховатостей приводят к ослаблению прочности соединения до полутора раз по сравнению со сборкой нагревом или охлаждением. Для облегчения сборки и уменьшения шабровки концу вала и краю отверстия рекомендуется придавать коническую форму.

     Шабровка  поверхностей контакта устраняется  полностью при сборке по методу нагревания втулки (200 - 400˚С) или охлаждения вала (твердая углекислота -79 ˚С). Недостатком метода нагревания является возможность изменения структуры металла, появления окалины и коробления. Метод охлаждения свободен от этих недостатков.

      Оценка и область применения

     Основное  положительное свойство соединения с натягом – его простота и  технологичность. Это обеспечивает сравнительно низкую стоимость соединения и возможность его применения в массовом производстве. Хорошее  центрирование деталей и распределение нагрузки по всей посадочной поверхности позволяют использовать соединение в современных высокоскоростных машинах.

     Существенный  недостаток соединения с натягом  – зависимость его нагрузочной  способности от ряда факторов, трудно поддающихся учету: широкого рассеивания величин коэффициента трения и натяга, влияние рабочих температур на прочность соединения и т.д. К недостаткам соединения также относятся наличие высоких сборочных напряжений в деталях и уменьшение их сопротивления усталости вследствие концентрации давления у краев отверстия. Влияние этих недостатков снижается по мере накопления результатов экспериментальных и теоретических исследований, позволяющих совершенствовать расчет, технологию и конструкцию соединения. Развитие технологической культуры и особенно точности производства деталей обеспечивает этому соединению все более широкое применение. С помощью натяга с валом соединяют зубчатые колеса, маховики, подшипники качения, роторы электродвигателей, диски турбин и др. Соединения с натягом могут быть основными вспомогательными. В первом случае большая доля нагрузки воспринимается посадкой, а шпонка только гарантирует прочность соединения. Во втором случае посадку используют для частичной разгрузки шпонки и центрирования деталей.  

               3. Разъёмные соединения 

                       3.1  Резьбовые соединения

     Соединение  деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемного соединения. К ним относятся соединения с помощью болтов, винтов, шпилек, винтовых стяжек и т.д.  

                    3.1.1 Резьба

          Резьба – выступы, образованные на основной поверхности винтов или гаек и расположенные по винтовой линии.

     Классификация резьб:

1. По форме профиля:
• упорные;
• треугольные;
• прямоугольные;
• круглые;
• трапецеидальные;
2. По форме основной поверхности:

• цилиндрические;

• конические;

3. По назначению:

• крепежные;
• ходовые;
• специальные;

4. По направлению винтовой линии:

• правые;
• левые.

 

     Методы  изготовления резьбы:

1. Нарезкой вручную метчиками или плашками. Способ малопроизводительный. Его применяют в индивидуальном производстве и при ремонтных работах.
2. Фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы.
3. Накаткой на специальных резьбонакатных станках-автоматах. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготовляют большинство резьб стандартных крепежных изделий. Накатка существенно упрочняет резьбовые детали.
4. Литьем на деталях стекла, пластмассы, металлокерамики и др.

     Основными элементами резьбы являются диаметр  наружный d, средний d2 и внутренний d1; шаг S, угол профиля а, высота профиля h (рис. 1) 
 

     

            Рис. 1 Элементы резьбы 

              3.1.2. Основные типы крепежных деталей 

     Для соединения деталей применяют болты, винты, шпильки с гайками (рис.2).

     Болтом называется крепежная деталь, представляющая собой цилиндрический стержень, как правило, с шестигранной головкой на одном конце и винтовой резьбой на другом. Головки болтов могут иметь и другую форму: квадратную, прямоугольную, полукруглую с квадратными головками или усом.

     Винт отличается от болта наличием прорези (шлица) под отвертку. Винты подразделяются на два типа: крепежные и установочные. Основные типы крепежных винтов различаются по форме головки (цилиндрическая, полукруглая, потайная, полупотайная).

     Шпилька – цилиндрический стержень, на обоих концах которого нарезана резьба.

     Гайка представляет собой деталь призматической формы, снабженную сквозным, а иногда глухим осевым резьбовым отверстием. 

     

     Рис. 2 а — болт; б — винт; в - шпилька; г — установочный винт; д — гайка; e — пружинная шайба; ж — деформируемая шайба; з — плоская шайба 

     Основным  преимуществом болтового соединения (рис.3) является то, что при нем не требуется нарезать резьбу в соединяемых деталях. К недостаткам можно отнести следующее: обе соединяемые детали должны иметь место для расположения гайки или головки винта; при завинчивании и отвинчивании гайки необходимо удерживать головку винта от проворачивания; по сравнению с винтовым болтовое соединение несколько увеличивает массу изделия и искажает его внешние очертания.  
 

     

     Рис.3 Болтовое соединение, Винтовое соединение.   

     Винты и шпильки применяют в тех  случаях, когда постановка болта  невозможна или нерациональна. Например, нет места для размещения гайки, нет доступа к гайке, при большой толщине детали необходимо глубокое сверление и длинный болт и т.п.

     Если  при эксплуатации деталь часто снимают  и затем снова ставят на место, то ее следует закреплять болтами  или шпильками, так как винты в многократном завинчивании может повредить резьбу в детали. Повреждение резьбы в этом случае более вероятно, если деталь изготовлена из малопрочных хрупких материалов, например из чугуна, дюралюминия и т.п.

     Подкладную  шайбу ставят под гайку или головку винта для уменьшения смятия детали (гайкой, если деталь сделана из менее прочного материала(пластмассы, дерева и т.д.), предохранения чистых поверхностей деталей от царапин при завинчивании гайки(винта); перекрытия большого зазора отверстия. В других случаях подкладную шайбу использовать нецелесообразно. Кроме подкладных шайб применяют стопорные или предохранительные шайбы, которые предохранят соединение от самоотвинчивания.

     Шпонки  – это конструктивный элемент, служащий для соединения с валом деталей передающих вращательное и колебательное движение. По конструкции шпонки делятся на призматические, сегментные, клиновые (рис.4). 

     

     Рис. 4 Шпонки: а – призматическая; б – сегментная, в – клиновая. 

          3.1.3 Способы стопорения резьбовых соединений 

     Самоотвинчивание  разрушает соединение и может  привести к аварии. Предохранение  от самоотвинчивания весьма важно для  повышения надежности резьбовых  соединений и совершенно необходимо при вибрациях, переменных и ударных нагрузках. Вибрации понижают трения и нарушают условие самоторможения в резьбе.

     Существует  много способов стопорения или предохранения  от самоотвинчивания:

     1. Повышают и стабилизируют трение  в резьбе путем постановки контргайки, пружинной шайбы, применения резьбовых пар в резьбе и т.п. контргайка создает дополнительное натяжение и трение в резьбе. Пружинная шайба поддерживает натяг и трение в резьбе на большом участке самоотвинчивания. Кроме того, упругость шайбы значительно уменьшает влияние вибрации на трение в резьбе, а остальные кромки ее прорези затрудняют поворот гайки (головки винта) относительно детали при отвинчивании.

     2. Гайку жестко соединяют со стержнем винта, например, с помощью шплинта или прошивают группу винтов проволокой. Способы стопорения этой группы позволяют производить только ступенчатую регулировку затяжки соединения.

     3. Гайку жестко соединяют с деталью, например, с помощью специальной шайбы или планки.  

                            3.2 Клеммовые соединения 

     Применяют для закрепления деталей на осях и валах, цилиндрических колоннах, кронштейнах  и т.д.

     По  конструктивным признакам различают  два типа клеммовых соединений: а) со ступицей, имеющей прорезь; б) с разъемной ступицей. Разъемная ступица несколько увеличивает массу и стоимость соединения, но при этом становится возможным устанавливать клемму в любой части вала независимо от формы соседних участков и других расположенных на валу деталей.

     При соединении деталей с помощью  клемм используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов, но клеммовые соединения не рекомендуют применять для больших нагрузок.

     Достоинство клеммового соединения: простота монтажа и демонтажа, самопредохранение от перегрузки, а также возможность перестановки и регулировки взаимного расположения деталей как в осевом, так и в окружном направлениях. Наличие больших зазоров в соединении может привести к разрушению клеммы от напряжений изгиба. Практически конструкция с большим зазором считается дефектной.  

                 3.3  Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения 

     Служат  для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки  и т.д. Соединения в основном нагружаются  вращающим моментом. 

                3.3.1 Шпоночные соединения

    Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные (в соединении образуется напряжение до приложения внешней нагрузки), а вторая – ненапряженные соединения.

     1) Соединение клиновыми шпонками (например, врезной клиновой шпонкой) характеризуется свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающегося момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки. Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на величину ∆, равную половине зазора и деформации деталей. Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения.

     Клиновая  форма шпонки может вызвать перекос  детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна  оси вала. Обработка паза в ступице  с уклоном шпонки, создает дополнительные технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства. Значительное сокращение применения клиновых шпонок позволяет не рассматривать в настоящем курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.