Шпоночные и шлицевые соединения

Содержание
Введение……………………………………………………………… 3
1. Шпоночные соединения…………………………………………….. 4
1.1. Общие понятия о шпонке и шпоночном соединении……………. 4
1.2. Назначение и краткая характеристика основных типов, область применения шпоночных соединений………………………………. 6
1.3. Достоинства и недостатки, материал для изготовления шпоночных соединений……………………………………………… 10
2. Шлицевые соединения……………………………………………….. 11
2.1 Общие понятия, назначение шлицевого соединения………………. 11
2.2 Классификация шлицевых соединений……………………………... 12
2.3 Достоинства и недостатки шлицевых соединений. Материалы и допускаемые напряжения смятия…………………………………… 16
Заключение…………………………………………………………… 17
Библиографический список………………………………………….. 18
Введение
Дисциплина «Основы метрологии» является одной из важнейших дисциплин, неразрывно связанной с главной задачей современной промышленности — обеспечения высокого качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции. Любая машина, прибор, в общем случае изделие, состоит из деталей, которые являются составными конструкциями различной сложности, состоящими из сборочных единиц (узлов) или отдельных деталей соединенных между собой определенным образом, так чтобы осуществлялись фиксация, направление и перемещение элементов конструкции.
Конструкторская задача заключается в том, чтобы исходя из заданных условий работы деталей и сборочных единиц, подобрать вид соединений деталей, обеспечивающих изготовление надежных и экономичных конструкций.  С этой целью часто применяют разъёмные соединения, к которым относятся шпоночные и шлицевые соединения. Шпоночное и шлицевое соединение применяется практически в любом сложном механизме, что обусловлено его хорошими техническими характеристиками. Шпоночные и шлицевые соединения просты, надёжны, удобны в сборке-разборке, дёшевы, их можно многократно собирать и разбирать без повреждения деталей.
Цель и задачи данной работы: изучить назначение, конструкцию, основные характеристики и виды шпоночных и шлицевых соединений, приобретение необходимых компетенций в изучаемой области знаний, применение полученных знаний в учебной профессиональной деятельности.
1. Шпоночные соединения
1.1.Общие понятия о шпонке и шпоночном соединении
Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента между валом и ступицей. Основные типы шпонок стандартизованы. Конструкции шпонок представлены на рисунке 1: призматические со скругленными  торцами (см. рис. 1, а, в,) ; плоскими торцами (см. рис. 1, б, г ); сегментные ( см. рис. 1,д); клиновые шпонки (см. рис. 1. е, ж, з).
Рисунок 1 – Конструкции шпонок:
а, в — шпонки со скругленными торцами;
б, г — шпонки с плоскими торцами; д — сегментная шпонка;
е, ж, з — клиновые шпонки
Шпоночные соединения – это разборные подвижные или неподвижные соединения двух деталей, с применением специальных закладных деталей шпонок. Шпоночные соединения служат для закрепления на валу (или оси) вращающихся деталей (зубчатых колес, шкивов, муфт и т. п.), а также для передачи вращающего момента от вала к ступице детали или, наоборот, от ступицы к валу.
Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки, маховика и т.д.).  Шпоночное соединение представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 – Шпоночное соединение: вал, ступица, призматическая шпонка
Шпоночные соединения подразделяются на напряжённые и ненапряжённые. Под напряжённым соединением понимается такое соединение, в котором действуют внутренние силы упругости, вызванные предварительной затяжкой (до приложения внешней нагрузки). Напряженные соединения получают с помощью применения клиновых и тангенциальных шпонок. Наибольшее применение нашли неподвижные ненапряжённые шпоночные соединения. Ненапряжённое шпоночное соединение осуществляется стандартными призматическими и сегментными шпонками.
При проектировании и конструировании шпоночных соединений следует придерживаться рекомендаций из опыта эксплуатации и аналитических выводах:
перепад диаметров ступеней вала с призматическими шпонками назначают из условия свободного прохода детали большего посадочного диаметра, без удаления шпонки из паза на участке меньшего диаметра;
при наличии нескольких шпоночных пазов на валу их располагают на одной образующей;
из удобства изготовления рекомендуют для разных ступеней одного и того же вала назначать одинаковые по сечению шпонки, исходя из ступени меньшего диаметра;
постановка нескольких шпонок в одном соединении сильно ослабляет вал, поэтому рекомендуется в этом случае перейти к шлицевому соединению.[1]
1.2. Назначение и краткая характеристика основных типов, область применения шпоночных соединений
Соединение призматической шпонкой. Призматические шпонки применяются трёх видов: закладные, направляющие и скользящие. По форме исполнения торцов призматические шпонки бывают с двумя закруглёнными торцами, с одним закруглённым и другим прямым торцами и с двумя прямыми торцами. На рисунке 3 представлено неподвижное соединение призматической шпонкой.
Рисунок 3– Неподвижное соединение призматической шпонкой
На рисунке 4 представлено подвижное соединение призматической шпонкой.
Рисунок 4 – Подвижные соединения призматической шпонкой 
а) направляющая шпонка; б) скользящая шпонка
Закладные шпонки применяются в неподвижных соединениях, ступица неподвижна относительно вала, (см. рис. 3), направляющие и скользящие шпонки – в подвижных.
Направляющая шпонка (см. рис. 4, а) крепится в пазу вала, а вращающаяся вместе с валом и имеющая возможность скольжения вдоль его продольной оси ступица при движении скользит стенками своего паза по закреплённой на валу шпонке. Скользящая шпонка (см. рис. 4, б) закрепляется неподвижно в пазу ступицы и при движении последней скользит в пазу вала. Поперечные размеры призматических шпонок стандартизованы для различных диаметров валов.
Соединение сегментной шпонкой. Представляют собой сегментную пластину, заложенную закругленной стороной в паз соответствующей формы, профрезерованный на валу.  Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов и часто применяют для конических концов валов. Сегментные шпонки (ГОСТ 24071-80) и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже (шпонки свободно вставляют в паз и вынимают). Широко применяют в серийном и массовом производстве. Заглубление сегментной шпонки и её форма в виде сегмента прямого кругового цилиндра позволяет устанавливать шпонку в паз вала без натяга, что, в свою очередь, облегчает сборку соединения и обеспечивает выполнение условий взаимозаменяемости, то есть позволяет использовать шпонку без предварительной подгонки. Сегментные шпонки так же, как и призматические, стандартизованы, причём в обоих случаях стандарт составлен так, что прочность шпонки на срез по границе прилегания вала и ступицы всегда выше прочности боковых поверхностей шпонок по напряжениям смятия. Соединение сегментной шпонкой представлено на рисунке 5.
Рисунок 5– Соединение сегментной шпонкой
Соединение цилиндрической шпонкой по условиям изготовления и сборки соединения применяют на концевых участках валов, представлено на рисунке 6.
Рисунок 6–Соединение цилиндрической шпонкой
Шпонку в этом случае устанавливают с некоторым натягом. Гнездо под установку цилиндрической шпонки засверливают и развёртывают в соединяемых деталях совместно. Такая технология изготовления соединения требует, чтобы материалы вала и ступицы не сильно отличались по показателям прочности и твёрдости, с одной стороны, а с другой неудобна к применению в массовом производстве, поскольку не обеспечивает условий взаимозаменяемости. По этой причине в массовом производстве цилиндрические шпонки почти не применяются.
Соединение тангенциальной и клиновой шпонкой применяются в напряжённых соединениях. Как тангенциальные, так и клиновые шпонки стандартизованы. Тангенциальная шпонка состоит из двух деталей, каждая из которых выполнена в форме призматического клина с прямоугольным поперечным сечением. Соединение тангенциальной шпонкой представлено на рисунке 7.
 Рисунок 7– Соединение тангенциальной шпонкой
Уклон клина обычно составляет 1:100. Тангенциальные шпонки наиболее широко применяются в тяжёлом машиностроении, для крупных валов, нагруженных переменными нагрузками (силами и моментами) большой интенсивности.
Клиновые шпонки передают момент посредством сил трения, возникающих при взаимодействии шпонки с поверхностями паза вала и паза ступицы, перпендикулярными радиусу (дном шпоночных пазов вала и ступицы). В этих соединениях ступицу устанавливают на валу с небольшим зазором.
Клиновую шпонку забивают в пазы вала и ступицы, в результате на рабочих широких гранях шпонки создаются силы трения, которые могут передавать не только вращающий момент, но и осевую силу. Соединение клиновой шпонкой представлено на рисунке 8.
Рисунок 8– Соединение клиновой шпонкой
а) продольный разрез; б) напряжённое состояние после сборки;
в) усилия в шпоночном пазе вала в процессе работы
Клиновые шпонки работают широкими гранями. По боковым граням имеется зазор. Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах. Они хорошо воспринимают ударные и знакопеременные нагрузки.[2,3]
1.3 Достоинства и недостатки, материал для изготовления шпоночных соединений
К достоинствам шпоночных соединений можно отнести простоту большинства типов шпонки. При этом монтаж и замена такой детали выполняется легко и быстро. Благодаря чему они получили широкое применение в машиностроении. Также обеспечивает функцию предохранения.
К недостаткам относиться ослабление ступицы и вала. Оно возникает исходя из повышенного напряжения и уменьшения поперечного сечения. Также ослабление деталей вызвано из-за нарезанного паза, который снижает осевую прочность вала. Чтобы минимизировать недостатки, нужно добиться отсутствия перекоса шпонки в пазе. Для этого нужно обеспечить отсутствие зазора, что делается путем индивидуального изготовления и подгона шпонки. Из-за этого в крупносерийном производстве редко применяют любые разновидности шпоночных соединений. Если добиться отсутствия перекоса не удалось, площадь рабочего контакта уменьшается, вследствие чего степень максимальной нагрузки уменьшается. Также наличие зазора вызывает эффект биения, особенно на высоких скоростях. Это приведет к быстрому износу рабочих деталей. Из-за этого подобное соединение редко применяется для быстровращающихся валов. Для подбора подходящей шпонки лучше использовать таблицу шпоночных соединений.
Для изготовления шпоночного соединения применяют калибровочный металлопрокат. Чаще всего используется сталь марки 45. Она относиться к углеродистым сталям обычного типа, которая часто применяется для производства деталей высокой прочности. Сталь используется в виде бруска длиной 1 м. В некоторых случаях может применять углеродистая сталь марки 50. Она необходима, когда требуется повышенные прочностные свойства полученных шпонок. Реже применяются легированные стали, например, марки 40х, для которой характерен высокий показатель твердости, достигаемый путем термической обработки.[4]
2. Шлицевые соединения
2.1 Общие понятия, назначение и область применения шлицевого соединения
Шлицевое соединение – это зубчатое соединение, состоящее из шлицевого вала и шлицевой втулки. Это соединение, так же, как и шпоночное, позволяет передавать крутящий момент. Передавая вращательное движение с вала на втулку или ступицу и наоборот, шлицевые соединения способны выдержать значительно большие нагрузки, чем шпоночные, так как каждый зуб шлицевого соединения, входя во впадину ступицы, работает как шпонка, выполненная непосредственно на валу, и является единым целым с валом. Шлицевое соединение представлено на рисунке 9.
Рисунок 9– Шлицевое соединение
Рабочими поверхностями являются боковые стороны выступов.Выступы на валу выполняют фрезерованием, строганием или накатыванием в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Впадины в отверстии ступицы изготовляют протягиванием или долблением.
Шлицевые соединения нашли широкое применение в тракторостроении, авиационной и станкостроительной промышленности. Шлицевые соединения применяются для посадок с натягом или с зазором таких деталей, как зубчатые колёса, шкивы, втулки и др. на валу.[4]
2.2 Классификация шлицевых соединений
 По характеру соединения шлицевые соединения могут быть:
- подвижными , деталь может перемещаться по валу в осевом направлении (например, перемещение зубчатых колес в коробках передач станков, автомобилей и т.д.);
- неподвижными, для закрепления детали на валу.
По форме профиля зубьев шлицевые соединения делят:
- прямобочные;
- эвольвентные;
- треугольные.
По способу центрирования (обеспечения совпадения геометрических осей вала и ступицы) ступицы относительно вала:
- с центрированием по наружному диаметру;
- с центрированием по внутреннему диаметру;
- с центрированием по боковым поверхностям зубьев.
При этом зазор в контакте поверхностей: центрирующих практически отсутствует, нецентрирующих – значительный. На рисунке 10 представлены виды шлицевых соединений по форме профиля зубьев.
Рисунок 10– Виды шлицевых соединений по форме профиля зубьев 
Шлицевые соединения с прямобочным профилем. Соединения с прямобочным профилем (см. рис. 10, а) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Они имеют постоянную толщину выступов.
Стандарт предусматривает три серии соединений с прямобочным профилем: легкую, среднюю и тяжелую, которые различаются высотой и числом z выступов. Тяжелая серия имеет более высокие выступы с большим их числом; рекомендуется для передачи больших вращающих моментов.
Прямобочные шлицевые соединения различают также по способу центрирования. На рисунке 11 представлены способы центрирования шлицевого соединения с прямобочным профилем.
Рисунок 11–Центрирование прямобочных зубчатых соединений:
а – по наружному диаметру; б – по внутреннему диаметру;в – по боковым граням; г – форма сечения ступицы;
д, е – форма сечений вала исполнений  б, вПо наружному диаметру D (наиболее точный способ центрирования) (рис.11,а). Центрирование по наружному диаметру наиболее технологично и рекомендуется при твердости внутренней поверхности ступицы НВ 350. Калибровку центрирующих поверхностей ступицы выполняют протягиванием, а калибровку вала – шлифованием. Этот способ применяется при изготовлении неподвижных соединений в серийном и массовом производствах. Соединение (рис.11,а), во избежание термических короблений, требует чистовой протяжки ступицы после термообработки, поэтому твердость ступицы не может быть выше HRC=30.
По внутреннему диаметру d (при закаленной ступице) (рис.11,б). Центрирование по внутреннему диаметру рекомендуется при высокой твердости материала ступицы, когда калибровка отверстия протяжкой невозможна. В этом случае центрирующие поверхности ступицы и вала доводят шлифованием. Применяется в индивидуальном и мелкосерийном производствах. 
Соединение (рис.11,б) требует шлифовки вала по посадочному диаметру на специальных станках, зато ступица может быть твердой, так как посадочный диаметр шлифуется на обычных внутришлифовальных станках.
По боковым граням (при реверсивной работе соединения и отсутствии жестких требований к точности центрирования) (рис.11,в). Центрирование по боковым поверхностям обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям. Рекомендуется для передачи больших переменных ударных нагрузок при пониженной точности центрирования. 
Соединение (рис.11,в) допускает твердые шлицы на валу и на ступице, однако для обеспечения сборки, считаясь с возможных короблением шлицов при закалке, зазоры в соединении должны быть увеличенными. Зазор в контакте поверхностей: центрирующих практически отсутствует, нецентрирующих значительный. Центрирование по боковым сторонам шлицов эффективно в том случае, когда точность совпадения геометрических осей не имеет существенного значения, но требуется обеспечить прочность соединения в процессе эксплуатации (например, карданные валы в автомобилях) или когда по условиям работы требуются минимальные зазоры по b (например, при действии знакопеременного момента). Этот способ не обеспечивает высокой точности центрирования и применяется редко.
Шлицевые соединения с эвольвентным профилем.
Соединения с эвольвентным профилем (рис. 10,б) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Боковая поверхность выступа очерчена по эвольвенте (как профиль зубьев зубчатых колес). Эвольвентный профиль отличается от прямобочного повышенной прочностью в связи с утолщением выступа к основанию и плавным переходом в основании.
Соединения обеспечивают высокую точность центрирования; они стандартизованы - за номинальный диаметр соединения принят наружный диаметр D. По сравнению с прямобочным, соединение с эвольвентным профилем характеризует большая нагрузочная способность вследствие большей площади контакта, большего количества зубьев и их повышенной прочности. Применяют для передачи больших вращающих моментов. Шлицевые соединения с эвольвентным профилем шлицев считаются наиболее перспективными.
Применяют центрирование по боковым поверхностям S зубьев, реже - по наружному диаметру D. На рисунке 12 представлены соединения с центрированием по боковым поверхностям зубьев (рис.12,а), по наружному диаметру (рис.12,б).
Рисунок 12 –Эвольвентное зубчатое зацепление:
а – центрирование по боковым граням; б – центрирование по наружному диаметру
Шлицевые соединения с треугольным профилем. Соединения с треугольным профилем (рис. 10, в) изготовляют по отраслевым нормалям. Применяют в неподвижных соединениях. Имеют большое число мелких выступов–зубьев (z = 20...70; т = 0,2...1,5мм). Угол β профиля зуба ступицы составляет 30°, 36° или 45°. Применяют центрирование только по боковым поверхностям, точность центрирования невысокая. Применяют для передачи небольших вращающих моментов тонкостенными ступицами, пустотелыми валами, а также в соединениях торсионных валов, стальных валов со ступицами из легких сплавов, в приводах управления (например, привод стеклоочистителя автомобиля). Соединения с треугольным профилем применяют также при необходимости малых относительных регулировочных поворотов деталей. [1,2]
2.3 Достоинства и недостатки шлицевых соединений. Материалы и допускаемые напряжения смятия
Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σв > 500 Н/мм2 (МПа).Большие значения [σ]см принимают при легких режимах работы, когда соединение большую часть времени нагружено моментами, значительно меньшими максимально длительно действующего вращающего момента. В таблице 1 приведены значения [σ]см, принятые с учетом опыта эксплуатации при длительном сроке службы.
Таблица 1. Допускаемые напряжения смятия при средних условиях эксплуатации
Тип соединения [σ]см, Н/мм2≤ 350 HB > 40 HRC
  Неподвижное 60 ... 100 100 ... 140
  Подвижное 20 ... 30 30 ... 60
  Подвижное под нагрузкой - 5 ... 15
Достоинства шлицевых соединений:
- передача больших нагрузок (благодаря большой площади контакта зубьев);
- лучшее центрирование соединяемых деталей (вала и ступицы);
- возможность работы при больших скоростях;
- меньшее число деталей соединения (две детали), меньшая длина ступицы и меньшие радиальные размеры.
Недостатки шлицевых соединений:
- сложная технология изготовления, а, следовательно, более высокая стоимость.[3]
Заключение
В реферате, согласно поставленных цели и задач, отражена и раскрыта тема учебного материала «Шпоночные и шлицевые соединения».
При раскрытии вопросов были детально изучены необходимые теоретические основы и положения, которые позволили сделать определённые выводы:
1) Высокая надежность шпоночного соединения достигается благодаря функции предохранительного узла вала со шпоночным пазом.
2) Разнообразие видов шпоночных соединений позволяет подобрать оптимальный тип соединения, добиться высокой эффективности работы соединения, надежности готовой конструкции и страховку узлов от повреждений при повышении допустимых нагрузок.
3) Шлицы, по сравнению со шпоночным соединением обладают несколькими преимуществами - лучшей прочностью, точностью и технологичностью.
4) Шпонки необходимо подгонять, поэтому их рекомендуется применять в единичном или мелкосерийном производстве. Шлицы, в отличие от шпонок, взаимозаменяемы, и рекомендуется использовать в крупносерийном и массовом производстве.
5) Шлицы считаются более технологичным соединением, чем шпонка, внутренние шлицы изготавливают протягиванием, наружные - фрезерованием (червячными фрезами), долблением, строганием.
В процессе подготовки реферата расширены и закреплены знания в области шпоночных соединений. Тема реферата раскрыта в рамках ориентированных на применение исследовательского подхода, что способствует лучшему усвоению учебного материала. Материал данной работы может использоваться для подготовки к зачёту или экзамену.
Библиографический список
1.Гордин, П.В. Детали машин и основы конструирования: Учебное пособие/ П.В. Гордин, Е.М., Росляков , В.И. Эвелеков.– СПб.: СЗТУ, 2006. –186 с.
2. Горбатюк, С.М. Детали машин и основы конструирования: учеб. / С. М. Горбатюк.– М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. –422с.
3. Бойцова, В. В. Основы стандартизации в машиностроении / В. В. Бойцова.- Изд-во стандартов М., 2000. –263 с.
4. Крылова, Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для ВУЗОВ./ Г.Д.Крылова. – 2-е изд., переработ. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 711 с.
Интернет – источники
http://www.detalmach.ru/lect36.htm
https://studfile.net/preview/5582891/page:11/