Шпоночные соединения

Ш поночные соединения служат для закрепления на валу (или оси) вращающихся деталей (зубчатых колес, шкивов, муфт), а также для передачи вращающего момента от вала к ступице детали или, наоборот, от ступицы к валу. Шпоночное соединение образуют вал -1, шпонка-3 и ступица колеса -2. 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. Шпон. соединение позволяет обеспечить подвижное соединение вдоль продольной оси. Достоинства шпон.соединений: простота конструкции, дешевизна- широко применяют во всех отраслях машиностроения. Недостатки: 1.шпоночные соединения нарушают центрирование колеса на валу; 2. шпоночное соединение трудоемко в изготовлении. виды:

А)

1 . Соединение призматич.шпонками (А) – требует изготовления вала и отверстия с большой точностью. Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятения σ_см, а в продольном сечении шпонки – напряжения среза τ. Усл. прочности: σ_см = 4T/(hl_pd) [σ_см]; τ=2T/(bl_pd) [τ], где h –глубина паза; d – диаметр вала; l_p – рабочая длина шпонки; Т – передаваемый момент. На смятие рассчитывают выступающую из вала часть шпонки.

Б)

2. Соединение сегметными шпонками (Б) – разновидность призм.шпонок. Глубокая посадка сегметной шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, но глубокий паз ослабляет вал, поэтому сегм.шпонки применяют для закрепления деталей на малонагруж.участках вала(на концах валов). Длина шпонки l D; b, h,D – стандартизованы. Условие прочности: σ_см = 2T/(kld) [σ_см]

В)

3.Соединение с цилиндр.шпонками (штифтом) (В) - цилинд.шпонку используют для закрепления деталей на конце вала. Условие прочности: σ_см = 4T/(d_шld) [σ_см]

Подшипники качения

Подшипники качения предназначены для поддержания вращающихся осей и валов. Подшипники качения состоят из двух колец — внутреннего 1 и наруж­ного 3, тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4. В процессе работы тела качения катятся по дорожкам качения колец, одно из которых в большинстве случаев неподвижно. Достоинства: 1. Сравнительно малая стоимость вследствие массового производства подшипников; 2. Малые потери на трение и незначительный нагрев; 3. Не требуют особого внимания и ухода; 6. Малые осевые размер. Недостатки: 1. Выс. чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам вследствие большой жесткости конструкции подшипника; 2. Сравнительно большие радиальные размеры; 3. Шум при больших скоростях.Прим-е подш-в качения позволило заменить трение скольжения тр. качения. Классификация:

1)по форме тел качения: а) шариковые; б) роликовые, могут быть с цилиндрическими (б), коническими (в), бочкообразными (г), игольчатыми (д) и витыми роликами(е). 2) по направлению воспринимаемой нагрузки: а) радиальные; б) радиально-упорные; в) упорно-радиальные; г) упорные. 3) по числу рядов тел качения: а) однорядные; б) многорядные. 5) по габаритным размерам — на серии: для каждого типа подшипника при одном и том же внутреннем диаметре имеются различные серии, отличающиеся размерами колец и тел качения -в зависимости от размера наружного диаметра подшипника: сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние и тяжелые; в зависимости от ширины подшипника: узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие. Маркировка: подшипники качения маркируют нанесением на торец колец ряда цифр и букв, условно обозначающих внутренний диаметр, серию, тип, класс точности. Две первые цифры справа обозначают его номинальный внутренний диаметр. Для определения истинного размера d (в миллиметрах) необходимо указанные две цифры умножить на пять. Третья цифра справа обозначает серию диаметров: особо легкая серия — 1, легкая -2, средняя -3, тяжелая -4. Четвертая цифра обозначает тип подшипника. Всего 9. Пятая и шестая цифры справа обозначают отклонение конструкции подшипника от основного типа. Седьмая цифра справа обозначает серию подшипника по ширине. Установлены следующие классы точности подшипников каче­ния: 0 — нормальный класс (в обозначении не указывают); 6 — повышенный; 5 — высокий, 4 — особо высокий, 2 — сверхвысокий. Цифру, обозначающую класс точности, ставят слева от условного обозна­чения подшипника и отделяют от него знаком тире.

Х арактеристика основных типов:

а)

1 .радиальные шариковые подшипники (а)- самый распростр. в машиностроении, наиболее простые и дешевые. Они допускают небольшие перекосы вала и могут воспринимать осевые нагрузки, но меньшие радиальных. При одинаковых габаритных размерах работает с меньшими потерями на трение и при большей угловой скорости вала, чем др. подшипники.

б) в)

Ш ариковый/Роликовый радиальный сферический подшипник (б/в) - предназначен для радиальной нагрузки. Также может воспринимать небольшую осевую нагрузку и применяют, когда допускают значительный (до 2...3°) перекос вала. Он имеет сферич.поверхность наружного кольца и ролики бочкообразной формы. Имеет способность самоустанавливаться. А у роликового подшипника тоже самое, но еще он обладает наибольшей грузоподъемностью др.видов.

г ) Роликовый радиальный подшипник (с цилиндр.роликами)(г) - воспринимает большие радиальные нагрузки, но не воспринимают осевые и плохо работают при перекосах вала. Допускает осевое взаимное смещение колец. Применяется для коротких жестких валов. Грузоподъемность подш. Составляет 1,7 от грузоподъемности шарикового радиального.

д)

Ш ариковый радиально-упорный подшипник (д) - предназначен для комбинированных (радиальных и осевых) или чисто осевых нагрузок. Подшипники, смонтированные попарно, воспринимают осевые силы, действующие в двух направлениях. Применяются при большой частоте вращения.

е)

Р оликовый конический подшипник (е) - воспринимает одновременно радиальную и осевую нагрузки. Применяется при средних и низких скоростях вращения. Обладает большой грузоподъемностью. Удобно регулируется. Подшипники устанавливают попарно.

ж)

Шариковый упорный подшипник (ж) - воспринимает только осевую нагрузку и плохо работает при перекосе оси. Во избежание заклинивания шариков от действия центробежных сил этот подшипник применяют при средней и низкой частоте вращения. 

Критерии работоспособности и расчета подшипников качения Основные причины потери работоспособ-и: 1. Усталостное выкрашивание – наблюд. у подшипников после длительного времени их работы в норм.условиях. 2. Износ – наблюд.при недостаточной зашите от пыли и грязи. Явл.основным видом разрушения подшипников. 3.Разрушение сепараторов - от действия центробежных сил и воздействия на сепаратор тел качения. Явл. основной причиной потери работоспособности быстроходных подшипников. 4. Раскалывание колец и тел качения – связано с ударными и вибрац.перегрузками, неправильным монтажом. При норм.эксплуатации этот вид не наблюдается. 5.остаточные деформации - на дорожках качения (вмятины) вследствие действия ударных нагрузок или больших статических нагрузок без вращения. Расчет по 2м критериям: 1. Расчет на статическую грузоподъемность по остаточным деформациям; 2. Расчет на ресурс ( долговечность) по усталостному выкрашиванию. Расчет подш. качения по статической грузоподъемности: статич.грузупод-ть используют для подбора подшипников при малых частотах вращения n<мин^-1, когда число циклов нагружений мало и не вызывает усталостных разрушений, а также для проверки подшипников, рассчитанных по динам.грузопод-ти. Условие проверки и подбора: Р₀ С₀ , Р₀ – эквивалентная статич.нагрузка, С₀ – статич.грузопод-ть. Статич.грузопод-ть – статич.сила, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта. С₀ – радиальная сила для радиальных и радиально-упорных подшипников; осевую силу для упорных и упорно-радиальных. Эквивал.статическая нагрузка: Р₀ = Х₀F_r+Y₀F_a, но не меньше чем Р₀ = F_r, где F_r и F_a – радиальная и осевая силы; Х₀ и Y₀ – коэф.радиальной и осевой статических сил (по каталогу). Р₀= F_a для упорных подшипников. На статическую грузопод-ть рассчитывают, не вращающиеся подшипники или медленно вращающиеся, восприним. внешнюю нагрузку.

Расчет подшипников качения по динамической грузоподъемности Расчет по заданному ресурсу(долговечности). Выполняют при частоте вращения n 10мин^-1. Условие подбора: С (потребная) С (базовая). Базовая динам.грузопод-ть С - это такая постоянная стационарная сила, которую подшипник может воспринимать в течение 1 млн. оборотов без проявления признаков усталости не менее чем у 90% из определенного числа подшипников, подвергающихся испытаниям. Значения приведены в каталогах. При этом С_r – радиальная сила для радиальных и радиально-упорных подшипников( с невращ.наружным кольцом), С_а – осевая сила для упорных и упорно-радиальных( при вращении 1го из колец). L = a₂ a₂₃ (C/P)^p или С = P , L – ресурс - срок службы подшипников; Р – эквивал.динам.нагрузка; р=3 для шариковых и р 3.33 для роликовых подшипников; а₁ – коэф.долговечности; а₂₃ – обобщенный коэф.совместного влияния качества металла и условий эксплуатации ( по табл.). когда необходимо увеличить надежность, величину а₁ уменьшают. Эквивал.динам.нагрузка Р – для радиальных и радиально-упорных подшипников это такая условная постоянная стационарная радиальная сила P_r, которая при приложении ее к подшипнику с вращ.внутренним кольцом и с неподвижным наружным обеспечивает такую же долговечность,какую подшипник имеет при действительных условиях нагружения и вращения. Для упорных и упорно-радиальных подшипников Р_а – постоянная центральная осевая сила при вращении 1го из колец: { P_r = (XVF_r + YF_a) K_бK_т ; P_a = (XF_r + YF_a) K_бK_Т , где F_r и F_a – радиальная и осевая силы; X и Y – коэф. радиальной и осевой сил( по каталогу); V – коэф.вращения, зависящий от того, какое кольцо подшипника вращается относительно внешней нагрузки; К_б – коэф.безопасности, учитыв.характер нагрузки; К_Т – температ.коэф.

Муфты

М уфты – устройства для соединения концов валов,стержней, труб. Рассмотрим муфты только для соединения валов: это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы. Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Не­которые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках. Современные машины состоят из ряда отдельных частей с входными и выходными концами валов, которые соединяют с помощью муфт(рис). Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью: 1. получения длинных валов, изготовляемых из отдельных частей; 2. придания валам некоторой относительной подвижности во время ра­боты; 3.включения и выключения отдельных узлов; 4. уменьшение динамических нагрузок. Классификация: По характеру соединения валов: а) механические; б)электрические; в) гидравлические. В дм только рассматр.только механические: По режиму соединения валов: 1) неуправляемые(постоянно действующие) - соединяют валы постоянно, образуют длинные валы: а) муфты глухие; б) жесткие; в) упругие. 2) управляемые(сцепные) - соединяют и разъединяют валы в процессе работы: а)муфты кулачковые; б) фрикционные. 3) самоуправляемые (автоматические) - срабатывают автоматически при заданном режиме работы: а) муфты центробежные; б) предохранительные; в) муфты свободного хода. Глухие муфты: образуют жесткое и неподвижное соединение валов, требуют точной центровки валов. Бывают – втулочные и фланцевые муфты. Жесткие муфты: предназначены для соединения валов с компенсацией радиальных, осевых и угловых смещений вследствие неточности изготовления и монтажа. Применяют для понижения требования высокой точности расположения валов и уменьшения вредных нагрузок на валы и опоры. Бывают – кулачково-дисковые и зубчатые муфты. Упругие муфты: смягчают толчки и удары; служат средством защиты от резонансных крутильных колебаний, возникающих вследствие неравномерного вращения; допускают сравнительно большие смещения осей соединяемых валов. Бывают – с неметалич. пругими элементами (резиновыми) и с металлическими упругими элементами.

Кулачковые муфты: Применяются в механизмах, где должно быть обеспечено постоянное передаточное число (металлорежущие станки), а также при передаче больших вращающих моментов, когда переключения производят редко. Недостаток- невозможность включения на быстром ходу. Во избежание ударов и повреждения кулачков включение муфты производят без нагрузки. Фрикционные муфты: служат для плавного сцепления валов под нагрузкой на ходу при любых скоростях. Не допускают несоосности. Бывают – дисковые и конические. Предохранительные муфты: служат для защиты машин от перегрузки; ставят как можно ближе к месту возникновения перегрузки; они могут работать только при строгой соосности валов. Центробежные муфты: соединяют валы тогда , когда угловая скорость превысит заданное значение. Используют для автоматич.включения и выключения исполнит. механизма с помощью регулировки угловой скорости двигателя, для повышения плавности пуска. Муфты свободного хода: предназначены для передачи крутящего момента только в одном заданном направлении (например, для вращения втулки заднего колеса велосипеда). Принцип подбора стандартных муфт: Применяемые в машиностроении муфты стандартизованы. Основным критерием при выборе стандартных муфт является передаваемый вращающий момент. Стандартизованные муфты не рассчитывают. Их выбирают по таблицам справочников. Основной характеристикой при выбо­ре муфт является передаваемый расчетный момент: Т_р = К_рТ [T]_p , где К_р – коэф. режима работы, T- номинальный вра­щающий момент при установившемся режиме работы. Муфты выбирают по соответствующим таблицам по К_р в зависимости от диаметра вала d (учитывают также максимальную угло­вую скорость ω_max). Отдельные детали выбранной муфты проверяют на прочность.