§ 3.5. Клиновые, штифтовые и профильные соединения

Клиновым называется разъемное соединение составных частей изде­лия с применением детали, имеющей форму клина. Клиновые соединения подразделяют на установочные (рис. 3.31, а), предназначенные для регу­лирования и установки нужного взаимного положения деталей, и силовые (рис. 3.31, б, в), предназначенные для прочного скрепления деталей. Кли­новые соединения применяют, например, для регулирования положения подшипников валков прокатных станов, для соединения штока с ползу­ном в паровых машинах или насосах, соединения протяжек с патроном протяжного станка; рассмотренные ранее соединения клиновыми и тангенци­альными шпонками также можно отнести к числу клиновых соединений.

Достоинства клиновых соединений: простота и надежность конструкции, возможность создания и восприятия больших усилий, быст­рота сборки и разборки соединения. Недостатки: значительное ос­лабление сечений соединяемых деталей пазами под клинья, нетехноло­гичность этих пазов и концентрация напряжений, что существенно сократало область применения клиновых соединений в современных конст­рукциях.

Силовые клиновые соединения бывают ненапряженные, в которых нет напряжений до приложения внешней силы F (рис. 3.31, б), и напря­женные, в которых осуществляется предварительный натяг силой Q (рис. 3.31, в, где натяг осуществляется с помощью буртика на стержне). Нена­пряженные соединения применяют при постоянных односторонних на­грузках, напряженные — при знакопеременных нагрузках. Для обеспече­ния самоторможения соединения необходимо, чтобы угол скоса клина был меньше удвоенного угла трения, т. е. а < 2φ.

Критерием работоспособности клинового соединения является прочность. В клиновых соединениях рассчитывают стержень по ослаб­ленному сечению и хвостовую часть стержня на срез, поверхность кон­такта клина со стержнем и втулкой на смятие и клин на изгиб; расчетная схема клина на изгиб показана на рис. 3.31, б.

Напряженное клиновое соединение рассчитывают так же, как нена­пряженное, но по расчетной нагрузке F_p=1,25F.

Штифтовым называется соединение составных частей изделия с применением штифта. Штифтовые соединения применяют для фиксации взаимного положения деталей (рис. 3.32, а, б), при передаче сравнительно небольших вращающих моментов (рис. 3.32, в); для закрепления деталей на конце вала применяется соединение, где штифт выполняет роль круг­лой шпонки (рис. 3.32, г). В качестве распространенного примера можно привести фиксацию двумя штифтами взаимного положения корпуса и крышки редуктора, что необходимо при совместной механической обра­ботке этих деталей и для сборки редуктора.

Достоинства штифтовых соединений: их простота, технологич­ность и низкая стоимость. Недостаток некоторых штифтовых со­единений — ослабление сечения вала отверстием и связанная с этим кон­центрация напряжений.

Конструкция и размеры штифтов регламентированы многими стан­дартами. Основные типы стандартных штифтов представлены на рис. 3.33: конический гладкий (а), конический насеченный (б), цилиндриче­ский гладкий (в), цилиндрический насеченный (г), пружинный (д). Кроме того, стандартизованы штифты цилиндрические насеченные с кониче­скими насечками, штифты цилиндрические и конические с внутренней служит либо для их закрепления, лиоо для извлечения из отверстия при разборке); стандартизованы также штифты конические разводные, штиф­ты цилиндрические закаленные и штифты цилиндрические заклепочные (эти штифты с канавками имеют головки и их применяют вместо гвоздей или шурупов).

Гладкие конические и цилиндрические штифты чаще всего приме­няют в качестве установочных для фиксации взаимного положения со­единяемых деталей; отверстия под штифты в этих деталях сверлят и раз­ворачивают совместно. Цилиндрические штифты ставят в отверстия с натягом; в движущихся соединениях концы штифтов расклепывают. Ко­нические штифты изготовляют с конусностью 1:50, обеспечивающей са­моторможение; они допускают многократную сборку-разборку и поэтому применяются чаще.

Хорошо зарекомендовали себя в качестве крепежных насеченные штифты, так как они не требуют развертывания отверстий при установке, надежно сцепляются при забивании со стенками отверстия, допускают многократную сборку-разборку без заметного ухудшения сцепления.

Пружинные штифты вальцуют из ленты пружинной стали и закали­вают. Ввиду большой податливости их можно устанавливать в грубо об­работанные отверстия, причем обеспечивается надежное сцепление при вибрационных и ударных нагрузках, допускается многократная разборка и сборка.

Штифты обычно изготовляют из углеродистой или пружинной стали, для соединения пластмассовых деталей применяют штифты из пластмасс.

Критерием работоспособности крепежного штифтового соединения является прочность. В соединении (рис. 3.32, в) диаметр d_ш штифта мож­но определить из расчета его н а срез по двум поперечным сечениям; в соединении, показанном на рис. 3.32, г, диаметр d_ш и длина / круглой шпон­ки определяются из расчета на срез по диамет­ральному сечению (один из размеров задается, на­пример, d_ш = 0,25d_в , где d_в — диаметр вала), а за­тем проверяют соединение на смятие, причем условная площадь смятия равна половине площади диаметрального сечения круглой шпонки.

Насеченные штифты рассчитывают так же, как и гладкие, но с коэффициентом ослабления, равным 1,3…1,5.

Профильным называется соединение, у которого сопрягаемые поверхности составных частей изделия имеют форму определенного профиля. Наиболее распространенным примером такого соединения яв­ляется посадка ручек или маховиков на оси и валы с концами квадратного сечения (рис. 3.34).

Более совершенны профильные соединения с оваль­ным контуром, которые могут быть цилиндрическими (рис. 3.35, а) или коническими (рис. 3.35, б); последние применяют при передаче не только вращающего момента, но и осевой нагрузки.

Достоинства профильных соединений по сравнению со шпо­ночными и шлицевыми следующие: в соединениях с овальным контуром практически отсутствует концентрация напряжений, обеспечивается луч­шее центрирование деталей: отсутствие резких переходов в форме сече­ния снижает опасность появления трещин при термообработке. Не­достатком профильных соединений по сравнению со шлицевыми является возникновение действующих на ступицу распорных сил и значи­тельно большие напряжения смятия, в результате чего нагрузочная спо­собность профильных соединений меньше, чем шлицевых.

Расчет профильных соединений заключается в проверке прочности рабочих поверхностей на смятие, прочности и радиальной деформа­ции ступицы.