Фрикционные соединения передачи крутящего момента

11.5 Конусные соединения В конусных соединениях крутящий момент передается трением, возникающим на посадочных поверхностях при затяжке ступицы на валу.

Необходим строгий контроль силы затяжки. При недостаточной затяжке снижается несущая способность соединения, при избыточной — могут появиться опасные для прочности напряжения в охватывающей и охва­тываемой деталях.

Подобно прессовым соединениям - конусные соединения применяют преимущественно в концевых установках.

Конусные соединения можно собирать при любом угловом положении насадной детали на валу. При необходимости выдержать определенное угловое положение в соединение вводят фиксирующие элементы, например легкую шпонку, установочный штифт и др.

Осевое положение насадной детали на валу колеблется из-за производственных откло­нений диаметральных размеров конических поверхностей вала и отверстия ступицы. При затяжке ступица перемещается вдоль вала на величину до нескольких миллиметров. При повторных затяжках положение детали меняется в результате происходящего в эксплуатации смятия посадочных поверхностей.

Рис. 11.23. Конусные соединения

Прессовые конусные соединения (рис. 11.23, а) применяют в глухих и редко разбираемых соединениях, затяжные (рис. 11.23, б, в) — в раз­борных.

Конические поверхности вала и ступицы обрабатывают, как правило, по 7-му квалитету точности, параметры шероховатости Ra = 0,32 — 1,25 мкм.

В ответственных разборных соединениях конусы притирают по краске до получения контакта на площади не менее 80% поверхности конуса.

Для облегчения притирки и повторных переборок целесообразно выпускать конус вала из отверстия ступицы на величину s = 1,4 - 2 мм (виды б, в). Иначе на стенках отверстия в точках q (вид г) при притирке образуется кольцевая ступенька, затрудняющая перемеще­ние ступицы вдоль вала.

Свешивающуюся часть конуса перекрывают чашечной шайбой m (вид б) или кольцевым выступом п на ступице (вид в) с запасом s' на осевое перемещение ступицы при затяжке. Учитывая возможность смятия посадочных поверхностей в эксплуатации, запас делают рав­ным (1,5—2)h, где h — расчетное осевое перемещение втулки при первоначальной затяжке.

Резьба вала также должна быть выполнена с запасом s'.

Во избежание уменьшения рабочей длины соединения при переборках противоположный конец конуса должен выходить за ступицу на величину не менее s'.

Таким образом, длина конуса вала должна быть равна L = l + s + s' (l - длина рабочей поверхности ступицы).

В соединениях, подвергающихся циклическим нагрузкам, во избежание наклепа и сваривания посадочных поверхностей вводят промежуточные втулки из твердых бронз (БрКМц-3-1 или БрБ2) с наружной (рис. 11.23, д) или внутренней (вид е) конусностью. Центрирование происходит по двум поверхностям, что предъявляет повышенные требования к точности изго­товления втулок.

Целесообразнее применять гальваническое или термодиффузионное покрытие контактных поверхностей мягкими металлами (Сu, Zn). Такие покрытия не только предотвращают сваривание, но и значительно повышают несущую способность соединения.

При установке деталей на длинных валах, а также при необходимости регулирования в широких пределах осевого положения деталей на валу применяют затяжные втулки (вид ж, з).

В конструкции з предусмотрено съемное устройство. При отвертыва­нии гайка 1, упираясь ребордой в шайбу 2, привернутую к ступице, стягивает ступицу с вала.

Рассмотрим несущую способность обычного конусного соединения, собранного затяжкой гайки на выходном валу типового редуктора.

Такие соединения применяют для закрепления деталей на концах всевозможных валов (рис. 11.24). Давление на конической поверхности образуется в результате затяжки гайки. В остальном соединение подобно прес­совому. В отличие от прессового соединение легко монтируется и демонтируется без применения специального оборудования. Это удобно для соединений узлов, монтаж и демонтаж которых производят не только при сборке из­делия на заводе, но и в процессе эксплуатации.

Задачей расчета является опреде­ление момента Т, который может пе­редавать соединение при заданных размерах и силе F_зат затяжки гайки.

(11.15)

В данной формуле величина f cos a учитывает сопротивление продольному перемежению ступицы при затягивании гайки.

Обычно принимают стандартную конусность 1/10. При этом а = 2°51¹40";

коэффициент трения f ~ 0,11...0,13; коэффициент за­паса К 1,3... 1,5.

За расчетный момент Т принимают макси­мальный; F_зат — определяют по формуле (9.6), в которой Т_зав = F_K* l_K, где —длина стандартного ключа (d —диаметр резьбы), 150...200 Н — сила на ключе.

Если условие (11.15) не соблюдается, соединение усиливают шпонкой. Расчет шпоночного соединения выполняют по полному моменту нагрузки Т.

Влияние посадки на конус учитывают, как и в прессовых посадках, при выборе допускаемых напряжений .

Рис. 11.24

11.6 Соединения коническими затяжными кольцами

Вэтих соединениях крутящий момент передается коническими кольцами, устанавливаемыми в кольцевом зазоре между валом и ступицей и затягиваемыми гайкой на валу (рис. 11.25, а) или в ступице (вид б). Кольца, надвигаясь при затяжке своими коническими поверхностями одно на другое, упруго деформируются: наружные (охватывающие) разжи­маются, а внутренние (охватываемые) сжимаются, вследствие чего на поверхности вала и отверстия возникает натяг.

Рис. 11.25. Соединение затяжными кольцами

Крутящий момент передается в каждой паре колец через три поверх­ности трения. Деталь центрируется на валу по трем поверхностям в каж­дой паре (а по всему соединению — по 3 z поверхностям, где z — число пар колец), что требует особо точного изготовления колец с соблюдением строгой соосности наружных и внутренних поверхностей колец.

Насадную деталь можно устанавливать в любом угловом положении и регулировать в некоторых пределах ее осевое положение на валу.

Соединение может воспринимать трением довольно значительные осевые силы. При необходимости точной осевой фиксации, а так же если на соединение действуют повышенные осевые силы, предусматривают упорные буртики.

В конструкции в буртик воспринимает осевую силу, действующую в одном направлении; нагрузки противоположного направления воспри­нимаются силами трения. В конструкции г осевые силы в одном направ­лении воспринимаются гайкой, а в другом — буртиком на валу через пакет колец.

Наряду с установкой колец конусностью в одну сторону (виды а-г) применяют чередующуюся установку (вид д). Кольца с двусторонней конусностью (вид е) применяют редко (труднее выдержать соосность рабочих поверхностей колец; необходима установка дополнительных боко­вых колец).

Величину передаваемого крутящего момента можно регулировать изменением силы затяжки. Максимальный крутящий момент определяется допустимым напряжением смятия на контактных поверхностях, а также возникающими при затяжке напряжениями разрыва и сжатия соответ­ственно в ступице и в валу.

Во избежание перенапряжения соединение затягивают тарированным усилием или завертывают гайку на расчетное осевое перемещение.

С течением времени затяжка ослабевает из-за смятия (при циклических нагрузках) и истирания посадочных поверхностей, поэтому необходимо периодически подтягивать соединение. При достаточной податливости ступицы и вала (полые валы) падение натяга до известной степени компенсируется упругой отдачей ступицы и вала.

Кольца устанавливают на валу и в ступице на центрирующей посадке (обычно на посадке h6). На первой стадии затяжки монтажный зазор выбирается и кольца плотно прижимаются к посадочным поверхностям. При дальнейшей затяжке на посадочных поверхностях возникает натяг, необходимый для передачи крутящего момента.

Для уменьшения силы, затрачиваемой на предварительную деформа­цию колец в пределах зазора, а также с целью уменьшения радиальных размеров соединения целесообразно применять кольца малой толщины, т. е. уменьшать высоту s кольцевого зазора между валом и ступицей (рис. 11.25, а). Рекомендуется придерживаться значений s = (0,12 - 0,08) d, где d - диаметр вала. Верхний предел относится к соединениям малого диаметра (d < 80 мм), нижний — большого (d =80 - 200 мм). В среднем s = 0,1 d.

При многорядной установке колец с затяжкой с одной стороны бли­жайшая к гайке пара колец, на которую действует полная сила затяжки, развивает наибольшее давление на вал и ступицу и передает главную долю крутящего момента. В следующих парах давление падает, так как часть силы затяжки погашается осевыми составляющими сил трения на поверхностях колец. Соответственно уменьшается доля крутящего момента, передаваемого этими кольцами. На удаленных от гайки кольцах сила затяжки ослабевает настолько, что ее не хватает даже для упругой деформации колец и выбора первоначального монтажного зазора, вслед­ствие чего нарушается центрирование и теряется продольная устойчивость крепления детали.

Под действием моментов, изгибающих насадную деталь в продольной плоскости, происходит перераспределение нагрузок на кольца. Радиальные силы, приходящие на крайние пары колец, вызывают перекос и некоторый осевой сдвиг охватывающего и охватываемого колец, сопровождающийся сжатием всего пакета колец, вследствие чего деталь перекашивается.

Более высокую продольную устойчивость детали обеспечивает установка колец по сторонам ступицы (виды ж, з). Деталь в этом соединении жестко зафиксирована в осевом направлении; соединение способно воспри­нимать большие осевые силы. Передаваемый крутящий момент, однако, меньше, чем в многорядных установках.

В крупногабаритных узлах (рис. 11.26, а) по сторонам ступицы устанав­ливают биконические наружные 1 и внутренние 3 кольца, разжимаемые затяжкой промежуточных колец 2 и 4.

Благодаря независимой затяжке обоих пакетов увеличивается передаваемый крутящий момент. Недостаток соединения — центрирование по четырем поверхностям.

Рис. 11.26. Биконические кольца

Введение дополнительного центрирования по цилиндрической поверх­ности т (вид б) требует очень точного соблюдения соосности и диамет­ральных размеров всех центрирующих поверхностей.

Кольца изготовляют из пружинных сталей 55ГС, 60С2А, 70СЗА. Термическая обра­ботка состоит в закалке с последующим средним отпуском (HRC 45 — 55).

B соединениях, подверженных циклическим нагрузкам, во избежание наклепа одно из колец каждой пары делают из кремнистых бронз БрКМцЗ -1 в кованом состоянии. а в ответственных соединениях — из бериллиевых бронз БрБ2. Кольца из бериллиевых бронз подвергают закалке при 800°С и отпуску при 250 -300⁰С.

Рабочие поверхности колец обработаны по 5 - 6 квалитету точности с соблюдением строгой концентричности наружной и внутренней поверхности (несоосность < 0,01—0,02 мм), явля­ющейся одним из главных условий правильной работы соединения.

Твердость рабочих поверхностей валов и ступиц не ниже HRC 35-40 (закалка с после­дующим высоким отпуском). Лучше подвергать валы поверхностной закалке с индукционным нагревом (HRC 50-55).

Шероховатость обработанных рабочих поверхностей валов Ra = 0,08 - 0,32 мкм, ступиц

Ra = 0,16 - 0,65 мкм.