Файл: 7. 1 Допуски и посадки шпоночных соединений.pdf

Практическое занятие 7. Выбор и расчет посадок шпоночных и шлицевых соединений
Цель: приобретение навыков по выбору и расчету посадок шпоночных и шлицевых соединений.
Задачи: изучить особенности нормирования шпоночных и шлицевых со- единений, требования к точности формы расположения посадочных поверхностей для шпоночных и шлицевых соединений.
7.1 Допуски и посадки шпоночных соединений
Для соединения деталей машин (зубчатых колес, шкивов, муфт и др.) с ва- лами при невысоких требованиях к точности центрирования соединяемых деталей применяют шпоночные соединения.
Шпонки служат для передачи крутящего момента, предотвращения прово- рачивания втулки на валу, обеспечения фиксации взаимного положения деталей в узле; с их помощью достигается сравнительно легкая разборка и сборка узла при небольших требованиях к точности центрирования соединяемых деталей.
Особенностью шпоночного соединения является то, что в соединении участвуют три элемента: поверхность паза на валу, поверхность паза во втулке и поверхность шпонки.
Основными недостатками шпоночных соединений являются:
- малая несущая способность;
- ослабление валов шпоночными пазами;
- концентрация напряжений из-за неблагоприятной формы шпоночных пазов.
Поэтому основной областью применения шпоночных соединений является малонагруженные соединения. Шпоночные соединения не рекомендуют для быстроходных динамически нагруженных валов.
Классификация шпоночных соединений приведена на рисунке 7.1.
Наибольшее распространение в машиностроении получили шпоночные со- единения с призматическими и сегментными шпонками (рисунок 7.2).
Размеры призматических шпонок приведены в ГОСТ 23360-78 [12] или в

приложении 14, сегментных шпонок – ГОСТ 24071-97 [13].
Рисунок 7.1 – Классификация шпоночных соединений
Рисунок 7.2 – Призматические шпонки [12]
Рисунок 7.3 – Сегментные шпонки [13]
Шпоночные соединения ненапряженные призматические шпонки
ГОСТ 23360-78
сегментные шпонки
ГОСТ 24071-97
напряженные клиновые шпонки
ГОСТ 24068-80
тангенциальные клиновые шпонки ГОСТ 24069-97
ГОСТ 24070-80

Основной посадочный размер шпоночного соединения – ширина шпонки и пазов вала и втулки (рисунок 7.4, размер b). Остальные размеры задаются так, чтобы исключить возможность защемления шпонки по высоте или чрезмерное занижение поверхностей соприкосновения боковых сторон.
Рисунок 7.4 – Призматическое шпоночное соединение
Класс допусков для обоих типов шпонок (призматической и сегментной) одинаковы, посадки выполняют по системе основного вала, т.е. по ширине (b).
Шпонка изготавливается с классом допуска h9. Это позволяет ограничить номен- клатуру размеров калиброванной стали и облегчает получение требуемой точно- сти.
Стандарт [12] устанавливает соединение призматических шпонок с пазами вала и втулки трех видов (рисунок 7.5):
 свободное (для направляющих шпонок);
 нормальное (для массового и серийного производства);
 плотное (для единичного производства).
Для свободных соединений установлены классы допусков: для пазов на ва- лу H9 и во втулке D10, что дает посадки с зазором (H9/h9, D10/h9), для нормаль- ных соединений соответственно N9 и Js9, что дает переходные посадки (N9/h9,
Js9/h9), для плотных соединений P9 и Р9, что дает также переходные посадки

(P9/h9, P9/h9), применяемые при редкой разборке узла, при реверсивном враще- нии (таблица 7.1).
Рисунок 7.5 – Схемы расположения интервалов допусков для различных видов призматических шпоночных соединений
Для сегментных шпонок применяют только нормальные и плотные соедине- ния, хотя ГОСТ 24071-97 не исключает свободное соединение шпонки с пазом ва- ла и втулки.
Таблица 7.1 – Предельные отклонения по ширине (b) шпоночных соединений с призматическими шпонками [12]
Элемент соединения
Предельные отклонения размера b при соединении любом свободном нормальном плотном на валу во втулке на валу во втулке на валу во втулке
Шпонка h9
—
—
—
—
—
Паз
—
H9
D10
N9
JS9
P9
Для ширины пазов вала и втулки допускаются любые сочетания указанных выше по- лей допусков
Параметр соединения
Посадки для производства для направляю- щих шпонок единичного и серийного серийного и массового
Ширина шпонки
Ширина паза на валу
Ширина паза во втулке h9
P9
JS9 h9
N9
D10, JS9 h9
H9, N9
D10
Все остальные размеры шпоночного соединения (см. рисунок 7.4) являются непосадочными, на них установлены следующие поля допусков:
 на высоту шпонки h – h11 (при h = 2 – 6 мм h9);
 длину шпонки l – h14;
 длину пазов на валу и во втулке L – H15.

Предельные отклонения на глубину паза вала (t
1
), или на размер (d – t
1
), и на глубину паза втулки (t
2
), или на размер (D + t
2
), зависят от ширины шпонки b и определяются по ГОСТ 23360–78 или по приложению 15.
Предельные отклонения классов допусков h9, D10, H9, Js9, N9, P9 определя- ют по ГОСТ 25347–2013 [25] или по приложениям 2 и 3.
Параметры шероховатости поверхности элементов шпоночных соединений приведены в таблице 7.2.
Таблица 7.2 – Зависимость параметров шероховатости от допуска размера [12]
Допуск размера по квалитетам
Ra, мкм, не более для номинальных размеров, мм
До 18
Св. 18 до 50
Св.50 до 120
Св. 120 до 500
IT9 3,2 3,2 6,3 6,3
IT10 3,2 6,3 6,3 6,3
IT11 6,3 6,3 12,5 12,5
IT12, IT13 12,5 12,5 25 25
IT14, IT15 12,5 25 50 50
Примечания:
1 Параметр шероховатости поверхности с неуказанными предельными отклоне- ниями – Ra 20 мкм.
2 Параметр шероховатости дна шпоночного паза рекомендуется принимать рав- ным Ra 6,3 мкм.
ГОСТ 24071-97 «Основные нормы взаимозаменяемости. Сегментные шпон- ки и шпоночные пазы» предусматривает две формы для сегментных шпонок: нормальную и низкую (рисунок 7.3).
Низкая форма применяется по согласованию сторон, при этом
1 2
8
,
0 h
h 
Шпонки в виде целого сегмента применяются для передачи крутящего момента, а в виде срезанного сегмента – для фиксации элементов конструкции (в случае не- подвижной посадки, когда передача момента осуществляется за счет трения).
7.2 Допуски и посадки шлицевых соединений
Шлицевые соединения предназначены для передачи крутящих моментов в соединениях шкивов, муфт, зубчатых колес и других деталей с валами, а также центрирования сопрягаемых деталей. Шлицевые соединения могут передавать большие крутящие моменты, чем шпоночные соединения, и имеют меньшие пе- рекосы и смещения пазов и зубьев.

Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными соединениями имеют следующие преимущества: лучшее центрирование и направление посаженных на вал деталей, более равномерное распределение нагрузки по высоте зуба (шлица), меньшую концентрацию напряжений.
В зависимости от профиля зубьев различают шлицевые соединения трех ви- дов: прямобочные, эвольвентные и треугольные (рисунок 7.6).
Шлицевые соединения с треугольным профилем нестандартизованы, их чаще применяют вместо посадок с натягом, а также при тонкостенных втулках для передачи небольших крутящих моментов.
Рисунок 7.6 – Виды шлицевых соединений
Наибольшее распространение получили шлицевые соединения с прямобоч- ным профилем и четным числом зубьев (ГОСТ 1139 – 80 [3]).
Существует три способа центрирования шлицевых соединений: по наружному (D), по внутреннему (d) диаметрам, по боковым сторонам зубьев (b, в эвольвентных S) (рисунок 7.6).
Центрирование по наружному диаметру (D) рекомендуется при повы- шенных требованиях к соосности сопрягаемых поверхностей, когда втулку тер- мически не обрабатывают или когда твердость материала втулки после термиче- ской обработки допускает калибровку протяжкой, а твердость вала допускает фрезерование до получения окончательных размеров зубьев. Такой способ прост и экономичен. Его применяют для неподвижных соединений, а также для по- движных, воспринимающих небольшие нагрузки, т.е. с малым износом поверхно- стей.
Центрирование по внутреннему диаметру (d)целесообразно, когда втул- ка имеет высокую твердость и ее нельзя обработать чистовой протяжкой. Способ

обеспечивает точное центрирование и применяется обычно для подвижных со- единений. Такой вид центрирования является менее экономичным.
Центрирование по боковым сторонам зубьев (b) целесообразно при пере- даче знакопеременных нагрузок, больших крутящих моментов, а также при ре- версивном движении. Этот метод не обеспечивает высокой точности центрирова- ния и поэтому редко применяется.
Посадки шлицевых прямобочных соединений (ГОСТ 1139–80) назнача-
ют в системе отверстия по центрирующей цилиндрической поверхности и бо- ковым поверхностям впадин втулки и зубьев вала (т.е. по d и b или D и b, или только по b). Допуски и основные отклонения размеров d, D, b назначают по
ГОСТ 25346-2013 и ГОСТ 25347 – 2013.
Посадки назначают в зависимости от способа центрирования по ГОСТ 1139–
80 (приложение 16). Классы допусков на нецентрирующие диаметры прямобоч- ного шлицевого соединения:
 при нецентрирующем D – для вала – а11, для втулки – H12;
 при нецентрирующем d – для вала диаметр d не менее диаметра d
1, для втулки – Н11.
Допуски и посадки шлицевых эвольвентных соединений установлены
ГОСТ 6033–80 [34]. По сравнению с прямобочными шлицами эвольвентные шли- цы имеют ряд преимуществ:
- технологичность – для обработки всех типоразмеров валов с определен- ным модулем требуется только одна червячная фреза; во многих случаях можно обойтись только одним фрезерованием; возможно применение всех видов чисто- вой обработки зубьев – шевингование, шлифование и т.п.;
- прочность – способность передавать крутящие моменты, вызванной уве- личением прочности элементов из-за постепенного утолщения зубьев к основа- нию, отсутствием концентраторов напряжений;
- точность – детали эвольвентного соединения самоустанавливаются под нагрузкой и лучше центрируются.
Эвольвентные шлицы являются более предпочтительными.

Как и у прямобочного шлицевого соединения, для эвольвентных соедине- ний центрирование осуществляется по боковым поверхностям зубьев S (получило наибольшее распространение), по наружному диаметру D (при необходимости точной соосности на валу)и по внутреннему диаметру d (рисунок 7.6). На ширину впадины втулки (e) и толщину зуба вала (S) устанавливают суммарный допуск:
T = Ts + Te.
Допуски на нецентрирующие диаметры принимают так, чтобы исключить контакт по этим диаметрам.
Шлицевые соединения с треугольным профилем зубьев центрируют толь- ко по боковым сторонам зубьев (см. рисунок 7.6).
Примеры обозначения шлицевых соединений.
Соединения с прямобочным профилем обозначаются следующим образом:
1) при центрировании по d:
9 9
6 11 12 36 7
7 32 8
h
D
a
H
f
H
d




, что означает: число зубьев z = 8, внутренний диаметр d =
7 7
32
f
H
, наружный диа- метр D =
11 12 36
a
H
, ширина зубьев b =
9 9
6
h
D
; условное обозначение деталей этого соединения:
 втулки:
d – 8  32 H7  36 H12  6 D9;
 вала:
d – 8  32f7  36 a11  6 h9;
2) при центрировании по D:
8 8
6 7
7 36 32 8
f
F
f
H
D




, что означает: число зубьев z = 8, внутренний диаметр d = 32 мм; наружный диа- метр D =
7 7
36
f
H
; ширина зубьев b =
8 8
6
f
F
;

условное обозначение деталей этого соединения
 втулки:
D – 8  32 36 H7  6 F8;
 вала:
D – 8  32 36 f7  6 f8;
3) при центрировании по b:
8 9
6 11 12 36 32 8
f
D
a
H
b




, что означает: число зубьев z = 8, внутренний диаметр d = 32 мм, наружный диа- метр D =
11 12 36
a
H
; ширина зубьев b =
8 9
6
f
D
; условное обозначение деталей этого соединения
 втулки:
b – 8 32 36 H12  6 D9;
 вала:
b – 8 32  36 a11  6 f8.
Соединение с эвольвентным профилем обозначаются следующим образом:
1) при центрировании по S:
g
H
9 9
2 50


ГОСТ 6033–80, это означает: номинальный диаметр соединения D = 50 мм, модуль m = 2 мм, по- садка по центрирующему параметру (боковым поверхностям)
g
H
9 9
; условное обозначение деталей соединения:
 втулки:
50  2 9H ГОСТ 6033–80;
 вала:
50  2  9g ГОСТ 6033–80.
2) при центрировании по D:

h
H
g
H
9 9
2 6
7 50



ГОСТ 6033–80

; это означает: номинальный диаметр соединения D = 50 мм, модуль m = 2 мм, по- садка по центрирующему диаметру D –
6 7
g
H
, посадка по нецентрирующим по- верхностям зубьев
h
H
9 9
условное обозначение деталей соединения
 втулки:
50  H7  2  9H ГОСТ 6033–80;
 вала:
50  g6  2  9h ГОСТ 6033–80.
3) при центрировании по внутреннему диаметру (i):
h
H
g
H
i
9 9
6 7
2 50



ГОСТ 6033–80,
что означает: номинальный диаметр соединения D = 50 мм, модуль m = 2 мм, по- садка по центрирующему диаметру d –
6 7
g
H
, посадка по нецентрирующим по- верхностям зубьев
h
H
9 9
; условное обозначение деталей соединения
 втулки:
i50  2  H7  9H ГОСТ 6033–80;
 вала:
i50  2  g6  9h ГОСТ 6033–80.
Задания для самостоятельного выполнения
Задание 1
Зубчатое колесо, насаженное на вал редуктора, должно передавать враща- ющий момент при помощи призматической шпонки. Согласно своему варианту

(таблица 7.3) найти сечение призматической шпонки и размеров шпоночных па- зов и во втулке. Определить:
- предельные размеры на ширину шпонки, паза на валу и паза втулки;
- предельные размеры глубины шпоночных пазов во втулке и на валу;
- предельные натяги (зазоры) в сопряжении шпонки с пазом вала и шпонки с пазом во втулке.
Выполнить схему расположения интервалов допусков деталей сопряжения с указанием предельных отклонений, зазоров (натягов).
Выполнить эскизы поперечного сечения сопрягаемых деталей с указанием размеров, отклонением расположения и шероховатости поверхностей.
Таблица 7.3 – Исходные данные к заданию 1
Предпоследняя циф- ра номера варианта
Номинальный размер вала, мм
Последняя цифра номера варианта
Характер соедине- ния шпонки с па- зами вала и втулки
0 110 0 свободное
1 32 1 нормальное
2 80 2 плотное
3 36 3 свободное
4 55 4 нормальное
5 63 5 плотное
6 71 6 свободное
7 90 7 нормальное
8 40 8 свободное
9 140 9 плотное
Задание 2
Составить и записать полное условное обозначение прямобочного шлицево- го соединения по данным таблицы 7.4, дать его расшифровку.
Определить предельные отклонения и предельные размеры на наружный, внутренний диаметры и ширину шлица.
Выполнить схемы расположения интервалов допусков для всех элементов шлицевого соединения.
Выполнить эскизы поперечного сечения шлицевого вала и шлицевой втулки с указанием размеров и предельных отклонений, шероховатости поверхностей и допуска симметричности.

Таблица 7.4 – Исходные данные к заданию 2
Предпо- следняя цифра номера варианта
D
d
z


Послед- няя циф- ра номера варианта
Центрирую- щий размер
Посадка по центрирую- щему размеру
Посадка по боковым поверхно- стям зубьев
0 32 28 6


0
d
6 7
g
H
9 9
f
D
1 48 42 8


1
D
7 7
f
H
7 8
f
F
2 82 72 10


2
b
8 9
f
D
–
3 60 52 16


3
D
6 7
g
H
9 9
d
D
4 50 46 8


4
d
7 7
g
H
7 8
h
F
5 88 82 10


5
d
7 7
f
H
9 9
f
H
6 20 16 6


6
D
8 8
e
H
8 8
e
F
7 29 23 10


7
b
8 9
e
D
–
8 42 36 8


8
D
8 8
d
H
8 9
e
D
9 28 23 6


9
b
8 10
f
F
–
Задание 3
1
Эвольвентное шлицевое соединение передает крутящий момент с зубчатого колеса на вал. Составить и записать полное условное обозначение эвольвентного шлицевого соединения по ГОСТ 6033-80 и дать его расшифровку. Исходные дан- ные приведены в таблице 7.5.
Определить
- номинальное значение и предельные отклонения для ширины впадины (e)
1
Задание является дополнительным, выполняется студентом для получения дополнительных баллов