Возможности использования и расширения сферы применения профильных бесшпоночных соединений

Н. Е. Курносов, А. И. Евтюшкин

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И РАСШИРЕНИЯ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ БЕСШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Аннотация: В статье приведен краткий анализ состояния вопроса о расширении сферы применения профильных соединений в машиностроении. Определены их характерные особенности. Произведено сравнение профильных соединений со шпоночными и шлицевыми. Указаны причины, ограничивающие сферу применения профильных соединений.

Ключевые слова: профильные соединения, параметры профиля, контуры.

Технический прогресс и жесткая конкуренция ставят задачи повышения технического уровня, качества, конкурентоспособности, а также снижения себестоимости изготовления изделий. Для достижения поставленных целей необходимо рационализировать процессы формообразования и использовать новые, прогрессивные конструкции деталей машин, позволяющие, по сравнению с традиционными, значительно снизить расход металла и энергии, а соответственно и себестоимость изготовления.

Имеется широкий круг практически значимых задач проектирования изделий различного назначения, когда соединение цилиндрических деталей с натягом не удовлетворяет условиям сопряжения и не обеспечивает необходимых эксплуатационных характеристик. Их получение может быть реализовано за счет изменения конфигурации профиля сопрягаемых деталей. Трудности усовершенствования процессов формообразования рабочих поверхностей соединений, а также стремление получить более надежное соединение как в смысле прочности, так и в смысле лучшего центрирования сопрягаемых деталей (что особенно важно при высокоскоростных и прецизионных передачах) подталкивают разработчиков к переходу на новое, более прогрессивное соединение элементов передач - соединение цилиндрических деталей по участкам сопряжения поверхностей различной конфигурации [1]. В профильных бесшпоночных соединениях (ПБС) передача крутящего момента производится без промежуточных элементов, что обеспечивает множество технологических и эксплуатационных преимуществ по сравнению со шлицевыми и шпоночными соединениями. Чем жестче требования к соединениям, тем более они эффективны, особенно в случае передачи большой нагрузки и жестких требований к радиальному биению или высоким частотам вращения.

Профильные соединения в практике машиностроения известны еще с XIV в. [2]. С этого момента в мировом машиностроении нашли применение соединения с различными видами профильных кривых, характеризующиеся достаточно равномерным распределением напряжений по периметру зоны сопряжения вала и втулки.

Наибольшее распространение ПБС получили за рубежом, где они используются в коленчатых валах судовых двигателей Беата (Швеция), в устройствах отбора мощности коробок передач 2Б (Германия) (рис. 1), инструментальных державках фирмы ВепШх (США), упругих карданных валах с конусообразным профильным соединением (рис. 2) и др. [3, 4]. Расширение использования ПБС в машинах является одной из тенденций современного машиностроения, способствует повышению конкурентоспособности его продукции.

Рис. 1. Гибкая модульная инструментальная система

Рис. 2. Упругий карданный вал с конусообразным профильным соединением

Контур ПБС может быть выполнен в осевом или поперечном (перпендикулярном оси соединения) сечении, одновременно по обоим сечениям. Классификация контурных соединений приведена на рис. 3 [1], здесь же даны примеры известных, используемых на практике контурных соединений.

Рис. 3. Классификация контурных соединений

76

Теоретические и экспериментальные исследования прочности соединений показали, что она зависит от большого количества факторов, одним из наиболее важных является площадь опорной поверхности (фактическая площадь контакта) элементов соединений. Профильные соединения по сравнению со шпоночными и шлицевыми имеют ряд эксплуатационных и технологических преимуществ.

Эксплуатационные преимущества:

- в профильных соединениях нет циклического трения скольжения под нагрузкой в радиальном направлении по контактирующим боковым поверхностям шпонок и шлицев из-за их отсутствия. Это приводит к тому, что приработочный износ ПБС в 2,5...3 раза, а интенсивность установившегося износа в 1,8...2,4 раза меньше, чем у деталей шлицевых соединений;

- сопротивление усталости валов в 3...5 раз больше, чем шлицевых соединений, что увеличивает несущую способность валов с ПБС в 1,2... 2 раза [5];

- при сохранении несущей способности деталей соединений масса моментопередающей ступени вала с ПБС может быть на 20...40 % снижена только вследствие уменьшения его поперечного сечения;

- соединения с тремя осями симметрии обладают свойством автоматического центрирования под передаваемой нагрузкой, благодаря чему точность центрирования значительно выше шлицевых;

- при определенных соотношениях параметров ПБС в соединении во время автоматического центрирования под нагрузкой наблюдается явление самозаклинивания (самоторможения) ступицы относительно вала, которое препятствует их относительному осевому перемещению. Это свойство переводит соединения с ПБС из области соединений с зазором в область соединений с натягом, что увеличивает изгибную жесткость и ведет к уменьшению шума при работе;

- соединения с тремя осями симметрии в режущих инструментах увеличивают стойкость, прочность и крутильную жесткость инструментальных оправок.

Технологические преимущества:

- при изготовлении шлицевых и шпоночных соединений необходимы высокая точность обработки как вала, так и втулки, а также пооперационный контроль за качеством поверхности, что соответственно на 40 и 20 % дороже, чем изготовление ПБС;

- при обработке ПБС можно применять упрочняющие технологии - наклеп, раскатку, дорнование, а также напыление износостойких материалов с последующей их обработкой;

- возможность применения при шлифовании ПБС валов и отверстий электронных устройств активного контроля и систем адаптивного управления синхронизацией формообразующих движений.

Благодаря развитию технологии машиностроения, созданию новых высокопроизводительных и высокоточных методов изготовления, появлению новых типов металлорежущего оборудования, в том числе станков с числовым программным управлением, а также новых инструментальных материалов, открылись перспективы для решения задач изготовления, измерения и внедрения профильных бесшпоночных соединений в отечественную промышленность.

Применению ПБС в современном машиностроении препятствует ряд непрорабо-танных вопросов, к ним относится малое количество апробированных технологий изготовления различных видов соединений, отсутствие методики оценки точности, а также недостаточность исследований по конкретным видам профильных соединений.

Список литературы

1. Курносов, Н. Е. Соединение деталей с контурным совмещением / Н. Е. Курносов // Технология и автоматизация производственных процессов в машиностроении : сб. учен. тр. ун-та.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. - С. 23-25. - (Машиностроение).

2. Das Polygon-Profil - Wiscenswertes uber die Herstellyng und Anvendung // Maschinenwelt elektrotechnik.: Technik. - 1975. - № 5, а. - S. 69-75.

3. Тимченко, А. И. Технология изготовления деталей профильных бесшпоночных соединений / А. И. Тимченко. - М. : Машиностроение, 1988. - 160 с.

4. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя / В. И. Анурьев. - 5-е изд.- М. :

Машиностроение, 1978. - 160 с.

5. Борович, Л. С. Бесшпоночные соединения деталей машин / Л. С. Борович. - М. : Машгиз, 1951. -132 с.

Курносов Николай Ефимович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой транспортнотехнологических машин и оборудования,

Пензенский государственный университет E-mail: ttmo-pgu@mail.ru

Евтюшкин Александр Игоревич

аспирант,

Пензенский государственный университет E-mail: old_tp@mail.ru

УДК 621.9 Курносов, Н. Е.

О возможности использования и расширения сферы применения профильных бесшпоночных соединений / Н. Е. Курносов, А. И. Евтюшкин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2013. - № 3. -C. 75-78.

Kurnosov Nikolay Efimovich

doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of transport and technological machines and equipment, Penza State University

Evtyushkin Aleksandr Igorevich

postgraduate student,

Penza State University