ШПОНОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
FEATHER JOINT

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ракетно-космической технике для соединения между собой различных составных частей изделий (корпусов, сопел, днищ, отсеков и т.д.), а также в других областях.
Широко известны шпоночные соединения, применяемые для стыковки между собой элементов РДТТ (см. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. чл. - корр. РАН, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М.: «Машиностроение», 1993. - Стр.70 (рис 2.23 г); стр.118 (рис.2.51)).
Основным недостатком такой конструкции является то, что при повороте шпонки в кольцевой полости при действии осевой нагрузки контакт соединяемых элементов со шпонкой происходит в локальных участках, а не по боковым площадкам шпонки. В связи с этим значительно возрастает контактное давление, в ряде случаев происходит местное смятие металла в участках контакта у соединяемых элементов. В результате затрудняется последующая разборка стыка (например, после проведения испытаний), требуется доработка деталей соединения и возникает вопрос о дальнейшей работоспособности соединения.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы шпоночного соединения за счет исключения поворота шпонки в кольцевой полости и уменьшение неравномерности контактного давления между шпонкой и соединяемыми элементами.
Технический результат достигается тем, что в шпоночном соединении частей изделий, содержащих наружный и внутренний шпангоуты, в кольцевую полость между которыми установлены шпонки, длина шпонки в поперечном сечении по дуге окружности сопрягаемой поверхности наружного шпангоута должна удовлетворять соотношению
<mrow><mi>l</mi><mo>></mo><mn>4</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mi>arcsin</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
где l - длина шпонки;
max
R - максимальный радиус сопрягаемой поверхности наружного шпангоута;
max
δ - максимальный радиальный зазор между сопрягаемыми поверхностями шпангоутов.
На фиг.1 показана в сечении схема работы шпоночного соединения при короткой шпонке.
На фиг.2 показано в сечении схема работы шпоночного соединения при увеличенной длине шпонки.
На фиг.3 в поперечном сечении показаны точки контакта шпангоутов со шпонкой.
На фиг.4 в поперечном сечении показана шпонка критичной длины.
При работе шпоночного соединения (фиг.1) при сдвигающей нагрузке Т, действующей на наружный 1 и внутренний 2 шпангоуты, шпонка 3 может поворачиваться в кольцевой полости, образованной шпоночными пазами 4, 5 шпангоутов 1, 2.
Учитывая, что для уменьшения трения при заведении шпонок ширина шпоночных пазов выполняется большей, чем ширина шпонки, шпоночный паз может только частично ограничить поворот шпонки, при этом картина работы соединения принципиально не меняется.
mах
На фиг.1 показан максимально возможный угол поворота β шпонки 3 без ограничений при отсутствии трения по контактным участкам, который реализуется при минимально возможной длине шпонки, и может быть определен по формуле:
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mfrac><mi>δ</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где δ - радиальный зазор между сопрягаемыми поверхностями шпангоутов;
а - ширина шпонки.
При наличии трения по контактным участкам угол поворота шпонки будет несколько меньше.
При повороте шпонки с каждой из плоских боковых поверхностей шпонки контактирует кольцевое ребро 6, 7 шпоночного паза соответствующего шпангоута, поэтому контакт соединяемых элементов при повороте шпонки (теоретически - точечный) происходит по локальным участкам малой площади, расположенным на окружностях кольцевых ребер 6, 7. Силы S в сечении (фиг.1) расположены на прямой, проходящей через ребра 6, 7 шпоночных пазов шпангоутов, и направлены перпендикулярно к боковым поверхностям шпонки.
В этом случае схема работы соединения является нерасчетной со значительным увеличением местного контактного давления и, в итоге, приводит к смятию металла на соединяемых элементах и на самой шпонке.
На фиг.2 представлен поворот более длинной шпонки, чем на фиг.1. Угол поворота β уменьшился, так как точки контакта 9 ребра наружного шпангоута 1 со шпонкой 3 расположены на краях шпонки и поэтому смещены по окружности ребра 6, что в сечении на фиг.2 соответствует смещению точек контакта 9 на величину h. В этом случае угол поворота шпонки β определяется по формуле:
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mfrac><mrow><mi>δ</mi><mo>−</mo><mi>h</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
На фиг.3 в поперечном сечении показаны точки контакта 8, 9 ребер шпангоутов со шпонкой. При этом точка контакта 8 с ребром 7 внутреннего шпангоута 2 со шпонкой 3 расположена посередине длины шпонки, а точки контакта 9 с ребром 6 наружного шпангоута 1 расположены по краям шпонки.
Смещение h (фиг.2) может быть определено из фиг.3:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>R</mi><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mfrac><mi>θ</mi><mn>2</mn></mfrac><mtext>                                                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где R - радиус окружности ребра шпоночного паза наружного шпангоута;
θ - угол расположения по дуге окружности ребра 6 краевых точек 9 шпонки 3 от ее среднего сечения.
В начальном положении (без поворота) сила S в точке 8 и две силы S/2 в точках 9 (фиг.3), направленные перпендикулярно плоскости чертежа, создают на шпонке крутящий момент с плечом δ-h, который приводит к повороту шпонки. Поворот продолжается до устойчивого равновесия шпонки, пока действует крутящий момент. При отсутствии трения по контактным участкам конечное положение показано на фиг.2, когда сила S в точке 8 и две силы S/2 в точках 9 находятся в одной плоскости и крутящий момент на шпонке отсутствует.
Длина шпонки по дуге соответствует длине дуги окружности ребра 6 (фиг.3):
<mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>R</mi><mi>θ</mi><mtext>                                                                                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Исключая из формул (2), (3) угол θ, зависимость между величиной h смещения краевых точек 6 в сечении (фиг2) и длиной шпонки l запишется в виде:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>R</mi><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>4</mn><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>                                                                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Исключить поворот шпонки и существенно уменьшить контактное давления между шпонкой и ребрами шпангоутов возможно при выборе соответствующей длины шпонки.
m
Из формулы (1) следует, что угол поворота шпонки равен нулю при условии δ=h. В этом случае все действующие на шпонку силы в точках 8 и 9 находятся в одной плоскости и крутящий момент на шпонке отсутствует. Это соответствует минимальной длине шпонки l по дуге окружности ребра 6, при которой поворот шпонки должен отсутствовать. Из уравнения (4) следует минимальная (критичная) длина шпонки, которая является нижней границей допустимых длин шпонки при отсутствии ее поворота.
<mrow><msub><mi>l</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>R</mi><mi>arcsin</mi><msqrt><mrow><mfrac><mi>δ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                                                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Однако при этой длине равновесие шпонки будет неустойчивым, и практически за счет неточности величин, входящих в формулу (5), и возможного некоторого смятия контактных поверхностей может появиться угол поворота шпонки, что снова приведет к нерасчетной работе соединения.
Поэтому на практике для устойчивого равновесия шпонки при нулевом угле поворота длина шпонки l должна быть увеличена по сравнению с соотношением (5) и рассчитываться по максимальным значениям параметров:
<mrow><mi>l</mi><mo>></mo><mn>4</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mi>arcsin</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
Таким образом, предлагаемое техническое решение исключает поворот шпонки в кольцевой полости, обеспечивает равномерность распределение контактных давлений между соединяемыми элементами и шпонкой и практически исключает возникновение участков смятия деталей, что повышает надежность работы шпоночного соединения.