История создания и развития моментопередающих профильных соединений

Появление конструкций профильных соединений исторически складывалось из попыток использовать наиболее простые в изготовлении контуры. Решение этой задачи начиналось с выбора контурной кривой из числа известных в математике. По своим свойствам для этой цели наиболее пригодными оказались кривые из класса трохоид, и лишь в дальнейшем, используя свойство нормали этих кривых, была разработана конструкция станков для их обработки.

Соединения вала и втулки, предназначенные для передачи крутящего момента, являются элементами, обязательными для каждого механизма (рис.Рисунок 1.1). В современном машиностроении применяют, главным образом, прямобочные шлицевые и шпоночные соединения. Они служат для передачи вращающего момента от вала к ступице зубчатого колеса, шкива, маховика и т.д.

Профильными бесшпоночными называют соединения, в которых ступица насаживается на фасонную поверхность вала, обеспечивая жесткое фиксирование деталей в окружном направлении и передача вращения. Образующая поверхность профильного соединения может быть расположена как параллельно осевой линии вала, так и наклонно к ней. В последнем случае соединение наряду с крутящим моментом может передавать также и осевую нагрузку. Соединения с прямобочным сечением применяются в основном, в соединениях, в которых требования к центрированию и, как следствие, биению несколько ниже, чем в других механизмах. Расчет на прочность профильных соединений сводится к проверке на смятие их рабочих поверхностей.

Рисунок 1.1 Соединение вал-шестерня с применением профильной части

Примером таких соединений могут служить соединения шнеков буровых установок. Областью самого массового применения подобных видов соединений является крепежные детали и инструмент [64].

Среди профильных соединений можно выделить соединения на основе равноосно контурного (РК). Такой тип соединений строится на основе правильной фигуры многогранника (например, треугольника), среди которых особый интерес представляет так называемый «треугольник Рело», построенный на базе двух диаметров. Однозначно определить этот профиль возможно при помощи задания диаметрального размера сектора, образующего поверхности стороны профиля и диаметра вписанной, либо описанной окружности. Таким образом, с целью упрощения классификации и определения данного профиля, возможно его называть профилем двух диаметров.

Соединения с некруглым профилем в поперечном сечении начали применять для передачи крутящего момента, примерно, начиная с XIV века. Данный тип соединений применялся сначала в часовых механизмах, затем в печатных и других машинах. В процессе перехода к промышленному производству такие соединения, вследствие технологических трудностей, были вытеснены шпоночными и шлицевыми соединениями, которые впоследствии получили широкое распространение в машиностроении. В XVII веке появились новые технические возможности и технологические решения, которые помогли обеспечить формообразование валов с многогранными наружными поверхностями и плоскими гранями на токарных станках, однако они не были доведены до промышленного освоения. В нашей стране профильные соединения такого вида были исследованы в 40-50-е гг. XX века. Л.С. Боровичем [14], который и присвоил им название «профиль с равноосным контуром» (РК-профиль). В нашей стране исследования, связанные с проектированием и изготовлением РК-профильных соединений, ведутся в Московском государственном технологическом университете «Станкин» начиная с 1975 г. Их результатом стала разработка процессов формообразования данного типа профилей, основанных на сочетании одного прямолинейного поступательного движения с одним вращательным. В настоящее время в отечественном станкостроении создаются опытно-промышленные образцы профилеобрабатывающих станков для лезвийной и шлифовальной обработки наружных и внутренних РК-профильных поверхностей. Кроме того, были созданы и готовы к серийному производству опытные образцы станочных агрегатов, при помощи которых на станках общего назначения можно обрабатывать наружные и внутренние РК-профильные поверхности.

В основном профильные соединения предназначены для передачи крутящего момента сопряженными поверхностями деталей машин, режущих и вспомогательных инструментов. Эти соединения могут быть выполнены со всеми видами посадок (зазор, натяг, переходная посадка). Поверхности деталей, входящих в РК-профильное соединение, могут иметь как цилиндрическую, так и конусообразную форму, а отверстия с РК-профильной поверхностью – сквозными или глухими. В цилиндрических РК-профильных соединениях с зазором допускаются относительные осевые перемещения деталей, как при отсутствии нагрузки, так и при ее воздействии. Помимо этого профильные соединения эффективно используются для точной передачи вращательного движения при относительно небольшом крутящем моменте. Кроме того, их можно применять в реверсивных механизмах. Ниже представлены основные эксплуатационные, конструктивные и технологические достоинства профильных соединений.

1. Профильные валы имеют несущую способность выше, чем шлицевые, в 1,2 – 1,3 раза в соединениях с натягом (при сохранении прежней несущей способности масса ступени вала с РК-профилем может быть уменьшена на 20-40%). Благодаря отсутствию острых переходов, характерных для элементов шпоночных и шлицевых соединений, исключается концентрация напряжений, что позволяет использовать пустотелые валы. Отсутствие в РК-профильном соединении циклического скольжения придает ему более высокий КПД. Это способствует уменьшению расхода энергии при передаче крутящего момента. Соединения с профилем РК-3 автоматически центрируются под действием передаваемой нагрузки, при этом происходит самозаклинивание (самоторможение) одной детали соединения относительно другой, что увеличивает изгибную жесткость деталей соединения.

2. В некоторых случаях длину профильного вала можно уменьшить по сравнению с длиной шлицевого вала и соответственно длину корпуса передачи, что обусловливает снижение массы вала и корпуса.

3. Приведенные затраты на изготовление валов с РК-профилем на 30% меньше, чем на изготовление шлицевых валов. При изготовлении валов с РК-профилем сокращаются требуемая численность работающих (в два раза), производственные площади, количество и номенклатура металлорежущего оборудования. При выполнении РК-профилей на валах и в отверстиях ступиц можно применять упрочняющие технологии (обкатывание, раскатывание, дорнование), а также напыление износостойких материалов на профильные поверхности с их последующей обработкой.

4. В связи с упрощением формы сопрягаемых поверхностей деталей профильных соединений появляется возможность изготовлять и контролировать эти детали в автоматическом режиме [14].

На фоне интенсивного развития профильных и гранных соединений в зарубежной промышленности, все большее место такие виды соединений стали использоваться в резьбовых самоконтрящихся соединениях [104], зубчатых передачах различных машин и механизмов [56], в том числе на машинах сельхоз назначения, роторно-поршневых насосах, двигателях Ванкеля, в судостроении, водозапорной арматуре, на железной дороге и транспорте, в системе крепления Coromant Capto металлорежущего инструмента фирмы Sandvik Coromant, в гибкой модульной инструментальной системе фирмы Sitzmann und Heinlein, иных системах крепления. По данным фирмы Stoffel Polygon Systems (США) использование таких соединений обеспечивает повышенную точность центрирования по сравнению со шлицевыми и шпоночными [66].