Штифтовые соединения применяют для крепления деталей (например, для фиксации соединения вала со втулкой) или для взаимного ориентирования деталей, которые крепят друг к другу винтами или болтами (в соединениях крышки и корпуса, стойки и основания и др.).
Эскиз изделия со штифтовыми соединениями двух видов – вал-зубчатое колесо и крышка-корпус (соединение с применением двух штифтов) представлен на рисунке 13.1. Из рисунка следует, что штифт сопрягается с двумя деталями. Все штифтовые соединения относятся к разъемным неподвижным соединениям, при необходимости штифты извлекают из отверстий, соединение разбирают. Повторная сборка обеспечивает работу сопряжения с тем же уровнем качества, что и первичная.
Сопряжение штифта (вала) с отверстиями в двух деталях, например посадки штифта в крышку и в корпус или сопряжения штифта с отверстиями вала и ступицы зубчатого колеса (в последнем случае можно формально рассматривать даже три сопряжения) требуют применения посадок в системе вала.
Штифтовые соединения вала со втулкой относятся к разъемным неподвижным соединениям, в которых дополнительный конструктивный элемент (штифт) обеспечивает взаимную неподвижность деталей. Штифт фиксирует детали и в осевом, и в тангенциальном направлениях. Он предотвращает сдвиг зубчатого колеса вдоль оси вала, а также взаимный поворот деталей в соединении. В отличие от неразъемных соединений вала и втулки с натягом, штифтовые соединения позволяют осуществлять разборку и повторную сборку конструкции с обеспечением того же эффекта, что и при первичной сборке. В штифтовом соединении вала с ответной деталью штифт обычно используется для передачи крутящего момента (в соединениях вращающегося вала с зубчатым колесом или со шкивом), но возможны и другие решения, например – защита вала от поворота относительно неподвижного корпуса.
Штифтовое соединение вала с зубчатым колесом подобно шпоночному соединению, в нем следует различать центрирующее сопряжение – вал-отверстие зубчатого колеса и две собственно штифтовые посадки: штифт-отверстия во втулке зубчатого колеса (два отверстия) и штифт-отверстие вала.
Точность центрирования деталей в штифтовом соединении вала с зубчатым колесом (шкивом, ступицей рычага и др.) обеспечивается посадкой колеса на вал. Это обычное центрирующее гладкое цилиндрическое сопряжение, для которого можно выбрать посадку с очень малыми зазорами или натягами, следовательно, предпочтительны переходные посадки.
Штифтовое соединение крышки и корпуса образует две посадки (штифт-отверстие корпуса и штифт-отверстие крышки) которые используются только для взаимного ориентирования соединяемых деталей, а крепление крышки к корпусу обычно осуществляют с помощью винтовых соединений.
Поскольку поле допуска диаметра штифта одинаково по всей длине, собственно штифтовые посадки являются посадками в системе вала. Если выбрано основное отклонение поля допуска стандартного штифта h (например, 4 h8), посадки реализуются в системе основного вала. А если выбрать иное стандартное основное отклонение поля допуска штифта (например, m), собственно штифтовые посадки реализуются в системе неосновного вала, например, 4 F8/m6 и 4 K7/m6.
Стандарты регламентируют номинальные размеры штифтов и поля допусков их основных размеров, что позволяет назначать необходимые типовые посадки штифтов в отверстия корпусов, крышек, втулок и валов.
Гладкие цилиндрические штифты изготавливают с полями допусков основной поверхности m6, h8, h9, h11, длины штифта – h14, диаметра глухого отверстия в торце штифта – по Н13, а его глубины – по IT15. Поля допусков резьбовых отверстий в торцах штифтов – по 7Н. Конические штифты изготавливают с конусностью 1:50, с полями допусков на угловой размер ± АТ8/2 или ± АТ10/2 и с полем допуска диаметра h10 или h11.
Типичный ряд длин штифтов в некотором ограниченном диапазоне (в миллиметрах): 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 отличается от рядов нормальных линейных размеров.
Условное обозначение стандартного штифта включает:
обозначение типа (не указывают тип 1 и другие, если тип однозначно определяется стандартом);
размеры (диаметр d и длину L штифта, при необходимости с указанием поля допуска диаметра);
Примеры обозначений штифтов:
Штифт 10 m6 × 60 ГОСТ 3128 – 70 – штифт диаметром 10 мм и длиной 60 мм.
Штифт 8 h11 × 45 Хим. Окс. прм. ГОСТ 10773 – 80 – штифт диаметром 8 мм и длиной 45 мм, с покрытием Хим. Окс. прм.
Штифтовые соединения крышки и корпуса (рисунок 13.2) представляют собой достаточно сложную конструкцию, связанную с составлением и решением взаимосвязанных размерных цепей. Каждое собственно штифтовое сопряжение включает в себя две простейших размерных цепи (посадка штифта в отверстие корпуса и посадка штифта в отверстие крышки). Образовавшиеся замыкающие звенья – зазоры (натяги) будут входить как составляющие звенья в размерные цепи, определяющие межосевые размеры штифтового соединения, а также их замыкающие звенья – зазоры (натяги) между образующими штифтов и корпусной детали (крышки).
Кроме обозначенных линейных размерных цепей, можно также составить и рассчитать угловые размерные цепи, поскольку отклонения осей штифтовых отверстий от перпендикулярности также существенно влияют на собираемость изделия.
В связи с тем, что обеспечить точность замыкающих звеньев таких размерных цепей методами полной взаимозаменяемости бывает затруднительно, достаточно часто прибегают к «технологической компенсации» – применяют совместную окончательную обработку штифтовых отверстий в сборе. Корпус и крышку с предварительно просверленными отверстиями собирают без штифтов и крепят друг к другу, затем «совпадающие» отверстия двух деталей в сборе обрабатывают разверткой, чем обеспечивается их соосное расположение при фиксированном межосевом расстоянии. Такой технологический процесс можно рассматривать как применение технологии индивидуального производства, поскольку каждая крышка подходит только к своему корпусу. В серийном и массовом производстве применяется и раздельная обработка деталей с использованием специальных приспособлений, обеспечивающих высокую точность координат осей штифтовых отверстий.
Установочные (контрольные) штифты применяют в случаях, когда необходимо точно зафиксировать положение одной детали относительно другой (например, положение крышки разъемного подшипника скольжения относительно его корпуса), а также для восприятия поперечных сил, действующих в плоскости разъема двух деталей (например, для передачи крутящего момента во фланцевом соединении валов).
Применяют два типа установочных штифтов: цилиндрические и конические съемные.
Цилиндрические штифты (рис. 217) устанавливают обычно наглухо (по посадке с натягом) в одной из соединяемых деталей; выступающий конец штифта входит в отверстие другой детали по посадке Н7/js6 или Н7/h6.
Форма штифта имеет большое значение для правильной работы и долговечности соединения. Наиболее простая форма — цилиндрическая с заходными фасками под углом 45° (рис. 217, I) — наименее удовлетворительна: кромки фасок (при запрессовке штифта и при надевании отъемной детали) портят стенки отверстий.
Несколько лучше пологие фаски под углом 10—20° (рис. 217, II). Однако и здесь наблюдается, хотя и в меньшей степени, то же явление. Лучше, когда концы штифтов (по крайней мере конец, входящий в съемную деталь) имеют галтели (рис. 217, III).
Оптимальная конструкция показана на рис. 217, IV. Здесь входной конец штифта выполнен с галтелью переменного радиуса, плавно переходящим в цилиндрическую поверхность штифта. Такая форма широко применяется дли штифтов, устанавливаемых в детали из легких сплавов. Изготовление таких штифтов несколько сложнее, но зато они обеспечивают удобный монтаж и длительный срок службы соединения.
Во всех случаях обязательны заходные фаски на отверстиях соединяемых деталей. В посадочном гнезде фаски необходимы для облегчения запрессовки штифта; в изделиях из пластичных металлов фаски, кроме того, предупреждают выпучивание материала у кромок гнезда. В отверстиях отъемных деталей фаски нужны для облегчения монтажа.
В изделиях из мягких материалов, например, из пластиков, отверстие под входной конец штифта футеруют (рис. 217, V). Футорки крепят в изделии на резьбе, опрессовкой и т. п.
Установочные штифты изготовляют из высокоуглеродистой стали, для ответственных силовых соединений — из легированной стали с закалкой до твердости НRС 50—60. Рабочие поверхности штифтов обрабатывают не ниже, чем по 6-му квалитету с параметром шероховатости Ra = 0,32—0,63 мкм.
В глухое отверстие штифт обычно устанавливают по посадке с натягом. Чем меньше диаметр штифта и чем мягче материал изделия, тем больший натяг дается в соединении. В изделиях из легких сплавов применяют посадки с натягом r6, s6, t7, u7. Тем не менее штифты, как правило, еще дополнительно страхуют от выпадения при случайном ослаблении натяга (см. рис . 224).
Сталь, высокопрочный и ковкий чугун, бронза – l = 2d
Серый чугун – l = (2—2,5)d
Алюминиевые, магниевые, цинковые сплавы – l = (2,5—3)d
Пластмассы (без футеровки) – l = (3,3—3,5)d
Глубина запрессовки l (рис. 218) зависит от материала корпуса и диаметра штифта d (см. выше).
Для тонких (игольчатых) штифтов, диаметром меньше 3—4 мм, эти значения должны быть увеличены в 1,5—2 раза.
Рабочая высота h выступающей части штифта (рис. 218) не меньше (1,5—2,5)d (большие цифры относятся к изделиям из мягких материалов). Диаметр штифтов для мелких изделий и изделий среднего размера делается равным 4—10 мм, для крупных изделий 10—20 мм. Штифты большего диаметра для уменьшения их массы часто изготовляют полыми (рис. 219).
Штифты устанавливают в глухие отверстия одним из трех способов: до упора в кромку развернутой части отверстия (рис. 220, I); до упора в днище отверстия (рис. 220, II); запрессовкой с применением мерной втулки (рис. 220, III), обеспечивающей заданную высоту свободного конца штифта. Последний способ предпочтителен; его применяют при запрессовке штифтов в сквозные отверстия.
В глухих отверстиях необходимо предусматривать место для заборного конуса развертки. Расстояние [а] (рис. 220, III) между развернутым участком и днищем отверстия должно быть равно по крайней мере 0,6d при ручном развертывании и 1,5d при машинном.
При запрессовке штифтов в глухие гнезда необходимо обеспечить выход воздуха из гнезда во избежание возможного разрыва стенок гнезда (в особенности в изделиях из мягких сплавов). Для этого в стенках гнезда выполняют отверстия (рис. 221, I, II); в крупных штифтах — канавки (рис. 221, III) или отверстия (рис. 221, IV).
Применяют обычно три способа установки штифтов в соединяемые детали. При первом способе (рис. 222, I) применяют систему вала. Штифт изготовляют гладким, одного диаметра по длине; отверстие в корпусе развертывают под посадку с натягом, отверстие в съемной детали — под посадки h6 или js6 (в зависимости от требований, предъявляемых к соединению). Этот способ получил наибольшее распространение.
При втором способе (рис. 222, II) применяют систему отверстия. Отверстия развертывают по Н7, один конец штифта обрабатывают под посадку с натягом, другой — по h6 или js6. Штифт получается ступенчатым (что вообще нежелательно по производственным соображениям).
При третьем способе (рис. 222, III) штифт устанавливают в оба отверстия по посадке H7/js6; штифт и отверстия — гладкие. При этом способе обязательно стопорение штифта в корпусе.
В единичном и мелкосерийном производстве по крайней мере одно из отверстий в соединяемых деталях (лучше оба) делают сквозными с таким расчетом, чтобы их можно было просверлить и развернуть совместно в обеих деталях (рис. 223, I, II). В этом случае желательно применение системы отверстия (во избежание нарушения соосности отверстий при дополнительном развертывании под свободный конец штифта).
В крупносерийном производстве отверстия под контрольные штифты в обеих деталях обрабатывают по согласованной оснастке с применением зеркальных кондукторов, обеспечивающих совпадение осей отверстий с высокой степенью точности.
Совместное развертывание отверстий в крупносерийном производстве только осложнило бы производственный процесс. При применении согласованной оснастки отверстия под штифты могут быть и глухими (рис. 223, III, IV). Сквозные отверстия всегда предпочтительнее, так как они обеспечивают более точную и производительную обработку.
На рис. 224 показаны приемы страховки штифтов от выпадения, которое может произойти при ослаблении посадки в гнезде (особенно в деталях из мягких металлов). Установка штифтов в двух глухих отверстиях (рис. 224, I) фиксация зегером в отъемной детали (рис. 224, II) или на стыке деталей (рис. 224, III) вполне предохраняют штифт от выпадения в собранном соединении.
Труднее предупредить возможность потери штифта при разборке. Фиксация штифта заскакивающим зегером (рис. 224, IV) не всегда возможна по габаритным условиям, двусторонняя фиксация зегерами (рис. 224, V) возможна только при сквозном отверстии в корпусе. Способ фиксации завальцовкой металла корпуса в кольцевую выточку (рис. 224, VI) применим только в корпусах, выполненных из пластичных металлов.
На рис. 225 изображен способ страховки штифта шайбой увеличенного диаметра, подкладываемой под близрасположенную крепежную гайку.
При установке штифтов необходимо соблюдать определенные, установленные практикой правила. Штифт должен быть утоплен в отверстии съемной детали (рис. 226, II). Выход штифта (рис. 226, I) недопустим, так как в этом случае штифт может быть поврежден случайным ударом или расшатан в посадочном гнезде. В случае, когда толщина фланца недостаточна для утопления штифта, на участке выхода штифта в съемной детали пред усматривают местные приливы (рис. 226, III).
Штифты всегда следует располагать в непосредственной близости от крепежных элементов: болтов, шпилек и т. д. В деталях, не имеющих других фиксирующих элементов, например, центрирующих заточек, устанавливают два штифта. Большее число штифтов устанавливать нет смысла, кроме случая, когда соединение подвержено повышенным сдвигающим нагрузкам. В соединениях цилиндрических деталей с центрирующей заточкой для угловой фиксации деталей относительно друг друга вполне достаточно одного установочного штифта. При наличии значительных сдвигающих сил применяют и большее число штифтов.
Для более точной фиксации штифты должны быть как можно дальше расположены друг от друга и от геометрической оси детали.
На рис. 227 приведены примеры неправильной и правильной расстановки штифтов на детали типа крышки (отверстия под штифты показаны зачерненными наполовину кружками).
Ошибка в конструкции на рис. 227, I состоит в том, что штифты далеко отнесены от крепежных болтов. В конструкции на рис. 227, II штифты расположены в непосредственной близости от крепежных болтов; здесь ошибка заключается в малом расстоянии между штифтами. Фиксация получается ненадежной; сдвигающие силы (например, от рабочей нагрузки, приложенной к центральной бобышке крышки) вызывают в штифтах соединения большие напряжения.
В конструкции на рис. 227, III ошибки исправлены разноской штифтов. Наиболее правильна конструкция на рис. 227, IV, где штифты разнесены па максимально возможное расстояние.
Конические установочные штифты обеспечивают более точную фиксацию, чем цилиндрические. Точность фиксации почти не теряется с течением времени при износе и после многократных переборок, так как плотность посадки штифта каждый раз восстанавливается в результате погружения штифта в гнездо на большую глубину. Другое преимущество этих штифтов заключается в их относительно легкой удаляемости, что позволяет заменять поврежденные штифты и в известной мере облегчает сборку и разборку соединения. Изготовление соединений на конических штифтах значительно сложнее, чем на цилиндрических. Здесь обязательно совместное сверление, зенкерование и развертывание отверстий в фиксируемых деталях.
Штифты выполняют из закаленной стали. Стандартная конусность 1:50. Штифты устанавливают в гнезда нормированной силой. Конические штифты для фиксации деталей из легких сплавов не применяют из-за возможности смятия стенок отверстия при установке штифта.
Основные типы конических установочных штифтов показаны на рис. 228. Штифт, приведенный на рис. 228, I, применим только для неразъемных соединений или при сквозном отверстии, когда имеется возможность выбить штифт с обратной стороны.
В разъемных соединениях и при установке штифтов в глухие отверстия обязательно применение съемных элементов.
Простейший съемный элемент — кольцевая канавка на выступающем конце штифта (рис. 228, II) под захваты съемника. Удобнее в обращении штифты с наружной (рис. 228, III) или внутренней (рис. 228, V) резьбой. Такие штифты извлекаются из гнезда с помощью гайки (рис. 228, IV) или болта (рис. 228, VI), опирающихся через подкладные шайбы на поверхность отъемной детали. Гайку (или болт) достаточно повернуть на несколько оборотов, чтобы только стронуть штифт с места; после этого штифт вынимают вручную.
В отличие от цилиндрических установочных штифтов, допускающих применение уплотняющих прокладок на стыке соединяемых деталей, конические штифты могут правильно работать только в соединениях «металл по металлу».
Конические установочные штифты применяют в узлах и машинах, где основным требованием является точность установки.
«Лежачие» установочные штифты, ось которых совпадает с плоскостью стыка соединяемых деталей (рис. 229), в отдельных случаях применяют для их фиксации. Сами штифты должны быть зафиксированы.
Фиксация зегерами (рис. 229, I) не предохраняет от выпадения штифта при сборке и разборке. Лучше фиксировать штифты, например, креплением к одной из деталей винтами (рис. 229, II) или зачеканкой металла детали в углубление в теле штифта (рис. 229, III). Последний способ применим только в деталях, выполненных из достаточно пластичных металлов. Отверстия под штифты сверлят с торца и развертывают совместно в обеих деталях. Достоинство этого соединения — большая площадь среза и смятия. Недостаток состоит в том, что под действием сдвигающих сил в соединении возникают перпендикулярные к плоскости стыка силы, дополнительно нагружающие крепежные болты.
Штифты применяют только в стыках типа «металл по металлу». «Лежачие» штифты фиксируют детали только в направлении, перпендикулярном к оси штифтов. При необходимости фиксации во всех направлениях применяют установку нескольких взаимно перпендикулярных штифтов (рис. 229, IV).
Точность фиксации «лежачими» штифтами из-за их расположения гораздо меньше, чем точность фиксации цилиндрическими и коническими установочными штифтами.
Использование: в машиностроении для соединения деталей. Сущность изобретения: соединительный штифт 3 выполнен гладким, а в отверстиях соединяемых детали 1, 2 выполнены выступы 4, 5 разного наклона. Угол наклона выступов в отверстии детали, со стороны которой установлен штифт, больше угла наклона выступов в отверстии второй детали. Диаметр штифта больше расстояния между диаметрально расположенными выступами, но меньше диаметра отверстий. 5 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности для соединения деталей.
Цель изобретения – снижение металлоемкости и ускорение монтажа.
На фиг. 1 изображены соединяемые детали, продольный разрез; на фиг. 2 – соединительный штифт; на фиг. 3 – соединение в сборе, вид с торца; на фиг. 4 – развертка отверстий; на фиг. 5 – вид сверху на развертку отверстия.
Штифтовое соединение содержит соединяемые детали 1, 2 с отверстиями и установленный в отверстиях гладкий соединительный штифт 3 с длиной, не превышающей суммарную толщину соединяемых деталей 1 и 2.
В отверстиях соединяемых деталей 1, 2 по периметру выполнены наклонные выступы 4 и 5, при этом угол наклона выступов 4 в отверстии детали 1, со стороны которой установлен штифт 3, больше, чем угол наклона выступов в отверстии детали 2, а диаметр штифта 3 больше расстояния между диаметрально расположенными выступами, но меньше диаметра отверстия.
Наклонные выступы 4, 5 могут быть выполнены долбяком, при этом для получения различных углов наклона выступов необходимо увеличивать или уменьшать скорость вращения долбяка при одинаковой скорости его продольного перемещения.
Соединение собирают следующим образом.
Штифт 3 устанавливают у входа в отверстие детали 1 и ударяют по его торцу инструментом, при этом штифт 3, перемещаясь в отверстиях деталей 1, 2, деформируется, (выступы 4, 5 врезаются в штифт 3) и надежно закрепляет детали 1, 2. (56) Орлов П. И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. Книга 2. – М. : Машиностроение, 1988, с. 97-98, рис. 205.
ШТИФТОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ, содержащее соединяемые детали с отверстиями и установленный в отверстиях гладкий соединительный штифт с длиной, не превышающей суммарную толщину соединяемых деталей, отличающееся тем, что, с целью снижения металлоемкости и ускорения монтажа, в отверстиях соединяемых деталей по периметру выполнены наклонные выступы, при этом угол наклона выступов в отверстии детали, со стороны которой установлен штифт, больше угла наклона выступов в отверстии второй детали, а диаметр штифта больше расстояния между диаметрально расположенными выступами, но меньше диаметра отверстий.
