Вы уже познакомились с крепежными деталями, с осями и валами, с подшипниками, с зубчатыми и червячными передачами. Но отдельно взятая деталь еще не машина. А чтобы создать из деталей машину, надо прежде всего знать, как с минимальными затратами технических средств достаточно надежно соединить их между собой, как найти единственно приемлемый для каждого конкретного случая вариант соединения.

Сегодня мы беседуем о соединении роликов, зубчатых колес, кулачков и других элементов конструкций с валами и подвижными осями, а также валов между собой. Все способы соединения, о которых мы будем говорить, доступны вам, если вы располагаете минимальным оборудованием домашней мастерской или гаража: токарным, фрезерным и сверлильным станками. А пригодятся эти способы при постройке самых разных механизмов и действующих моделей.

Шпонка — небольшая, но очень ответственная деталь. Она не дает одной сопрягаемой детали проворачиваться относительно другой. Шпонка очень проста и в изготовлении и в сборке, не требует дополнительных габаритов, она спрячется внутри сборочной единицы. В детали, которая насаживается на вал, и на самом валу выполняются пазы, размеры которых тщательно подгоняют к шпоночным (рис. 1).

Шпонку можно считать образцом исключительно рационального использования материала. В ней нет никаких излишеств, весь материал в работе: боковые грани сопротивляются деформации смятия, что определяет длину и высоту шпонки, а ее сечение — деформации среза, что дает третье измерение — толщину. Размеры шпонок стандартизованы и, как правило, не рассчитываются, а подбираются по техническим справочникам, главным образом в зависимости от диаметра вала.

Слово «шпонка» произошло от немецкого Spon — щепка. Видимо, именно щепка выполняла роль шпонки в первых механических деталях, созданных руками человека еще до нашей эры, — например, ветряной мельнице.

Если вал машины работает с повышенной нагрузкой и шпонка ее не выдержит, можно применить шлицевое соединение, представляющее собой как бы семейство шпонок, выполненное непосредственно в сопрягаемых деталях (рис. 2). Такая посадка детали на вал надежнее и прочнее, но технологически значительно сложнее и, следовательно, дороже.

А вот еще метод получения прочного и надежного соединения деталей — посадка с гарантированным натягом. Посадочный диаметр вала выполняется на несколько сотых долей миллиметра большим, чем диаметр отверстия у сопрягаемой детали. Когда деталь запрессована на место, огромные силы трения между поверхностями соединенных деталей прочно фиксируют их взаиморасположение. Казалось бы, проще не придумаешь: никаких дополнительных деталей, ни пайки, ни сварки, ничего лишнего, но... Представьте себе, что мы таким образом соединили вал с зубчатым колесом, а его при ремонте механизма потребовалось снять. Конечно же, при разборке посадочные поверхности деталей будут повреждены и восстановить надежную посадку будет непросто. Поэтому прессовая посадка рекомендуется только для таких элементов машин, которые не подлежат разборке.

Посмотрите при случае, как на вал шнека ручной мясорубки устанавливается нож. Это пример распространенного разъемного соединения вращающихся деталей — посадка на квадрат. Но при всей простоте, надежности и компактности этот способ тоже не безгрешен, так как не обеспечивает соосности сопрягаемых деталей (отметим, что для мясорубки соосность и не требуется). Однако при необходимости с этим недостатком можно бороться: на валу и в ступице устанавливаемой детали предусматривают дополнительные цилиндрические посадочные поверхности А, длины которых должны быть не меньше посадочного диаметра (рис. 3). Эта часть посадки и берет на себя заботы о центровке. Правда, тут уже пропадает одно из положительных качеств — компактностью

Вместо квадрата в деталях можно предусмотреть посадочный конус (К=1:10) и получить более надежное соединение, в котором к тому же при плотной затяжке гайки устраняются люфты. Иногда для фиксации детали на валу в соединение вводится еще и шпонка (рис. 4), предпочтительно сегментная, которая благодаря своей конфигурации самостоятельно ориентируется в наклонном пазу устанавливаемой детали. Кстати, иногда сегментная шпонка применяется и для посадки деталей на цилиндрический вал.

Для передачи небольших крутящих моментов можно пользоваться более простыми средствами соединения деталей с валами и подвижными осями.

Деталь устанавливается на валик и фиксируется на отведенном ему месте цилиндрическим штифтом (рис. 5а). Сквозное отверстие засверливается с таким расчетом, чтобы штифт можно было плотно вогнать в него легкими ударами молотка. При разборке штифт также выколачивается молотком с помощью бородка или выколотки соответствующего диаметра.

Более плотное и надежное крепление детали на валу можно обеспечить коническим штифтом (рис. 5б). Для этого отверстие, засверленное под штифт, дорабатывается маленькой конической разверткой — колизавром.

Однако и этим простейшим способом соединения деталей нельзя пользоваться, как говорят, без оглядки. Необходимо сначала убедиться, что устанавливаемая деталь не закроет доступ к месту сверления, и не только сверлу, но и патрону, в котором оно зажато. Наиболее ходовые диаметры штифтов 1—3 миллиметра, а такие сверла очень коротки. Делать наклонное сверление под штифт не рекомендуется.

Если в устанавливаемой детали сделать резьбовое отверстие и ввернуть винт, его конец, упираясь в валик, закрепит деталь в заданном месте. Этот способ породил термин — установочный винт. Разберемся в некоторых разновидностях установочного винта.

Остроконечный установочный винт при заворачивании уплотняет посадку и, впиваясь кончиком в тело валика, удерживает деталь (рис. 6а).
Вдоль оси валика выполняется небольшая канавка, в которую заходит коническая часть установочного винта. Угол кончика винта и канавки 90° (рис. 6б). Такой способ крепления несколько прочнее предыдущего: здесь работает не только острие, а почти вся коническая часть установочного винта.

Можно в месте посадки детали на валу снять лыску, тогда следует применить установочный винт с плоским концом (рис. 6в).

Теперь коротко о соединениях валов между собой. Как, например, соединить вал электродвигателя с валом редуктора? Ответ прост — муфтой. Но какой? Выбор велик: встречаются муфты чисто механические, гидравлические, электромагнитные, смешанного типа — это по принципу действия. А по конструктивному исполнению они могут быть постоянного и прерывистого действия, могут быть фрикционными с плавным сцеплением и зубчатыми с фиксированным включением, обгонными или одностороннего действия, автоматическими и полуавтоматическими, с непрерывным дистанционным управлением и с управлением по заранее заданной программе. Великое множество разновидностей муфт сцепления невозможно просто перечислить.

Для первого знакомства возьмем несколько простейших.

На рисунке 7 изображен вариант постоянной муфты. Концы соединяемых валиков с зазором входят в небольшую втулку и закрепляются коническими штифтами, поставленными перпендикулярно друг другу. Благодаря зазору получается соединение карданного типа, которое и передает вращение, и компенсирует несоосность валов, возникающую из-за неточности установки. Уменьшаются потери на трение и связанный с этим износ трущихся деталей. Установка такой муфты требует повышенной аккуратности, особенно на малых валиках — если их погнуть, может поломаться вся система.

На рисунке 8 — подвижная муфта. Концы валов выполнены в виде шипа и паза, что при их сочленении допускает некоторую свободу перемещения вдоль оси вращения, но не терпит несоосности валов.

Для связи валов диаметром от 12 до 100 миллиметров рекомендуются упругие муфты со звездочкой (рис. 9). На концах валов крепятся стальные полумуфты, соединенные промежуточной упругой звездочкой из твердой резины. Звездочка, обладая некоторой эластичностью, сглаживает биения от несоосности валов и смягчает удар в момент включения. И еще одно ценное качество — муфта такого типа работает практически бесшумно.

Упругая муфта со звездочкой: 1 — полумуфты; 2 — звездочка; 3 — установочные винты; 4 — стопорные кольца

Моделисты для передачи малых вращающих моментов часто применяют упрощенный вариант эластичной связи — дисковую муфту. Здесь роль звездочки выполняет резиновый диск, а массивные полумуфты заменены простыми поводками (рис. 10).

В заключение беседы познакомимся с принципом действия фрикционной муфты на примере автомобильного сцепления, которое служит для разъединения коленчатого вала двигателя с силовой передачей автомобиля во время переключения скоростей и при торможении. Кроме того, сцепление дает возможность плавно трогать автомобиль с места (рис. 11).

Схема механизма сцепления автомобиля: а — сцепление вилюче-но, б — отключено

К вращающемуся маховику 1 под давлением пружины 5 прижимается диск 2 сцепления, ступица 7 которого посажена на шлицы ведущего вала 6 коробки передач. При достаточной силе трения маховик и диск сцепления будут вращаться как одно целое, передавая крутящий момент от двигателя к коробке передач.

Если нажать на педаль 3, то приводное усилие, действующее через отводку 4 на ступицу 7 диска сцепления, вызовет перемещение его по шлицам вала 6. Между маховиком и диском сцепления образуется зазор — сцепление выключится. Если плавно отпустить педаль сцепления, то пружина 5 снова прижмет диск сцепления к маховику, вначале с пробуксовкой (автомобиль плавно тронется с места), а затем очень плотно.

Итак, для соединения вращающихся деталей человеческая мысль от использования элементарных щепок пришла к созданию умнейших автоматических систем.