Проектирование клеммовых соединений и эффективность их применения

 
 
 
 
 
 
 
 
 
И.Р. ШАМСУТДИНОВ 
Х.А. ФАСХИЕВ 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КЛЕММОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ  
И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 
 
МОНОГРАФИЯ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
ИНФРА-М  
2025 

УДК 621.824.4(075.4) 
ББК 34.44 
Ш26 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Целищев В.А., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры 
прикладной гидромеханики Уфимского университета науки и технологий; 
Гафуров И.Д., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры мобильных 
энергетических транспортных средств факультета механики и цифрового 
инжиниринга Башкирского государственного аграрного университета; 
Ахметов Н.Д., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой 
механики 
и конструирования 
Набережночелнинского филиала Казанского 
(Приволжского) федерального университета 
 
Шамсутдинов И.Р. 
Проектирование клеммовых соединений и эффективность их применения : 
монография / И.Р. Шамсутдинов, Х.А. Фасхиев. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 
151 с. 
 
ISBN 978-5-16-113555-6 (online) 
 
В монографии приведены научно обоснованные методы сравнительного 
анализа, расчета и проектирования клеммовых соединений, широко применяемых в 
узлах и агрегатах автомобильной техники. Проведен сравнительный анализ 
существующих в автомобильной технике конструкций клеммовых соединений и 
выявлены резервы улучшения их технических характеристик. Разработаны методы 
расчета и проектирования различных типов клеммовых соединений. Выявлен 
характер силового взаимодействия элементов в клеммовых соединениях и факторы, 
влияющие на работоспособность соединения. Приводится метод и пример оценки 
экономической эффективности клеммовых соединений в составе машины. 
Предназначена 
для 
студентов, 
аспирантов 
и 
преподавателей 
машиностроительных и механических специальностей вузов, а также для 
работников научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций и 
предприятий машиностроения. 
 
УДК 621.824.4(075.4) 
ББК 34.44 
 
 
 
 
ISBN 978-5-16-113555-6 (online) 
 
 
© Шамсутдинов И.Р., 
 
 
 
    Фасхиев Х.А., 2025 
ФЗ 
№ 436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 
Ш26 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………… 5 
1. СОЕДИНЕНИЯ ВАЛ-СТУПИЦА И ИХ РАСЧЕТ………….... 11 
1.1. Анализ конструкций и современных методов расчетов и 
проектирования соединений валов со ступицами ………..…..... 11 
1.1.1. Силовое взаимодействие валов со ступицами…………... 11 
1.1.2. Анализ соединений первой группы……………………..... 15 
1.1.3. Анализ соединений второй группы……………………..... 30 
1.1.4. Анализ соединений третьей группы…………………….... 38 
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И  
    ПРОЕКТИРОВАНИЯ КЛЕММОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ........ 49 
 2.1. Клеммовое соединение с симметричной прорезью …….... 49 
2.2. Клеммовое соединение с накладкой ….…………...……..... 55 
2.3. Клеммовое соединение с боковой прорезью........................ 59 
2.4. Расчеты и проектирование соединений, нагруженных 
       осевой силой ………………………………………….……... 64 
2.5. Расчеты и проектирование соединений, нагруженных  
       осевой силой и моментом ………………………………...... 66 
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ  
    ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ РАСЧЕТОВ  
    КЛЕММОВОГО СОЕДИНЕНИЯ …………………………....... 69 
3.1. Методика, оборудование, измерительная аппаратура 
      экспериментального исследования клеммовых 
      соединений …………………………………………………... 69 
3.2. Анализ результатов исследований клеммовых 
      соединений …………………………………………………... 78 
4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ 
    КЛЕММОВОГО СОЕДИНЕНИЯ …..…..................................... 91 
4.1. Подходы к оценке эффективности машин ………………... 91 
4.2. Методические основы оценки экономической эффективности 
       конструкторско-технологических решений.............................. 110 

4.3. Применение клеммового соединения в конструкции  
       картера переднего ведущего моста автомобиля .…….......... 116 
       4.4. Экономический эффект внедрения клеммового  
             соединения в картерах ведущих мостов у производителя.... 120 
       4.5. Расчет экономического эффекта внедрения клеммового  
               соединения в картерах ведущих мостов в эксплуатации.... 123 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ВЫВОДЫ …………….......................................... 140 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………................................. 143 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Экономическое положение государства в существенной степени 
обуславливается уровнем его научно-технического развития. Основной 
целью научно-технического прогресса является производство высококачественной продукции в необходимом объеме с наименьшими затратами 
материальных, трудовых и финансовых ресурсов. Экономика страны, 
НТП преследуют одну цель – наиболее полное удовлетворение потребностей граждан страны. Изменение массовых потребностей людей требует совершенствования технологии производства материальных благ, 
развития науки и техники. В настоящее время в экономическом развитии 
государств однозначно приоритет отдается интенсивному развитию, ставится цель не простого увеличения объема производства, а выпуска более совершенной, конкурентоспособной продукции. Для достижения 
этой цели особенно актуальным является решение проблемы обеспечения необходимого уровня качества производимой продукции. Эта проблема охватывает все этапы жизненного цикла изделия, является не 
только технико-экономической, но социально-экономической. Высокое 
качество выпускаемой продукции проявляется в том, насколько она удовлетворяет потребности людей, а также насколько она позволяет экономить ресурсы потребителя этого изделия. Высокое качество повышает 
имидж не только предприятия, но и государства, улучшает моральнонравственный климат на производстве и в обществе. 
Одним из ключевых показателей качества изделий является надежность, которая закладывается в конструкцию при разработке. Надежность машины определяется надежностью её агрегатов, узлов и деталей, 
поэтому разработчик должен уделять пристальное внимание этому критерию.  
Одним из самых широко распространенных узлов машин являются 
соединения, без которых, как правило, нет машин. В конструкциях машин, в том числе и автомобилей, соединения вал-ступица являются одними из наиболее ответственных узлов. Они в значительной степени 
определяют надёжность, себестоимость и, следовательно, конкурентоспособность  автомобильных агрегатов и автомобиля в целом.  

По принципу передачи движения от вала к ступице (или, наоборот, 
от ступицы к валу) можно выделить три группы соединений валступица. К первой группе отнесём фрикционные соединения с гладкими, 
круглыми сопрягаемыми поверхностями, в которых  передача движения 
осуществляется за счёт сил трения, действующих между сопрягаемыми 
поверхностями. Фрикционные соединения могут сопрягаться по цилиндрическим поверхностям, либо по коническим поверхностям. Ко второй 
группе относятся соединения с некруглыми в торцовых сечениях сопрягаемыми профилями, в которых движение передаётся за счёт сил давления элементов валов на сопрягаемые элементы ступиц. К этой группе 
соединений относятся соединения шлицевые (либо с прямобочными, либо с эвольвентными, либо с треугольными шлицами*) и профильные соединения. К третьей группе относятся шпоночные соединения, в которых движение передаётся посредством дополнительных деталей – шпонок. К этой группе следует отнести соединения вал-ступица, в которых 
вращающий момент передаётся посредством штифтов. 
По характеру относительного положения вала и ступицы соединения вал-ступица могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные 
соединения могут обладать одной или двумя степенями свободы. В соединениях с одной степенью свободы может быть обеспечена возможность вращения ступицы относительно вала и исключена возможность 
их относительного осевого перемещения. В этих случаях передача движения между валом и ступицей не предусматривается; чаще всего в подобных случаях между валом и ступицей устанавливается промежуточное устройство – подшипник. Взаимодействие деталей, методы расчётов 
и проектирования этих соединений в настоящей работе не рассматриваются. Соединения вал-ступица часто проектируются с одной степенью 
свободы так, что обеспечивается возможность относительного осевого 
перемещения вала и ступицы и невозможность их относительного вращения. В этих соединениях передача вращающего момента осуществляется либо посредством направляющей шпонки, либо посредством сколь 
*  От  немецкого слова  Schlitz - щель, разрез 

зящей шпонки, либо с использованием подвижного шлицевого сопряжения.  
При проектировании автомобильных агрегатов возникают задачи 
выбора наиболее рациональных способов соединений валов со ступицами и разработки конструкций этих соединений с оптимальными параметрами. Рациональная конструкция создаётся на базе расчётов по критериям деталей, образующих её. Эти расчёты должны базироваться на 
достоверных сведениях, отражающих реальную картину работы соединения.  
В технической литературе, например [4, 11, 34, 37, 67, 74], приводятся методы расчётов различных соединений валов со ступицами, но 
большинство из этих методов не отражают физическую картину работы 
деталей в соединении и приводят к неоднозначным результатам. По этой 
же причине выбор оптимального способа соединения вала со ступицей 
невозможен. 
Цель настоящей работы заключается в разработке научно обоснованных методов сравнительного анализа, расчета и проектирования 
фрикционно-винтовых соединений, широко применяемых в узлах и агрегатах автомобильной техники, повышающих их надежность. 
В работе исследуются клеммовые соединения, используемые в машиностроительных конструкциях, в частности, в конструкциях автомобилей. 
Теоретические исследования выполнены с применением методов 
механики машин, сопротивления материалов, теории упругости, экспериментальной механики. Экспериментальные исследования проведены 
по разработанной методике с применением тензометрирования  с использованием универсальной сервогидравлической испытательной машины «HOFMAN-212» и многоканальной тензометрической системы 
«СИИТ-3» с блоком дистанционного релейного переключения. 
В работе приводятся результаты исследований фрикционновинтовых соединений (клеммовых соединений), используемых в конструкциях автомобильных агрегатов, приводятся новые методы расчётов 
и проектирования этих соединений.  

В первой главе проведён обзор соединений вал-ступица, используемых в современных машиностроительных конструкциях, достоинства и 
недостатки, присущие этим соединениям; приведён анализ  методов расчётов и проектирования. При проведении анализа все соединения валов 
со ступицами насадных деталей в зависимости от принципа передачи 
вращающего момента разделены на три группы. Установлено, что 
наименее изученными являются распространённые виды соединений 
вал-ступица – клеммовые (фрикционно-винтовые) соединения. Проведён 
обзор клеммовых соединений, используемых в современных машиностроительных конструкциях, достоинства и недостатки, присущие этим 
соединениям; приведён анализ методов расчётов и проектирования. При 
проведении анализа клеммовые соединения из конструктивных соображений, в зависимости от принципа приложения нагрузки и передачи 
вращающего момента на клеммовый рычаг, а также от способа затяжки 
клеммы разделены на три типа. Выявлены недостатки современных методов  расчётов этих соединений по критериям их работоспособности. 
На основании анализа конструкций, а также на основании анализа методов расчётов и проектирования, описанных в современной научнотехнической литературе,  сформулирована цель работы и задачи исследования. 
Во второй главе приведён силовой анализ клеммовых соединений 
трех типов. Определены силы взаимодействия клеммового рычага с валом, характер изменения этих сил при приложении крутящего момента 
Т, осевой силы Fа, а также при приложении совместно крутящего момента и осевой силы. Из условия неподвижности клеммового соединения при воздействии на рычаг внешних сил определяются оптимальные 
значения размеров: диаметр винта (болта), толщина перемычек, длина, 
высота и ширина клеммы, а также остальные размеры, определяющие 
габариты соединения. Из условия обеспечения прочности клеммового 
соединения назначаются материалы клеммового рычага, накладки и винта (болта). Приводится анализ работы соединения в случаях, когда крутящий момент Т постоянен по направлению, а также в случаях, когда 
момент Т меняет направление. 

В третьей главе дано описание экспериментального исследования 
клеммового соединения. Спроектированы испытательные образцы 
клеммового соединения типа А и Б, показана установка тензометрических датчиков на соединении в контролируемых точках, схемы монтажа 
соединения на универсальный испытательный стенд и место приложения нагрузки на испытуемый объект. Проведен анализ полученных результатов испытания, подтверждающий правильность теоретических исследований, описанных во второй главе. Даны рекомендации по сборке 
соединения. 
В четвёртой главе приведены основные теоретико-методические 
положения оценки технико-экономической эффективности машин и 
конструкторско-технологических решений, которые необходимы для 
оценки экономической эффективности применения клеммовых соединений в составе машин. Произведены расчеты, даны рекомендации по 
применению клеммового соединения в конструкции картера переднего 
ведущего моста полноприводного автомобиля. Расчетами доказано, что 
применение клеммового соединения в конструкции картера переднего 
моста полноприводного автомобиля вместо фланцевого соединения позволяет снизить себестоимость изготовления и  массу моста, тем самым 
получить существенный экономический эффект как у производителя, 
так и у потребителя в эксплуатации. 
Новыми научными положениями данной работы являются: 
- графо-аналитический метод определения силовых соотношений в 
различных конструкциях фрикционно-винтовых соединений, заключающийся в разбиении конструкции клеммы на отдельные участки и рассмотрении их равновесия с учетом внешних и внутренних сил.  Расчет 
силовых соотношений в сопряжении с учетом отклонения сил давления 
отдельных участков от нормали к поверхностям трения позволяет более 
точно рассчитывать и спроектировать элементы клеммовых соединений 
по критериям работоспособности; 
- установлены факторы и степень их влияния на несущую способность клеммовых соединений. В частности, а) влияние сдвига, взаимной 
ориентации осей приложения внешней нагрузки и оси болтов крепления 

в клеммовом соединении с одной прорезью; б) влияние геометрических 
размеров и материала клеммового рычага на силовые соотношения в соединении. Установлено, что наличие масла на сопрягающихся стальных 
поверхностях в 1,5 раза снижает несущую способность соединения по 
сравнению с соединением с сухой поверхностью; 
- методика экспериментального исследования фрикционных соединений  различных типов и комплекс для ее реализации, включающий, 
в отличие от известных, универсальную пару вал-стойка в которую монтируются исследуемые объекты, включающий универсальное приспособление для монтажа исследуемого соединения, сервогидравлическую 
нагружающую машину, измерительно-расчетную аппаратуру, позволяющие с необходимой точностью установить силовые соотношения в 
фрикционных соединениях. 
Разработанные методы проектирования и расчета клеммовых соединений позволяют создать агрегаты и узлы машин с необходимой 
надежностью. Метод расчета клеммовых соединений на практике был 
использован при проектировании картера переднего ведущего моста 
полноприводного автомобиля. Замена фланцевых соединений на клеммовое в конструкции картера переднего моста позволило снизить себестоимость изготовления и массу моста, за счет чего был получен у изготовителя существенный экономический эффект от внедрения клеммового соединения. 
Книга предназначается для студентов машиностроительных вузов, 
а также работников КБ и НИИ.