Шпоночные соединения

Шпоночные и соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т. д. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом. Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные, а вторая — ненапряженные соединения. Размеры шпонок и допуски на них стандартизованы. Соединение клиновыми шпонками (например, врезной клиновой шпонкой — рис. 6.1) характеризуется свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающего момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки.

1 Необходимость этих зазоров связана с технологическими трудностями посадки шпонки по всем четырем граням,

Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторое значение D, равное половине зазора посадки и деформации деталей.

Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения. Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна оси вала.

Обработка паза в ступице с уклоном, равным уклону шпонки, создает дополнительные технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства.

Значительное сокращение применения клиновых шпонок позволяет не рассматривать в настоящем курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.

Соединение призматическими шпонками ненапряженное. Оно требует изготовления вала и отверстия с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия s_см, а в продольном сечении шпонки напряжения среза t_ср.

Для упрощения расчета допускают, что шпонка врезана в вал на половину своей высоты, напряжения s_см распределяются равномерно по высоте и длине шпонки, а плечо равнодействующей этих напряжений равно ~ d/2.

Рассматривая равновесие вала или ступицы при этих допущениях, получаем условия прочности в виде:

У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчетах обычно используют только первую формулу.

Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные в осевом направлении соединения ступицы с валом (коробки скоростей и др.). Силы трения, возникающие при перемещении ступицы в подвижном соединении, могут нарушить правильное положение шпонки, поэтому ее рекомендуют крепить к валу винтами. В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице.

Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этих щпонок подобен принципу работы призматической шпонки. Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. 6.4. Глухая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на малонагруженных участках вала, например на концах валов.

Аналогично соединению с призматической шпонкой для сегментной шпонки получим:

При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегментные шпонки.

Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой (штифтом) показана на рис. 6.5. Цилиндрическую шпонку используют для закрепления деталей на конце вала. Отверстие под шпонку сверлят и обрабатывают разверткой после посадки ступицы на вал. При больших нагрузках ставят две или три цилиндрические шпонки, располагая их под углом 180° или 120°. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжению смятия аналогично призматической:

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков — углеродистой или легированной стали с пределом прочности s_в не ниже 500 МПа. Значение допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал.

Для неподвижных соединений допускают:

при переходных посадках [s_cм] =80...150 МПа;

при посадках с натягом [s_cм] = 110...200 МПа.

Меньшие значения для чугунных ступиц и при резких изменениях нагрузки. В подвижных соединениях (в осевом направлении) допускаемые напряжения значительно снижают в целях предупреждения задира и ограничения износа. При этом принимают [s_cм] =20...30 МПа.