Классификация шпоночных соединений

Тема лекции: Шпоночные соединения

Вопросы лекции:

1. Достоинства и недостатки шпоночных соединений

2. Классификация шпоночных соединений

3. Конструкции шпонки

4. Материал шпонок

5. Расчет на прочность соединений с призматическими шпонками

6. Расчет на прочность соединений с сегментными шпонками

7. Расчет на прочность соединений с врезными клиновыми шпонками

 

 

Литература

1. Тюняев А. В. Детали машин [Текст]: учебник / А. В. Тюняев, В. П. Звездаков, В. А. Вагнер; рец. А. Ю. Иванов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2013. - 736 с.

2. Андриенко Л.А. Детали машин: учебник для вузов / [Л.А. Андриенко, Д., Б.А. Байков, М. Н. Захаров и др.]; под ред. О. А. Ряховского. 4-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 465, [7] с.: ил.

3. Рукодельцев, А.С. Детали машин: конспект лекций для стул. техн. специальностей оч. и заоч. обуч. / А.С. Рукодельцев, И.В. Никитаев, О.В. Сидорова. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - 204 с.

4. Гулиа Н. В., Детали машин: Учебник / Н.В. Гулиа, В. Г. Клоков, С.А. Юрков //Под общ. ред. д. т. н., проф. Н. В. Гулиа. — 3-еизд., стер. — СПб.: Издатель ство «Лань», 2013. — 416 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература).

 

 

Шпоночные и шлицевые соединения служат для закрепления на валу (или оси) вращающихся деталей (зубчатых колес, шкивов, муфт и т. п.), а также для передачи вращающего момента от вала 1 к ступице детали 2 или, наоборот, от ступицы к валу (рис. 1и 2).

Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки и др.). Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента между валом и ступицей. Иногда шпоночное соединение применяется для предотвращения относительного сдвига соединяемых плоских деталей, например, при защите стягивающих болтов от воздействия перерезывающей нагрузки. Основные типы шпонок стандартизованы. Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковым или концевыми фрезами, в ступицах протягиванием.

Достоинства и недостатки шпоночных соединений

Достоинства шпоночных соединений.

 - простота конструкции, дешевизна и сравнительная легкость монтажа и демонтажа, вследствие чего их широко применяют во всех отраслях машиностроения.

Недостатки шпоночных соединений.

- шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали (из-за этого приходится увеличивать толщину ступицы и диаметр вала). Ослабление вала обусловлено не только уменьшением его сечения, но главное, значительной концентрацией напряжений изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом.

- шпоночные соединения нарушают центрирование колеса на валу (для этого приходится применять две противоположные шпонки);

- шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовлении паза концевой фрезой требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении паза дисковой фрезой крепление шпонки в пазу винтами (от возможных осевых смещений);

- трудность обеспечения их взаимозаменяемости (необходимость руч­ной подгонки шпонок), что ограничивает их применение в крупносерий­ном и массовом производстве.

Классификация шпоночных соединений

По степени подвижности шпонки подразделяют на:

- подвижное  с направляющей шпонкой; со скользящей шпонкой;

- неподвижное;

По усилиям, действующим в соединении шпонки подразделяют на:

- напряжённые, такие, в которых напряжения создаются при сборке и существуют независимо от наличия рабочей нагрузки, все напряжённые соединения являются неподвижными;

- ненапряжённые, в которых напряжения возникают только при воздействии рабочей нагрузки;

По конструкции шпонки подразделяют на:

- призматические выполняют прямоугольного сечения с соотношением сторон h:b≈1:1 для валов малых диаметров и 1:2 для больших диаметров вала со скругленными исполнение 1 (рис. 3, а, в, и рис. 4) и плоскими торцами исполнение 2  (рис. 3, б, г и рис. 4); с одним плоским, а другим скругленным торцом исполнение 3 (рис. 4); эти шпонки не имеют уклона и их закладывают в паз, выполненный на валу (рис. 3, в, г — шпон­ки имеют отверстия для их закрепления). Шпонки исполнения 1 рекомендуются для более точных соединений. В зависимости от диаметра вала ширина шпонки (в номинальном значении равная ширине пазов вала и ступицы) b≈(0,2…0,3)d, где d - диаметр вала, причём, чем больше диаметр вала, тем меньше отношение b/d. Глубина шпоночного паза на валу обычно составляет t₁=0,6h, а глубина паза ступицы  t₂=0,5h, таким образом, радиальный зазор между дном паза ступицы и верхней гранью шпонки с=0,1h.

Призматические шпонки изготовляют следующих трех типов:

- обыкновенные (закладные) (ГОСТ 23360-78) и высокие (ГОСТ 10748-79); их используют для неподвижных соединений ступиц с валами;

- направляющие с креплением на валу (ГОСТ 8790-79), применяемые в том случае, когда ступицы должны иметь возможность перемещения вдоль валов;

- скользящие сборные (ГОСТ 12208-66), соединяющиеся со ступицей выступом (пальцем) цилиндрической формы и перемещающиеся вдоль вала вместе со ступицей.

Рабочими у призматической шпонки являются более узкие, боковые грани.

Призматические направляющие шпонки с креплением на валу применяют в подвижных соединениях для перемещения ступицы вдоль вала.

Рабочими являются боковые, более узкие грани шпонок высотой h. Размеры сечения шпонки и глубины пазов принимают в зависимости от диаметра d вала.

Шпонку запрессовывают в паз вала. Шпонку с плоскими торцами кроме того помещают вблизи деталей (концевых шайб, колец и др.), препятствующих ее возможному осевому перемещению. Призматические шпонки не удерживают детали от осевого смещения вдоль вала. Для фиксации зубчатого колеса от осевого смещения применяют распорные втулки, установочные винты и др.

Одним из главных недостатков призматических шпонок является необходимость их индивидуальной подгонки к размерам пазов вала и ступицы, то есть трудность обеспечения взаимозаменяемости, что ограничивает их применение в крупносерийном производстве.

В качестве другого недостатка следует назвать способность призматической шпонки к опрокидыванию в процессе износа и смятия боковых рабочих поверхностей, так как силы, действующие на шпонку, образуют моментную пару, а по высоте шпонки в пазу всегда имеется некоторый зазор.

От последнего недостатка свободны сегментные шпонки, поскольку они существенно глубже сидят в пазу вала. Такое заглубление сегментной шпонки и её форма в виде сегмента прямого кругового цилиндра позво­ляет устанавливать шпонку в паз вала без натяга, что, в свою очередь, облегчает сборку соединения и обеспечивает выполнение условий взаимозаменяемости, то есть позволяет использовать шпонку без предварительной подгонки.

- сегментные (рис. 3, д и рис. 5 и 6); представляют собой сегментную пластину, заложенную закруглен­ной стороной в паз соответствующей формы, профрезерованный на валу (рис. 6). Сегментные шпонки, как и призматические, работают боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов и часто применяют для конических концов валов, на валах небольших диаметров (до 38 мм) и при короткой ступице. Сегментные шпонки (ГОСТ 24071-80) и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже (шпонки свободно вставляют в паз и вынимают), однако вал ослабляется глубоким пазом под шпонку. Широко применяют в серийном и массовом производстве.

Недостатком сегментных шпонок является более сильное в сравнении с призматическими ослабление сечения вала. Поэтому сегментные шпонки применяются, как правило, на малонагруженных изгибающими моментами участках валов. Такими участками чаще всего являются концевые участки валов.

Сегментные шпонки так же, как и призматические, стандартизованы, причём в обоих случаях стандарт составлен так, что прочность шпонки на срез по границе прилегания вала и ступицы всегда выше прочности боковых поверхностей шпонок по напряжениям смятия. Это обусловливает главенство расчёта на смятие боковых поверхностей шпонки.