Шпоночные соединения

Шпоночными называют разъемные соединения составных час­тей изделия с применением шпонок. Детали шпоночного соединения по­казаны на рис. 3.20, где шпонка 1 закладывается в пазы вала 2 и ступицы 3, надеваемой на вал детали (шкива, зубчатого колеса и т. п.). Шпоночные соединения могут быть неподвижными и подвижными и служат обычно для предотвращения относительного поворота ступицы и вала при пере­даче вращающего момента. Шпоночные соединения широко применяют во всех отраслях машиностроения.

Достоинства шпоночных соединений: простота и надежность конструкции, легкость сборки и разборки соединения, невысокая стои­мость. Основной недостаток шпоночных соединений — снижение нагрузочной способности сопрягаемых деталей из-за ослабления их попе­речных сечений шпоночными пазами и значительной концентрации на­пряжений в зоне этих пазов.

Шпоночные пазы на валах и осях обычно получают фрезерованием концевыми или дисковыми фрезами (рис. 3.21, а, б). Следует отметить, что в первом случае эффективный коэффициент концентрации напряже­ний примерно на 20% больше, чем во втором случае вследствие более плавного выхода дисковой фрезы и менее резкого изменения поперечного сечения вала. Шпоночные пазы в ступицах обычно протягивают шпоноч­ной протяжкой или долбят резцом.

Форма и размеры большинства типов шпонок стандартизованы, а их применение зависит от условий работы соединяемых деталей и диаметров посадочных поверхностей.

Шпоночные соединения подразделяют на напряженные и ненапря­женные. Под напряженным понимается такое соединение, в котором по­стоянно действуют внутренние силы упругости, вызванные предвари­тельной (т. е. до приложения нагрузки) затяжкой.

Напряженные шпоночные соединения осуществляются стан­дартными клиновыми (рис. 3.22) и тангенциальными (рис. 3.23) шпонка­ми с уклоном 1:100, обеспечивающим самоторможение. Клиновые шпон­ки забивают в пазы, ширина которых больше ширины шпонки b, в ре­зультате чего возникают значительные радиальные распорные силы и напряженное соединение, способное передавать вращающие моменты и воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях. Согласно стандар­ту клиновые шпонки могут быть четырех исполнений: с головкой, без головки и без закруглений по концам, с закругленным одним или двумя концами. Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах, подверженных динамическим нагрузкам.

В соединениях тангенциальными (нормальными или усиленными) шпонками натяг создается не в радиальном, а в тангенциальном направ­лении, причем каждая шпонка выполняется из двух односкосных клиньев, положение которых после сборки должно быть зафиксировано с помо­щью штифта или другим способом. Тангенциальные шпонки применяют в тяжелом машиностроении, причем усиленные шпонки ставят при по­вышенных ударных нагрузках и частом изменении направления враще­ния. Обычно тангенциальные шпонки ставят попарно под углом 120° или 180° и ориентируют их в противоположном направлении, так как каждая шпонка передает вращающий момент только в одну сторону (рис. 3.23).

Напряженные шпоночные соединения обладают большой нагру­зочной способностью, не требуют высокой точности пригонки, но, как правило, деформируют соединяемые детали, вызывают расцен-тровку, дисбаланс и неуравновешенность деталей, а при коротких ступицах — перекос их осей. Эти обстоятельства резко ограничивают область применения напряженных шпоночных соединений в совре­менных машинах.

Ненапряженные шпоночные соединения осуществляются стандартными призматическими и сегментными или специальными шпонками. Подвижное соединение стандартной призматической направ­ляющей шпонкой с креплением на валу показано на рис. 3.24, а (резьбо­вое отверстие посередине предназначено для извлечения шпонки из паза вала с помощью винта). На рис. 3.24, б показано подвижное шпоночное соединение со специальными скользящими шпонками.

Неподвижное соединение призматической шпонкой показано на рис. 3.25. Размеры, допуски и посадки призматических шпонок и пазов регламен­тированы ГОСТами. По форме торцов призматические шпонки могут быть трех исполнений (рис. 3.25). Призматические шпонки обеспечивают передачу вращающего момента, но не могут воспринимать осевые нагрузки. Высокие призматические шпонки обладают повышенной нагрузочной способностью и применяются для ступиц из чугуна и других материалов более низкой проч­ности, чем материал вала. В зависимости от принятой базы обработки и изме­рения на рабочем чертеже должен указываться один размер для вала ^ (пред­почтительный вариант) или d- t₁ для втулки d+t₂.

Соединение сегментной шпонкой показано на рис. 3.26. Размеры сег­ментных шпонок и сечений пазов установлены ГОСТом, причем стандарт предусматривает шпонки двух исполнений: высотой h (без лыски) и вы­сотой h₁ (с лыской). Сегментные шпоночные соединения технологичны, удобны при сборочных работах, но глубокий шпоночный паз значительно ослабляет вал, поэтому такие соединения применяют при передаче небольших вращающих моментов или для фиксации деталей на осях. В за­висимости от принятой базы обработки и измерения на рабочем чертеже должен указываться один размер для вала t₁ (предпочтительный вариант) или D - t₁ для втулки D + t₂, где D — диаметр вала.

Расчет ненапряженных шпоночных соединений. Основными кри­териями работоспособности ненапряженных шпоночных соединений являются прочность шпонки на срез и прочность соединения на смятие. Расчеты на срез и смятие основаны на предположении, что соответст­вующие напряжения распределены по сечениям равномерно. Расчетная формула на срез шпонки (рис. 3.27) имеет вид

τ_ср = 2Т /(dA_cp) < [τ_ср]

где Т — вращающий момент; d — диаметр вала; A_cp— площадь среза шпонки (плоскость возможного среза показана на рис. 3.27 волнистой линией).

Расчетная формула шпоночного соединения на смятие имеет вид

σ_см= 2Т /(dA_cм) < [σ_см]

гдеA_cм⁼ (h - t₁); (h- t₁) — высота площадки смятия; l _р — расчетная Длина шпонки (l _р = l - bдля шпонок исполнения А, l _р = l для шпонок исполнения В, l _р = l – b/2 для шпонок исполнения С, см. рис. 3.25); l _р = d для сегментных шпонок по ГОСТу приняты следующие обозначения: d — диаметр шпонки; D — диаметр вала (см. рис. 3.26).

Размеры стандартных призматических и сегментных шпонок уста­новлены в зависимости от диаметра вала по условию прочности шпонки на срез, поэтому основным для таких соединений является проверочный расчет на смятие, а расчет на срез необходим лишь для нестандартных шпонок и особо ответственных конструкций. Если требуется определить длину призматической шпонки, то ее также определяют из расчета на смятие. Обычно длина призматической шпонки должна быть на 3—10 мм меньше длины ступицы, насаженной на вал детали.

Материалы шпонок и допускаемые напряжения. Согласно дейст­вующим стандартам, шпонки должны из­готовляться из сталей с временным сопро­тивлением разрыву не менее 590 МПа. Сортамент чистотянутых среднеуглеродистых сталей для сегментных и призматиче­ских шпонок регламентирован ГОСТом. Легированные стали применяют для специ­альных шпонок.

Допускаемые напряжения на смятие для неподвижных шпоночных соединений при­нимают в зависимости от предела текучести:

[σ_см] = σ_т / [ s ]

где допускаемый коэффициент запаса прочности [s] = 1,9...2,3 при постоянной нагрузке; при реверсивной нагрузке значения [s] увеличиваются на 30%. При чугунных ступицах [σ_см] = 70... 100 МПа. Для подвижных шпоночных соединений в целях предупреждения задира и ограничения износа допус­каемые напряжения смятия уменьшают в 3...4 раза.

Допускаемые напряжения на срез для шпонок принимают в пределах

[τ_ср] = 60...100МПа

(меньшие значения берут при динамических нагрузках).

Пример 3.2. Подобрать призматическую шпонку для соединения стального зубчатого колеса с валом диаметром d = 55 мм, передающего вращающий момент Т= 600 Н*м. Длина ступицы зубчатого колеса 70 мм. Нагрузка постоянная ревер­сивная.

Решение. Согласно стандарту, на призматические шпонки по заданному диаметру вала берем шпонку с размерами: b = 16 мм, h = 10 мм, t₁ = 6 мм (испол­нение А). Учитывая длину ступицы, из стандартного ряда выбираем длину шпон­ки l = 63 мм; расчетная длина l _р = l-b = 63 - 16 = 47 мм.

Принимая материал шпонки сталь 45 с пределом текучести σ_т =350, а допус­каемый коэффициент запаса прочности [s] = 2,5 (нагрузка постоянная реверсив­ная), определим допускаемое напряжение

[σ_см] = σ_т / [ s ] = 320/2,5 = 140 МПа.

Проверяем соединение на смятие:

σ_см=2T/[d(h-t₁) l _p] = 2*600/ [55*10^-3(10-6)*10^-3 *47*10^-3] = 116*10⁶ Па = 116 МПа < [σ_см] = 140 МПа.

Прочность шпоночного соединения обеспечена; если подсчитать напряжения среза, то

τ_ср = 25 МПа < [τ_ср] = 60 МПа.