Глава 6

ШПОНОЧНЫЕ И ЗУБЧАТЫЕ (ШЛИЦЕВЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ

Шпоночные и зубчатые 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.

§ 6.1. Шпоночные соединения

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.

Рис. 6 :

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 граням² (рабочими являются широкие гра­ни шпонки); передачей вращающего момента от вала к ступице в ос­новном силами трения, которые образуются в соединении от за­прессовки шпонки. За­прессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторое значение А, 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 щпонок позволяет не рассматривать в настоящей 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 смятения а_см, а в продольном сече­нии шпонки — напряжения среза т (рис. 6.2).

Для упрощения расчета допускают, что шпонка врезана в вал на половину своей высоты, напряжения а_см распределяются равно- Рис. 6.2 мерно по высоте и длине

шпонки, а плечо равнодействующей этих напряжений равно ~*//2. Рассматривая равновесие вала или ступицы при этих допущениях, получаем условия прочности в виде

а_см = 4Г/(А/_р<0<[о_см]; (6.1)

т = 277(ад<[т]. (6.2)

У стандартных шпонок размеры Ь и А подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчетах обычно исполь­зуют только формулу (6.1).

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 (рис. 6.3, а). В не­которых конструкциях подвижных соединений целесообразно

Рис 6.3

£

с

применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице (рис. 6.3, б).

Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновид­ностью призматической шпонки, так как принцип работы этих шпонок подобен прин­ципу работы призма­тической шпонки. Кон­струкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. 6.4. Глубокая 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

<7см~2Г/(Ш)5$[с7_см]. (6.3)

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° соответственно. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжениям смятия аналогично формуле (6.1):

СТсм«4Г/(</_ш/</Ц[ст_см]. (6.4)