Глава 9. З’єднання типу “вал – маточина”

9.1. Шпонкові (плішкові) з’єднання

З агальні відомості. Класифікація. Матеріали. Для з’єднання двох співвісних деталей - вала 1 і маточини (втулки) 2 використовують шпонку 3 (рис. 9.1) як спеціальну деталь, яка закладається у пази з'єднуваних елементів. Шпонки таким чином перешкоджають відносному повороту або зсуву деталей 1 і 2 та служать для передачі обертового моменту від вала до маточини (зубчастого колеса, шківа, муфти і т. ін.) або, навпаки, від маточини до вала.

Рис. 9.1. Елементи шпонкового з’єднання

Іноді окрім передачі обертового моменту шпонки фіксують насаджені на вал маточини у вісевому напрямку.

Конструктивно шпонки поділяються на: призматичні із заокругленими /рис 9.2, а, в/ і плоскими /рис, 9.2, б, г/ торцями; ці шпонки не мають похилу і їх закладають у паз на валі /рис. 9.2, в, г - шпонки з отворами для їхнього закріплення/; сеґментні /рис. 9.2, ґ/, які являють собою сеґментну пластину, що закладається заокругленим боком у паз відповідної форми, який фрезерується на валі; ці шпонки найчастіше застосовуються для конічних кінців валів; клинові без головки /рис. 9.2, д, е/ та з головкою /рис. 9.2, є/; ці шпонки мають похил 1:100 і вводяться у пази з натягом. Умови робота цих шпонок однакові, а головка служить для витягування шпонки з паза.

Призматичні, сеґментні та клинові шпонки стандартизовані.

Призматичні шпонки за призначенням розрізняють: звичайні (міждержавний стандарт ГОСТ 23360) і високі /ГОСТ 10743/, що призначені для з’єднань маточин з валами /рис. 9.4, а/, напрямні /ГОСТ 8790/, які застосовуються у тих випадках, коли маточини повинні мати можливість переміщатися вздовж валів /рис 9.3, а/; ковзні /рис 9.3, б/, що переміщаються вздовж вала разом із маточинами і застосовуються замість напрямних

Р ис. 9.2. Конструкції шпонок

шпонок у тих випадках, коли вимагаються великі переміщення маточин. Напрямні шпонки прикріплюють до вала ґвинтами, а ковзні з’єднують з маточиною виступом циліндричної форми.

Призматичні шпонки відносяться до врізних, тобто таких, що знаходяться в пазі вала. Для спрощення і полегшення складання шпонкових з’єднань між звичайною та напрямною шпонкою і маточиною /рис 9.3, а/, а також між кованою шпонкою і валом /рис 9.3, б/ передбачається радіальний проміжок /по висоті шпонки/. Приблизно половина їхньої висоти розміщення в пазі вала і половина - в пазі маточини.

Сеґментні шпонки /ГОСТ 24071/ врізні і, як призматичні, працюють боковими гранями /рис 9.3, б/. При необхідності по довжині маточини на валі ставлять дві /і навіть три/ сеґментні шпонки. Ці шпонки найтехнологічніші через простоту виготовлення цих шпонок і пазів до них, а також зручності складання з’єднань.

Розрахунок ненапружених шпонкових з’єднань. Проектуючи шпонкове з’єднання, поперечні параметри шпонок приймають у відповідності зі стандартом залежно від діаметра вала.

Рис. 9.3. Рухомі з’єднання з призматичними шпонками:

а – з напрямною шпонкою; б – із ковзною шпонкою

Критерієм роботоздатності ненапружених шпонкових з’єднань є опір зминанню бокових поверхонь шпонок, які сприймають навантагу.

Основним для з'єднань призматичними і сеґментними шпонками є умовний розрахунок на зминання /пружно-пластичний стиск в зоні контакту/.

Принагідно зауважити, що у стандартних шпонках розміри b та h підібрані так, що навантагу з’єднання обмежують не напруги зрізу, а напруги зминання, і лише для дуже відповідальних з’єднань перевірковий розрахунок слід виконати на напруги зрізу.

Отже, оскільки шпонкові з’єднання стандартизовані, а вибір шпонки здійснюється за стандартною методикою /див. вище/, то розрахунок з'єднань переважно виконують як перевірковий.

Рис. 9.4. Розрахункові схеми з’єднань

призматичною (а) та сеґментною (б) шпонками

Розрахунок з'єднань призматичною шпонкою. Припустимо, що нормальні напруги /тиски/ в зоні контакту розподілені рівномірно і плече головного вектора тисків рівне 0,5 d /де d - діаметр вала/, дістаємо

, (9.1)

де 2T/d - сила, яка діє на навантажені поверхні, а l_pt₂ - площа поверхні зминання /мінімальна, оскільки l_pt₁ - значно більша площа зминання в контакті бічної грані шпонки з бічною гранню паза вала/; Т - обертовий момент; l_p - робоча довжина шпонки; t₂ = 0,4 h - глибина врізу шпонки у маточину; - допустима напруга зминання.

За формулою (9.2) перевіряють напруги в зоні контакту або обчислюють граничний /допустимий/ момент:

T^аdm < 0.5dl_pt₂ . (9.2)

Якщо необхідно, то із формули (9.2) знаходять довжину шпонки:

l_p > 2T/(dt₂ ), (9.3)

проте, як правило, її приймають відповідно до довжини маточини, а якщо l_p > l_м (де l_м - довжина маточини), то необхідно передбачити в з'єднанні дві шпонки, взаємно зміщені на 180° або 120°, хоч це рідко застосовується.

Обчисливши довжину шпонки l_p за формулою (32.50), знаходять повну довжину шпонки l = l_p + b (для заокруглених з обох боків торців шпонки), або l = l_p + 0,5b (для заокругленої шпонки з одного торця). Якщо шпонка з плоскими торцями, то l = l_p . Після цього довжину шпонки приводять у відповідність зі стандартним рядом довжин (6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 320; З60; 400; 450; 500 мм).

Допустимі напруги в нерухомих шпонкових з'єднаннях, де = , де - границя плинності слабшого матеріалу деталі /вала, шпонки чи маточини/; п - коефіцієнт безпеки; якщо навантаги точно враховані, то n = 1,25; в інших випадках n = 1,52,0.

Якщо шпонки виготовлені із чистотягненої сталі, то приймається = 80150 МПа /менші значення - для маточин з чавуну та алюмінієвих стопів/, а для маточини із текстоліту або деревопластика = 1520 МПа.

У редукторобудуванні для шпонок зі сталі 45 приймають: = 5070 МПа - при неперервному використанні редукторів з повною навантагою; = 130188 МПа - при середньому режимі використання редукторів; = 260 МПа - при граничних статичних навантагах. Менші значення беруть для різко змінних навантаг шпонкового з’єднання. У піднімально-транспортному машинобудуванні при виборі радимо користуватися рекомендаціями та довідниками.

Проектуючи рухомі з’єднання з напрямними призматичними шпонками, значення допустимих напруг беруть = /2030/ МПа, щоб запобігти задирам та обмежити спрацювання.

Розрахунок з’єднань сеґментними шпонками. Оскільки умови роботи цих з'єднань аналогічні призматичним шпонковим з'єднанням, то згідно з позначеннями на рис 9.4, б напруга зминання буде:

. (9.4)

Допустимі напруги беруть такі самі, як і для з'єднань призматичними шпонками.