3.5. Шпоночные соединения

Шпоночными называются разъемные соединения с помощью специальных деталей – шпонок, устанавливаемых в пазы вала и ступицы. Основное назначение шпонки – передача вращающего момента от вала к деталям. Шпонки делятся на клиновые, образующие напряжен­ное соединение, и призматические – для ненапряженных соединений.

Клиновые шпонки запрессовываются (забиваются) в пазы вала и ступицы, что смещает оси соединяемых деталей на величину δ. Это приво­дит к смещению центра масс и появлению неуравновешенной силы, соз­дающей дополнительные нагрузки на опоры вала. Вращающий момент пе­редается силами трения, возникающими при забивании шпонки.

Рис. 3.12. Шпоночные соединения: а) - клиновой шпонкой; б) – призматической шпонкой; в) - исполнения призматических шпонок; 1 - вал; 2 - ступица детали; 3 - шпонка

Обработка паза в ступице с уклоном, равным уклону шпонки, созда­ет технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Это недопустимо в условиях массового производства. Перечисленные недостатки ограничивают применение клиновых шпонок в современном машиностроении.

Призматические шпонки закладываются в паз вала (их называют закладными) и передают вращающий момент узкими боковыми гранями. Соединение не воспринимает осевые нагрузки, поэтому можно осущест­вить подвижное соединение деталей. В этом случае для обеспечения пра­вильного положения шпонки их обычно крепят к валу или ступице.

Достоинствами шпоночных соединений являются: простота и надежность конструкции, легкость сборки и разборки соединения, возможность получать как подвижные, так и неподвижные соединения, невысокая стоимость.

Основной недостаток шпоночных соединений – ослабление вала и ступицы шпоночными пазами и значительная концентрация напряжений в зоне этих пазов. В результате снижается нагрузочная способность сопрягаемых деталей. Эти соединения не рекомендуются для быстроходных динамически нагруженных валов.

Рис. 3.13. Подвижное соединение призматическими шпонками:

а) крепление шпонки на валу; б) крепление шпонки в ступице

3.5.1. Практический расчет призматических шпонок

Основным критерием работоспособности являются прочность шпонки (рис. 3.12, б) на срез и прочность соединения на смятие. При расчете принимаются следующие допущения:

• шпонка врезана в вал на половину своей высоты;

• напряжения смятия распределены равномерно по высоте и длине шпонки;

• плечо равнодействующей напряжений смятия равно ≈d/2.

Размеры стандартных призматических шпонок установлены в зависимости от диаметра вала d по условию прочности шпонки на срез, поэтому основным является расчет на смятие. Расчет на срез проводится как проверочный.

Расчет ведется в следующей последовательности:

а) в зависимости от диаметра вала d выбираем по таблицам стандарта сечение шпонки bh;

б) условие прочности по напряжениям смятия имеет вид:

,

где Т – вращающий момент;

d – диаметр вала;

А_см – площадь смятия шпонки, А_см=h/2l_p,

где h – высота шпонки;

l_p – расчетная длина шпонки;

[σ_см] – допускаемые напряжения смятия материала шпонки, ;

[S] – допускаемый коэффициент запаса прочности, принимается:

[S]=1,9…2,3 – при постоянной нереверсивной нагрузке;

[S]=2,9…3,5 – при переменной нереверсивной нагрузке;

При реверсивной нагрузке значение [S] увеличить на 30%.

В окончательном виде:

в) из условия прочности на смятие определяем расчетную длину шпонки:

;

г) определяем длину шпонки в зависимости от ее исполнения:

исполнение 1 – l=l_p+b, исполнение 2 – l=l_p+b/2, исполнение 3 – l=l_p;

д) из таблиц стандарта выбираем ближайшую длину l для сечения bh;

е) определяем длину ступицы, насаженной на вал детали, l_ст=l+(5…10) мм;

ж) производим проверочный расчет по напряжениям среза

,

где [τ_ср] – допускаемые напряжения материала шпонки на срез, [τ_ср]=85…90 МПа.