1.3 Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения
Шпоночные и зубчатые соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом.
Шпоночные соединения
Все виды шпонок можно разделить на клиновидные и призматические. Первая группа образует напряженные, а вторая – ненапряженные соединения. Размеры шпонок и допуски на них стандартизованы.
Соединение клиновыми шпонками характеризуется свободной посадкой ступицы на вал, расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням, передачей вращающего момента от вала к ступице, в основном, силами трения, образованными запрессовкой шпонки. Запрессовка смещает центры вала и ступицы. Это смещение вызывает дисбаланс, и неблагоприятно сказывается на работе механизма, а также может вызвать перекос деталей. Клиновая форма шпонки нетехнологична. Эти недостатки являются причиной сокращения применения клиновых шпонок.
Рисунок 1 - Шпоночное соединение клиновыми шпонками
Соединение призматическими шпонками ненапряженное. Чаще посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передается боковыми узкими гранями шпонки, при этом, на них возникают напряжения смятия, а в продольном сечении шпонки – напряжения среза. Для упрощения расчета принимают, что шпонка врезана в вал на половину своей высоты, а напряжения распределяются равномерно по длине и высоте шпонки. Размеры шпонки (bxhxl) выбирают по справочнику, в зависимости от диаметра вала. Длину l шпонки берут на 5…10 мм меньше длины ступицы. И далее из условия равновесия вала и ступицы, проверяем на прочность:
На смятие σсм= 4Т/(hlpd)≤ [σ см],
На срез τ = 2Т/( blpd)≤ [τ].
Рисунок 2 - Соединение призматическими шпонками
Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные, в осевом направлении, соединения вала и ступицы.
Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновидностью призматической шпонки, поэтому они также рассчитываются на смятие. Шпоночный паз для сегментной шпонки значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют для закрепления деталей на малозагруженных участках валов. Цилиндрическую шпонку используют для закрепления деталей на конце вала. Рассчитывают на смятие:
Рисунок 3 - Соединение сегментными шпонками
Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой:
Рисунок 4 - Соединение цилиндрическими шпонками
Материал шпонок и допускаемые напряжения
Стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков – углеродистой или легированной стали. Значение допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал. Допускаемые напряжения задаются в зависимости от материала и вида соединения (подвижное и неподвижное)
Контрольные вопросы: 1. Для чего служат шпонки? 2. Какие шпонки нормализованы ГОСТами? 3. Где применяют различные типы шпонок? Из какого материала их изготовляют? Как определяют их размеры? 4. Как производится проверочный расчет призматических, сегментных и клиновых врезных шпо-нок? 5. Какие различают шлицевые (зубчатые) соединения и какие из них нормализованы ГОСТом? 6. Какие преимущества имеют шлицевые соединения по сравнению со шпоночными? 7. Как осуществляется центрирование шлицевых соединений? Как их рассчитывают? 8. Какие различают виды профильных соединений и когда их применяют?