9.2 Шпоночные соединения

9.2.1 Общие сведения

Данные соединения служат для передачи крутящего момента от вала к ступице детали или наоборот. В отдельных случаях шпонки фиксируют ступицы в осевом направлении. К достоинствам шпоночных соединений относятся простота и низкая стоимость конструкции. К недостаткам можно отнести: ослабление вала и ступицы шпоночными пазами; концентрация напряжений в углах шпоночных пазов снижает усталостную прочность вала, прочность соединения ниже, чем прочность вала и ступицы; сложность и трудоемкость взаимозаменяемости.

Основные виды шпонок разделяются на призматические и клиновые. Различают ненапряжённые и напряжённые шпоночные соединения. Ненапряжённые шпоночные соединения осуществляют с помощью призматических и сегментных шпонок, а напряжённые – клиновыми шпонками (рис. 9.5).

а) б)

в)

Рис. 9.5. Конструкции шпоночных соединений со шпонками:

а – призматическими; б – сегментными; в – клиновыми

9.2.2 Расчёт и конструирование

Длину шпонок принимают на 5÷10 мм короче длины ступицы и выравнивают до стандартного значения. Размеры шпонок (ширину и высоту) выбирают по соответствующему стандарту в зависимости от диаметра вала d. После определения размеров шпонок производится проверочный расчёт их прочности.

Соединения призматическими шпонками

Прочность соединений призматическими и сегментными шпонками рассчитывают по напряжениям смятия _см и среза _с (рис. 9.6).

Рис. 9.6. К расчёту призматических и сегментных шпонок

Напряжения смятия _см возникают по длине шпонки l на высоте k. Для призматических шпонок со скруглёнными концами вместо длины l в расчётные формулы напряжений подставляют рабочую длину шпонки l_p:

, (9.8)

где b – ширина шпонки, мм.

Расчётные напряжения смятия _см определяются по формуле

, (9.9)

где T – передаваемый шпонкой крутящий момент, Нмм; d – диаметр вала, мм; l_p – рабочая длина шпонки, мм; k – высота расположения шпонки в пазу ступицы, мм.

Величина k определяется как разность размеров шпонки .

При стальной ступице и спокойной нагрузке допускаемые напряжения смятия _см  100 МПа (Н/мм²); при колебаниях нагрузки их следует снижать на 20÷25 %; при ударной нагрузке – снижать на 40÷50 %; при насаживаемых на вал чугунных деталях приведённые значения _см снижать вдвое.

Напряжения среза _с возникают по ширине шпонки b на рабочей длине l_p и рассчитываются по следующей формуле:

, (9.10)

где b – ширина шпонки, мм.

Допускаемые напряжения на срез [_c] = 0,6 [_см].

Соединения клиновыми шпонками

Соединения клиновыми шпонками рассчитывают по напряжениям смятия _см (рис. 9.7).

Рис. 9.7. К расчёту прочности клиновых врезных шпонок

Напряжения смятия _см распределяются по ширине шпонки b по закону треугольника и могут быть рассчитаны по формуле

, (9.11)

где T – передаваемый крутящий момент, Нмм; l – длина шпонки, мм; b – ширина шпонки, мм; d – диаметр вала, мм; f – коэффициент трения между шпонкой и ступицей, f = 0,15÷0,2.

Допускаемое напряжение смятия _см = 100÷150 МПа.

Если расчёт на прочность не сходится (расчётные напряжения смятия и среза превышают допускаемые более, чем на 5 %), то устанавливают две шпонки. Призматические шпонки устанавливаются под углом 180, клиновые – под углом 120, сегментные – в один ряд по длине ступицы. Однако часто вместо многошпоночных используют шлицевые соединения.