4.6. Шпоночные и шлицевые соединения

4.6.1. Типы шпоночных соединений

Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу этих деталей.

Шпонки служат для передачи крутящего момента от вала к ступице и наоборот.

Шпонки широко применяются в машиностроении. Шпоночные соединения делятся на ненапряжённые и напряжённые.

Сборка и разработка ненапряжённого соединения (с призматической шпонкой) не требует приложения значительного усилия к сопрягаемым деталям. Детали, посаженные на призматическую шпонку, должны иметь крепления, предупреждающие их осевое перемещение.

Напряжённое состояние получается в результате предварительной затяжки клиновой шпонки при отсутствии рабочих нагрузок. Такое соединение может передавать не только крутящий момент, но и осевую силу (в одном направлении).

Шпонки всех основных типов стандартизованы и их размеры выбираются по ГОСТ 23360-78 (призматические); ГОСТ 24071-80 (сегментные); ГОСТ 24068-80 (клиновые).

Материалом для шпонок обычно являются углеродистые стали марок ст.5; ст.6; сталь 45. Легированная сталь для шпонок применяется редко. Целесообразно, чтобы материал шпонки был менее прочным, чем материал вала и ступицы.

Допускаемые напряжения для шпоночных соединений обуславливаются характером нагрузки. Причиной разрушения этих соединений чаще всего бывает деформация смятия, на которую следует обращать особое внимание при выборе допускаемых напряжений.

Допускаемые напряжения принимают:

• при стальной ступице:

[σ]_см ≈ 100…120 МПа;

• при чугунной ступице:

[σ]_см ≈ 50…60 МПа.

При динамическом нагружении соединения (резкие удары) допускаемые напряжения следует понизить на 25…40%.

Допускаемые напряжения среза принимают в пределах [τ]_ср ≈ 60…90 МПа.

4.6.2. Призматические шпонки

Призматические шпонки (рис. 59) выполняют прямоугольного сечения с соотношением сторон h : b ≈ 1 : 1 для валов малых диаметров и 1 : 2 для больших диаметров вала.

рис. 59. Соединение призматической шпонкой

Рабочими у призматической шпонки являются более узкие, боковые грани. Шпонка погружена в паз вала на глубину ≈ 0,6h, а в радиальном направлении между шпонкой и ступицей предусмотрен зазор.

рис. 60. Виды наиболее часто

применяемых шпонок:

а – призматические с плоскими торцами;

б – призматические с закругленными торцами;

в – сегментные;

г – цилиндрические.

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту h шпонок принимают по соответствующему ГОСТ, в зависимости от диаметра d вала. Длину ℓ шпонки принимают в зависимости от длины ступицы и согласовывают с ГОСТом на шпонки.

Достаточность принятых размеров проверяют расчётом на прочность. Следовательно, расчёт шпоночных соединений на прочность осуществляется как проверочный.

Призматические шпонки рассчитываются на смятие и на срез:

;

;

где М – передаваемый момент;

d- диаметр вала;

K - глубина врезания шпонки в ступицу: K = 0,4 h;

ℓ_{p –} рабочая длина шпонки со скруглёнными торцами. При плоских торцах ℓ_p = ℓ . Здесь: ℓ – длина шпонки.

рис. 61. Схема нагружения

шпоночного соединения

Для упрощения расчётов принимают, что плечо сил, действующих на шпонку относительно осевой линии вала, равно радиусу вала d. Призматические шпонки – врезные. Рабочими гранями являются их боковые более узкие грани. Для облегчения сборки предусматривается радиальный зазор. Призматические шпонки по сравнению с клиновыми обеспечивают большую точность, а по сравнению с сегментными – меньше ослабляют вал, т.к. врезаются на меньшую глубину.