3.2.2. Шпоночные соединения

Шпоночные соединения в основном служат для передачи крутящего момента с вала на расположенные на нем детали – шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики и пр. Иногда шпонки фиксируют эти детали, предотвращая осевые перемещения. Классификация шпоночных соединений приведена на рис. 3.30.

Рис. 3.30. Классификация шпоночных соединений

Наиболее ранние из шпоночных соединений, известные еще с XVII – XVIII вв. и примененные, в частности, на первых паровых машинах, – клиновые шпонки (рис. 3.31).

Рис. 3.31. Шпоночное соединение с клиновой шпонкой

Клиновые шпонки 2 забиваются в паз между канавками на валу 3 и ступице 1, образуя так называемое напряженное соединение. В таком соединении напряжения, вызванные забиванием клина, появляются до передачи крутящего момента. Сам крутящий момент передается такой шпонкой большей частью за счет сил трения, обусловленных радиальными силами, с которыми заклиненная шпонка действует на вал и ступицу. Эти же силы трения препятствуют осевому перемещению закрепленной на валу детали. Однако клиновая шпонка вызывает радиальное смещение деталей относительно вала, что нарушает точность соединения, способствует дисбалансу детали; из-за этих недостатков клиновые шпонки в современных, особенно быстроходных, машинах практически не используются.

Еще в XIX в. назрела необходимость перемещать детали, расположенные на валу: зубчатки, шкивы и т.д. – в осевом направлении, в том числе и на работающей машине. Это вызвало появление ненапряженных шпоночных соединений, вид одного из которых, созданных в XIX в., представлен на рис. 3.32. Это так называемая скользящая шпонка 3, образующая телескопическое соединение вала с деталью, позволяющее детали, в данном случае шкиву, передвигаться вдоль вала, передавая крутящий момент. Если шпонка неподвижна относительно вала, то она называется направляющей и закрепляется на валу винтами.

Достоинства шпоночных соединений – простота конструкции и сравнительной невысокая стоимость изготовления.

Недостатки шпоночных соединений – низкая несущая способность и снижение сопротивления усталости вала из-за ослабления сечений шпоночными пазами и концентрации напряжений в зоне шпоночной канавки.

Шпонки большей частью встречаются призматические, сегментные и цилиндрические.

Призматические шпонки различных исполнений представлены на рис. 3.33.

Рис. 3.32. Шпоночное соединение со скользящей шпонкой:

1 – вал; 2 – шкив; 3 – шпонка

Рис. 3.33. Шпоночные соединения с призматическими шпонками

Обозначения: h – высота шпонки; в – ширина шпонки; l – длина шпонки; d – диаметр вала; t₁ – глубина паза на валу; t₂ – глубина паз во втулке.

Исполнение 1 предусматривает шпонку с двумя закругленными торцами, исполнение 2 – с двумя плоскими, а исполнение 3 – с одним плоским торцом, а другим закругленным. Осевую нагрузку призматические шпонки не воспринимают. В зависимости от принятой базы обработки на рабочих чертежах нужно указывать размер для вала – t₁ или (d – t₁), а для втулки – (d + t₂).

Сегментная шпонка (рис. 3.34) бывает без лыски с высотой h и с лыской – высотой h₁. Соединения сегментной шпонкой технологичны, не требуют ручной подгонки. Они самоустанавливаются, что уменьшает перекос шпонки, удобны в сборке. При длинной ступице такие шпонки можно устанавливать по две на длине ступицы. Сегментная шпонка характеризуется двумя основными размерами: диаметром заготовки d₁ и шириной b; длина шпонки близка к d₁,. Сегментные шпонки находят применение в крупносерийном и массовом производстве, в частности автомобилестроении.

Рис. 3.34. Шпоночное соединение с сегментной шпонкой

Цилиндрические шпонки (рис. 3.35) применяют для закрепления деталей на конце вала.

Отверстия сверлят в собранном состоянии параллельно оси вала на стыке деталей. Диаметр отверстия под шпонку d_шп = (0,13 ... 0,16) d, длина l = (3 ... 4) d_шп. Обычно цилиндрические шпонки ставят с натягом, в частности Н7/r6, в количестве двух или трех, соответственно под углом 180 или 120° друг к другу.

Рис. 3.35. Шпоночное соединение с цилиндрической

шпонкой-штифтом

Шпонки изготовляются из прутков углеродистой или легированной стали с пределом прочности σ_в ≥ 500 МПа.

Главным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность на смятие.

Это обосновано тем, что шпонки выбираются по таблицам из стандартов в зависимости от диаметра вала. При этом размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность шпонок на срез обеспечивается, если выполняется условие прочности на смятие. Стандартные шпонки можно не проверять на срез.

Шпонка рассчитывается на смятие по формуле

, (3.45)

где Т – передаваемый крутящий момент;

d – диаметр вала;

А_см = k l_р – площадь смятия для призматических и сегментных шпонок;

k = (h – t₁) – высота площадки смятия (k ≈ 0,4h);

l_р – расчетная длина шпонки.

l_р = (1 – b) l для шпонок исполнения 1; l_р = l для исполнения 2; l_р = (l – 0,5b) l для исполнения 3; l_р = d₁ для сегментных шпонок; для цилиндрических шпонок A_см = d_шпl.