ОПМ / ЛекцииДеталиМашин_1 / Лекция 15 Шпонки

Шпоночные соединения

Шпоночное соединение образует вал, ступица детали и шпонка.

Назначение шпоночных соединений – передача вращающего момента между валом и ступицей.

Достоинства: простота конструкции и сравнительно небольшая стоимость изготовления, легкость монтажа и демонтажа.

Недостатки: невысокая нагрузочная способность, ручная подгонка при установке, шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу, концентрация напряжений изгиба и кручения.

Соединения с призматическими шпонками (прямоугольная призма).

Установку шпонки в паз на валу выполняют с натягом. Глубина паза – 0,6 от высоты шпонки h. Призматическая шпонка не удерживает деталь от осевого смещения вдоль вала. Шпонки стандартизированы. Для диаметра вала d – ширина b, высота h шпонки ;глубины паза на валу t₁ и ступице t₂; длина шпонки l. При передаче вращающего момента боковые поверхности шпонки испытывают действие напряжения смятия σ_см, продольное сечение – напряжение среза τ _ср При расчетах на прочность принимают, что шпонка нагружена окружной силой 2*10³T/d , а напряжения смятия равномерно распределены по высоте и длине шпонки.

Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность. Прочность шпонок на срез и изгиб обеспечена, если выполнено условие прочности на смятие:

σ_см = 2 10³T/(d k l_p) ≤ [σ]_см

где Т – вращающий момент, Н м; d - диаметр вала, мм; k = h – t₁ - выступающая из вала часть шпонки, мм; l_p - расчетная длина шпонки, мм; [σ]_см – допускаемое напряжение смятия, МПа

Из условия прочности находим расчетную длину шпонки:

l_p ≥ 2 10³ T/(dk[σ]_см)

Полную длину l = l_p + b округлением до ближайшего стандартного. Длину соединения ограничивают: l ≤ 1,5d

Условие прочности по напряжениям среза

τ_cp = 2 10³T/(d b l_p) ≤ [τ]_cp

где b - ширина шпонки, мм; [τ]_ср – допускаемое напряжение среза, МПА.

Соединения с сегментными шпонками

Сегментную шпонку получают отрезая от круглого прутка диаметром диск толщиной и, который затем разрезают на два равных сегмента. При этом высота шпонки , длина . Шпонка в пазу вала самоустанавливается, не требует дополнительного крепления к валу. Недостаток – ослабление сечения вала глубоким пазом, снижающим сопротивление усталости вала. Поэтому сегментные шпонки применяют при небольших моментах и при установке деталей на мало нагруженных участках вала. Работают боковыми гранями. Стандартизированы. Расчет на прочность по напряжениям смятия и среза. При этом l_р ≈ l.

Материал шпонок и выбор допускаемых напряжений.

Материал шпонок – среднеуглеродистые стали с временным сопротивлением σ_в ≥ 600МПа

Выбор допускаемых напряжений (вал стальной)

Тип соединения, материал ступицы	[σ]см, МПа
Неподвижное, стальная ступица	130 … 2000
Неподвижное, ступица из чугуна или стали	80 … 110
Подвижное без нагрузки, стальная ступица	20 … 40

Большее значение – при постоянной нагрузке; меньшее - при переменной работе с ударами.

При реверсивной нагрузке [σ]_см снижают в 1,5 раза

Допускаемое напряжение на срез [τ]_ср = 70 …100 МПа. Большее значение при постоянной нагрузке.

Шлицевые соединения

Шлицевое соединение образует выступы (зубья) на валу, входящие в соответствующие впадины (шлицы) в ступице (многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое свалом).

Назначение – передача вращающего момента между валом и ступицей. Стандартизированы.

Достоинства:

1. Способность точно центрировать соединяемые детали или точно выдерживать направление при их относительном осевом перемещении.

2. Меньшее число деталей соединения (две).

3. Большая несущая способность – большая суммарная площадь контакта.

4. Взаимозаменяемость.

5. Большее сопротивление усталости вследствии меньшей глубины впадин.

Недостатки: более сложная технология изготовления , выше цена.

Шлицевые соединения различают:

• по характеру соединения – неподвижные для закрепления детали на валу; подвижные – перемещение вдоль вала (блок шестерен коробки передач).

• по форме выступов – прямобочные, эвольвентные, треугольные.

Соединения с прямобочным профилем.

Стандарт предусматривает три серии соединений: легкую, среднюю, тяжелую, которые различаются высотой и числом выступов. Тяжелая серия имеет более высокие выступы и большее их число.

Центрирование соединяемых деталей выполняют по наружному диаметру D , внутреннему d или боковым поверхностям вступов b. При передаче вращающего момента на рабочих боковых сторонах действует напряжение смятия σ_см. Высота площадки контакта h = 0,5(D – d) 2f

где f - размер фаски. Считают, что окружная сила приложена на среднем диаметре выступа d_m = 0,5(D + d)

Cоединения с эвольвентным профилем (боковая поверхность выступа очерчена по эвольвенте). Применяют центрирование по боковым поверхностям S зубьев (середина зуба). Параметры соединения записывают через модуль m. Средний диаметр d_m = D – 1,1m. Высота площади контакта при центрировании по S : h = 0,9m

при центрировании по D: h = m.

Соединения с треугольным профилем.

Применяют в неподвижных соединениях.Имеют большое числомелких выступов-зубьев (Я = 15…70; = 0,5…1,5). Угол профиля β зуба ступицы составляют 30⁰, 36⁰, 45⁰. Центрирование по боковым поверхностям, точность не велика.