6.4. Расчет шпоночных соединений.

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту шпонок принимают по соответствующему ГОСТу в зависимости от диаметра вала. Длину шпонки принимают в зависимости от длины ступицы и согласовывают с ГОСТом. Достаточность принятых размеров шпонки проверяют расчетом соединения на прочность (проверочный расчет).

На шпоночное соединение действует вращающий момент , вызывающий напряжения среза в шпонке и напряжения смятия на боковых гранях шпонки и пазов ступицы и вала, см. рис. 6.2 (для упрощения расчетов считают, что напряжения смятия равномерно распределены по площади контакта боковых граней шпонок и шпоночных пазов; контактным давлением, возникающим при посадке шпонок в паз вала с натягом, пренебрегают).

Следовательно, призматические шпонки рассчитывают на смятие и срез по следующим формулам:

,

,

где - вращающий момент; - диаметр вала; - ширина шпонки; - рабочая длина шпонки; - глубина врезания шпонки в ступицу; и - расчетное и допускаемое напряжение на смятие для более слабого материала шпоночного соединения (вала, шпонки или ступицы); и - расчетное и допускаемое напряжение на срез для материала шпонки.

Проверочный расчет сегментной шпонки проводится так же, как и для призматической шпонки:

,

,

где - длина шпонки.

У стандартных шпонок размеры поперечного сечения и подобраны таким образом, что прочность соединения определяет напряжение смятия (расчет на срез не проводят).

Если прочность не достаточна, то устанавливают одну или несколько дополнительных шпонок (однако, установка нескольких шпонок сильно ослабляет вал, поэтому в таких случаях шпонки заменяют шлицевыми соединениями или соединением с натягом).

6.5. Шлицевые соединения.

Для соединения ступицы с валом помимо шпонок и натяга часто используют выступы на валу, называемые шлицами (зубьями), которые входят в соответствующие пазы ступицы. Такое соединение ступицы с валом называется шлицевым или зубчатым и предназначено для передачи вращающего момента между валом и деталью. Шлицевые соединения относятся к разъемным; размеры соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Зубья (шлицы) на валах получают фрезерованием, строганием или накатыванием, зубья в отверстиях - протягиванием или долблением.

Классификация шлицевых соединений.

1). По характеру соединения шлицевые соединения могут быть:

- подвижными - деталь может перемещаться по валу в осевом направлении (например, перемещение зубчатых колес в коробках передач станков, автомобилей и т.д.);

- неподвижными - для закрепления детали на валу (см. рис. 6.7).

2). По форме профиля зубьев шлицевые соединения делят на:

- прямобочные (см. рис. 6.7);

- эвольвентные (рис. 6.8);

- треугольные (рис. 6.9).

Рис. 6.7.

3). По способу центрирования (обеспечения совпадения геометрических осей вала и ступицы) ступицы относительно вала:

- с центрированием по наружному диаметру (рис. 6.7, а);

- с центрированием по внутреннему диаметру (рис. 6.7, в);

- с центрированием по боковым поверхностям зубьев (рис. 6.7, б).

При этом зазор в контакте поверхностей: центрирующих практически отсутствует, нецентрирующих – значительный.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными:

- передача больших нагрузок (благодаря большой площади контакта зубьев);

- лучшее центрирование соединяемых деталей (вала и ступицы);

- возможность работы при больших скоростях;

- меньшее число деталей соединения (две детали), меньшая длина ступицы и меньшие радиальные размеры.

Недостатки шлицевых соединений:

- сложная технология изготовления, а, следовательно, более высокая стоимость.