26.4. Соединения типа "вал - ступица": шпоночные, шлицевые, штифтовые. Общая характеристика и особенности расчета

Для передачи вращения от вала к ступице зубчатого колеса, шкива, звездочки и других соосных деталей широко используют различные соединения зацеплением. В соединениях зацеплением (шпоночных, шлицевых и др.) передача нагрузки осуществляется за счет силового замыкания деталей через шпонки, зубья и дру­гие подобные детали. Благодаря этому соединения являются разъ­емными, осуществляют фиксацию деталей в окружном направлении и допускают осевое взаимное смещение деталей в процессе работы. Однако трудоемкость изготовления таких соединений сравнительно высокая.

26.4.1. Шпоночные соединения

Соединение двух соосных цилиндрических деталей (вала и ступицы) для передачи вращения между ними осуществляется с помощью шпонки 1 – специальной детали, закладываемой в пазы со­единяемых вала 2 и ступицы 3 (рис. 26.13).

В машиностроении применяют ненапряженные (без нагрузки) соединения (с помощью призматичес­ких и сегментных шпонок) и на­пряженные соединения (с помощью клиновых шпонок). Шпонки этих типов стандартизованы, их размеры выбирают по ГОСТ 23360-78, ГОСТ 24071-80 и ГОСТ 24068-80.

Основные достоинства соединений состоят в простоте конст­рукции и возможности жесткой фиксации насаживаемой детали в окружном направлении.

Однако соединения трудоемки в изготовлении, требуют руч­ной пригонки или подбора. Это ограничивает использование со­единений в машинах крупносерийного и массового производства. Не рекомендуется применение соединений для быстро вращающихся валов ответственного назначения из-за сложности обеспечения концентричной посадки сопрягаемых деталей.

Основным для соединений призматическими шпонками является условный расчет на смятие (упругопластическое сжатие в зоне контакта).

Если принять для упрощения, что напряжения в зоне контак­та распределены равномерно и плечо равнодействующей этих на­пряжений равно 0.5d (где d – диаметр вала), то средние кон­тактные напряжения (напряжения смятия, вызывающие смятие рабо­чих граней)

(26.9)

где T – вращающий момент; l_p – рабочая длина шпонки (см. рис. 6.13); t₂=0,4h– глубина врезания шпонки в ступицу; – допускаемое напряжение на смятие.

На практике сечение шпонки подбирают по ГОСТ 23360-78 в зависимости от диаметра вала, а длину l, шпонки назначают на 5-10 мм меньше длины ступицы. Затем по формуле (26.9) оценива­ют прочность соединения на смятие или вычисляют предельный мо­мент, соответствующий напряжению .

26.4.2. Шлицевые соединения

Общие сведения. Шлицевое соединение условно можно рассмат­ривать как многошпоночное, у которого шпонки выполнены как од­но целое с валом. По сравнению со шпоночными соединениями они имеют меньшие радиальные габариты, высокую несущую способность, взаимозаменяемы и обеспечивают хорошее центрирование деталей. Эти преимущества позволяют использовать соединения в условиях массового производства конструкций и при большей частоте вращения валов.

По форме поперечного сечения различают три типа соедине­ний: прямобочные ГОСТ 1139-80; эвольвентные ГОСТ 6033-80; треугольные (изготовляются по отраслевым стандартам).

П роектирование и расчет соединений. Основные размеры (на­ружный диаметр D и длину l) шлицевого соединения задают при конструировании вала. Длину соединения принимают не более 1.5D; при большей длине существенно возрастает неравномерность распределения нагрузки вдоль зубьев и трудоемкость изготовления.

Учитывая, что соединения в ма­шинах выходят из строя преимущест­венно из-за повреждения рабочих по­верхностей зубьев (смятие, износ) и усталостного разрушения шлицевых валов, после проектирования выполняют проверочный расчет зубьев.

Условие прочности по допуска­емым напряжениям смятия имеет вид

(26.10)

где d_m – средний диаметр соединения; Z – число зубьев; h и l– соответственно высота и длина поверхности контакта зубь­ев; – коэффициент, учитывающий неравномерное распределение нагрузки между зубьями и вдоль зубьев ( = 0.5-0.7); – допускаемое напряжение смятия на боковых поверхностях.