Шпоночные и шлицевые соединения

Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица детали (колеса, шкива, звездочки и др.). Шпонка представляет собой сталь­ной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы.

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

Достоинства шпоночных соединений - простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость изготовления, легкость монта­жа и демонтажа, вследствие чего их применяют во всех отраслях машиностроения.

Недостатки - невысокая нагрузочная способность; в большин­стве случаев необходима ручная подгонка при установке шпонки в паз вала; шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали. Ослабление вала обусловлено не только уменьшени­ем его сечения, но, главное, значительной концентрацией напряже­ний изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом.

Призматическая шпонка представляет собой прямоугольную призму (рис. 46, а). Другие исполнения имеют закругление одного или двух торцов (рис. 46, б). Закругленные торцы шпонки облег­чают установку ступицы детали на вал при незначительном несов­падении боковых поверхностей шпонки и паза в отверстии детали.

Рис.46.

Паз в ступице выполняют протяжкой или долбяком. Паз под шпонку на валу выполняют в единичном и мелкосерийном произ­водстве концевой фрезой (рис. 47, а), в крупносерийном и массо­вом производстве - дисковой фрезой (рис. 47, б). Для паза, выпол­ненного концевой фрезой, необходима ручная пригонка. Нарезание дисковой фрезой более производительно, а точность выполнения паза выше. Но паз имеет наклонный участок. Устанавливаемая на вал деталь может захватить шпонку, сместить ее до наклонного уча­стка. Произойдет заклинивание. Поэтому шпонку необходимо кре­пить в пазу, например, винтами. Такое крепление применяют для направляющих шпонок, имеющих большую длину.

Установку шпонки в паз на валу выполняют с на­тягом. Глубина паза - 0,6 от высоты h шпонки. Высту­пающая часть шпонки вхо­дит в паз ступицы, уста­навливаемой на вал детали. Призматическая шпонка не удерживает деталь от осе­вого смещения вдоль вала.

На рис. 47 показано поперечное сечение шпоноч­ного соединения. Размеры приз­матических шпонок стандарти­зованы. В стандарте указаны для каждого диаметра d вала значения ширины b и высоты h шпонки, глубины паза на валу t₁ и в ступице t₂. Стандартизованы также длины l шпонок.

а) б)

Рис. 47.

Рис. 48.

Рабочими являются боко­вые, более узкие грани шпонок высотой h. При передаче вращающего момента с вала на деталь боковые (рабочие) поверхности шпонки испытывают действие напряжений смятия σ_см, продольное сечение - действие напряжений среза τ_ср. При расчетах на проч­ность принимают, что шпонка нагружена окружной силой 2·10³ T/d, а напряжения смятия равномерно распределены как по высоте, так и по длине шпонки. Глубина врезания шпонки в вал такова, что на прочность достаточно рассчитать выступающую из вала часть высо­ты шпонки.

Основным критерием работоспособности шпоночных соедине­ний является прочность. Шпонки выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала. Размеры шпонок и пазов подобра­ны так, что прочность шпонок на срез и изгиб обеспечена, если вы­полнено условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений — расчет на смятие.

Режим работы, прочность материала деталей, характер их со­пряжения учитывают при выборе допускаемых напряжений.

Соединения с призматическими шпонками проверяют по усло­вию прочности на смятие:

где Τ — вращающий момент, Нм; d — диаметр вала, мм; k = h-t₁ -выступающая из вала часть шпонки (глубина врезания шпонки в ступицу), мм; l_p - расчетная длина шпонки, мм (см. рис. 41); [σ]_см - допускаемое напряжение смятия, МПа.

При проектировочном расчете из условия прочности находят расчетную длину l_p, мм, шпонки:

Полную длину l = (l_p + b) с округлением до ближайшего значе­ния определяют по стандарту. С целью уменьшения неравномерно­сти распределения напряжений по высоте и длине шпонки длину соединения ограничивают: l ≤ 1,5d.

Условие прочности по напряжениям среза:

где b - ширина шпонки, мм; [τ]_ср, — допускаемые напряжения среза, МПа.