Материал: Основы проектирования и конструирования деталей машин. Нилов В.А., Жилин Р.А

5.Шпоночные и шлицевые соединения

5.1.Типы шпоночных соединений

Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу этих деталей. Шпонки служат для передачи крутящего момента от вала к ступице и наоборот. Шпонки широко применяются в машиностроении. Шпоночные соединения делятся на ненапряжённые и напряжённые.

Сборка и разработка ненапряжённого соединения (с призматической шпонкой) не требует приложения значительного усилия к сопрягаемым деталям. Детали, посаженные на призматическую шпонку, должны иметь крепления, предупреждающие их осевое перемещение.

Напряжённое состояние получается в результате предварительной затяжки клиновой шпонки при отсутствии рабочих нагрузок. Такое соединение может передавать не только крутящий момент, но и осевую силу (в одном направлении).

Шпонки всех основных типов стандартизованы и их размеры выбираются по ГОСТ 23360-78 (призматические); ГОСТ 24071-80 (сегментные); ГОСТ 24068-80 (клиновые).

Материалом для шпонок обычно являются углеродистые стали марок ст.5; ст.6; сталь 45 с пределом прочности не ниже 60 Н мм². Легированная сталь для шпонок применяется редко. Целесообразно, чтобы материал шпонки был менее прочным, чем материал вала и ступицы.

Допускаемые напряжения для шпоночных соединений обуславливаются характером нагрузки. Причиной разрушения этих соединений чаще всего бывает деформация смятия, на которую следует обращать особое внимание при выборе допускаемых напряжений. Допускаемые напряжения принимают:

• при стальной ступице [σ]_см ≈ 100…120 МПа;

• при чугунной ступице [σ]_см ≈ 50…60 МПа.

При динамическом нагружении соединения (резкие удары) допускаемые напряжения следует понизить на 25…40%.

Допускаемые напряжения среза принимают в пределах [τ]_ср ≈ 60…90 МПа. Более точные значения допускаемых напряжений приведены в табл. 4.

Допускаемые напряжения смятия [σ]_см МПа

Призматические шпонки (рис. 5.1) выполняют прямоугольного сечения с соотношением сторон h : b ≈ 1 : 1 для валов малых диаметров и 1 : 2 для больших диаметров вала.

Рис. 5.16 Соединение призматической шпонкой

Рабочими у призматической шпонки являются более узкие, боковые грани. Шпонка погружена в паз вала на глубину ≈ 0,6 h, а в радиальном направлении между шпонкой и ступицей предусмотрен зазор.

а) Шпонки призматические (рис. 5.2):

• обыкновенные со скруглёнными или плоскими торцами;

• направляющие (с дополнительным креплением на валу винтами) со скруглёнными или плоскими торцами.

б) Скользящие:

• шпонки призматические с углубленной посадкой на вал (нормаль станкостроения);

• шпонки сегментные.

Шпонки для напряжённых состояний:

А. Шпонки клиновые (с уклоном 1: 100):

• врезные со скруглёнными и плоскими торцами ГОСТ 8791-68;

• врезные с головкой забивные – ГОСТ 8792-68.

Б. На лыске с головкой ГОСТ 8793-68.

В. Фрикционные.

Г. Тангенциальные.

Рис. 5.17 Виды наиболее часто применяемых шпонок: призматические с плоскими торцами (а) и с закругленными торцами (б), сегментные (в); цилиндрические (г)

5.2.Расчет шпоночных соединений

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту h шпонок принимают по соответствующему ГОСТ, в зависимости от диаметра d вала. Длину ℓ шпонки принимают в зависимости от длины ступицы и согласовывают с ГОСТом на шпонки. Достаточность принятых размеров проверяют расчётом на прочность. Следовательно, расчёт шпоночных соединений на прочность осуществляется как проверочный.

Призматические шпонки рассчитываются на смятие и на срез:

;

;

где: М – передаваемый момент ;

d- диаметр вала;

К- глубина врезания шпонки в ступицу K = 0,4 h;

ℓ_{p –} рабочая длина шпонки со скруглёнными торцами.

При плоских торцах ℓ_p = ℓ . Здесь: ℓ – длина шпонки.

Поскольку при расчете шпонок принята упрощенная схема нагружения (не учитывается перекос шпонки в пазу вала и кромочные давления, рис.5.3), то допускаемые напряжения назначают с коэффициентом запаса 1,5…2,0 по отношению к пределу текучести наиболее слабого материала соединения.

Для упрощения расчётов принимают, что плечо сил, действующих на шпонку относительно осевой линии вала, равно радиусу вала d2. Призматические шпонки – врезные. Рабочими гранями являются их боковые более узкие грани. Для облегчения сборки предусматривается радиальный зазор. Призматические шпонки по сравнению с клиновыми обеспечивают большую точность, а по сравнению с сегментными – меньше ослабляют вал, т.к. врезаются на меньшую глубину.

Рис. 5.18 Схема нагружения шпоночного соединения

В табл. 5 приведены стандартные посадки призматической шпонки в пазы вала и ступицы.

Посадки шпоночных соединений

5.3.Сегментные шпонки

В связи с ослаблением вала шпоночным пазом под сегментную шпонку, такие шпонки применяют для передачи относительно небольших моментов, их отличает устойчивое положение в соединении.

Так же, как и призматические, сегментные шпонки (рис. 7.5) рассчитываются на смятие:

;

и на срез:

;

Рис. 5.19 Соединение сегментной шпонкой

Примеры обозначений шпоночных соединений

Клиновые шпонки в отличие от призматических ставятся с зазором по боковым граням. Клиновые шпонки создают напряжённое соединение, способное передавать не только М_кр, но и осевое усилие. Однако эти шпонки вызывают радиальное смещение оси ступицы на величину посадочного зазора и контактных деформаций. Это увеличивает биение насажанной детали. Применение клиновых шпонок резко сократилось. Достоинством является отсутствие зазоров и поэтому хорошее восприятие радиальных нагрузок.

Для упрощения расчёта принимают, что при передачи момента М_кр напряжения смятия по ширине поверхности контакта рабочих граней шпонки с валом и ступицей распределяются по закону треугольника. В этом случае передаваемый крутящий момент складывается из:

• момента нормальной силы давления N между ступицей и шпонкой;

• момента силы трения N_q между ступицей и валом;

• момента силы трения между ступицей и валом.

Приближённо можно принять q = q^/ и плечо силы N_q равняется радиусу вала. При таком условии:

;

Или: ;

Откуда: ;

При принятом законе распределения напряжений смятия по ширине шпонки следует, что: