Разновидности шпоночных соединений

Шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и на­пряженные. Ненапряженные соединения получают при использовании призматических (рис. 7.1) и сегментных (рис. 7.2) шпонок. В этих слу­чаях при сборке соединений в деталях не возникает монтажных на­пряжений. Для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии (фретинг-коррозии) ступицы устанавливают на валы с на­тягом.

Напряженные соединения получают при применении клиновых (на­пример, врезной клиновой, рис. 7.3) и тангенциальных (рис. 7.4) шпонок. При сборке таких соединений возникают предварительные (монтаж­ные) напряжения.

Основное применение имеют ненапряженные соединения.

Соединения призматическими шпонками. Конструкции соединений призматическими шпонками изображены на рис. 7.1. Рабочими являют­ся боковые, более узкие грани шпонок высотой h. Размеры сечения шпонки и глубины пазов принимают по стандарту в зависимости от диаметра (/ вала (табл. 7.1).

По форме торцов различают шпонки со скругленными торцами — исполнение 1 (рис. 7.1, а), с плоскими торцами — исполнение 2 (рис. 7Л, б), с одним плоским, а другим скругленным торцом — исполне­ние 3 (рис. 7.1, в).

Таблица 7.1. Шпонки призматические (выборка) Размеры в мм (рис. 7.1)

 

Диаметр вала d	Сечение шпонки	Глубина паза	Wи,,, мм^3	Wk, мм^3
b	h	Вал t1,	Втулка t2,
36 40 45 50	10 12 14 14	8 8 9 9	5,0 5,0 5,5 5,5	3,3 3,3 3,8 3,8	4 010 5 500 7 800 10 915	8 590 1 1 780 16 740 23 695

Примечания: 1. Длину шпонки выбирают из ряда, мм: 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90 и др.

2. W_n и W_k—моменты сопротивления поперечных сечений валов при расчетах на изгиб и круче­ние соответственно.

6-4019

А-А

Исполнение 1

Исполнение 1

Исполнение J

Рис. 7.1. Соединения призматическими шпонками

 

Шпонку запрессовывают в паз вала. Шпонку с плоскими торца­ми, кроме того, помещают вблизи деталей (концевых шайб, колец и др.), препятствующих ее возможному осевому перемещению. Приз­матические шпонки не удерживают детали от осевого смещения вдоль вала. Для фиксации их от осевого смещения применяют рас­порные втулки (/ на рис. 7.1), установочные винты (1 на рис. 7.2) и др.

Соединения сегментными шпонками (рис. 7.2). Сегментные шпонки, как и призматические, работают боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов, так как глубокий паз значительно ослабляет вал. Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже (шпонки свободно вставляют в паз и вынимают). Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей устойчивое положение. Широко применяют в серийном и массовом производстве.

Соединения клиновыми шпонками (рис. 7.3). Клиновые шпонки име­ют форму односкосных самотормозящих клиньев с уклоном 1:100. Такой же уклон имеют и пазы в ступицах. Клиновые шпонки изготов­ляют без головок и с головками. Головка служит для выбивания шпонки из паза. По нормам безопасности выступающая головка должна иметь ограждение (/на рис. 7.3). В этих соединениях ступицу устанавливают на валу с небольшим зазором. Клиновую шпонку забивают в пазы вала и ступицы с зазорами по боковым граням, в результате на рабочих широких гранях шпонки создаются силы трения, которые могут пере­давать не только вращающий момент, но и осевую силу. Поэтому можно не применять других способов фиксации ступицы от продольного перемещения вдоль вала. Соединение хорошо воспринимает ударные и переменные нагрузки.

При забивании клиновой шпонки в соединении возникают рас­порные радиальные силы, которые вызывают деформацию ступицы и ее радиальное смещение относительно вала, что нарушает центри­рование детали на валу и вызывает биение. Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах, область их применения сокращается.

Соединения тангенциальными шпонками (рис. 7.4). Тангенциальная шпонка состоит из двух односкосных клиньев с уклоном 1: 100 каж­дый. Работает узкими боковым гранями. Клинья вводятся в пазы вала и ступицы ударом; образуют напряженное соединение. Распорная сила между валом и ступицей создается в касательном (тангенци­альном) направлении. В соединении ставят две тангенциальные шпонки под углом 120°, каждая шпонка передает момент только в одну сторону.

Применяют для валов диаметром свыше 60 мм при передаче больших вращающих моментов с переменным режимом работы (на­пример, крепление маховика на валу двигателя внутреннего сгора­ния и др.).

Рис. 7.2. Соединение сегментной шпонкой: / — винт установочный; 2— кольцо замковое пружинное

Рис. 7.3. Соединение клиновой шпонкой

Рис. 7.4. Соединение тангенциальными шпонками

Расчет шпоночных соединений

Основным критерием работоспособности шпоночных соединений явля­ется прочность. Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимо­сти от диаметра вала, а затем соединения проверяют на прочность. Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность их на срез и изгиб обеспечивается, если выполняется условие прочности на смя­тие, поэтому основной расчет шпоночных соединений — расчет на смя­тие. Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не проводят.

Соединения призматическими шпонками (рис. 7.1 и 7.5) проверяют по условию прочности на смятие:

Сила, передаваемая шпонкой, F_t = 2*10³ WT/d. На смятие рассчитыва­ют выступающую из вала часть шпонки.

 

Рис. 7.5. Расчетная схема соединения призматической шпонкой

Шпонка с величиной фаски имеет площадь смятия

следовательно,

(7.1)

 

где Т— передаваемый момент, Нм; d — диаметр вала, мм; h, t₁ — вы­сота шпонки и глубина паза на валу, мм (см. табл. 7.1); [σ]_см - допус­каемые напряжения смятия (см. ниже); l _р — рабочая длина шпонки; для шпонок с плоскими торцами l _р = l, со скругленными торцами l_р = l - b

В проектировочных расчетах после выбора размеров поперечного сечения b и h по табл. 7.1 определяют расчетную (рабочую) длину l _р шпонки [формула (7.1)].

Длину шпонки со скругленными торцами l=l_p + b или с плоскими торцами l = l _р назначают из стандартного ряда (см. табл. 7.1). Длину ступицы l _ст принимают на 8... 10 мм больше длины шпонки. Если длина ступицы больше величины 1,5*b, то шпоночное соединение целесооб­разно заменить на шлицевое или соединение с натягом.

Соединения сегментными шпонками (см. рис. 7.2) проверяют на смятие:

(7.2)

где l_Р~l — рабочая длина шпонки; (h-t) — рабочая глубина в ступице.

Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической ее проверяют на срез.

Условие прочности на срез

 

(7.3)

где b — ширина шпонки; [τ]_ср — допускаемое напряжение на срез шпонки (см. ниже).

Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с σ_в > 600 Н/мм² — чаще всего из сталей марок Стб, 45, 50.

Допускаемые напряжения смятия для шпоночных соединений:

при стальной ступице [σ]_см= 130...200 Н/мм²;

при чугунной — [σ]_см = 80...110 Н/мм².

Большие значения принимают при постоянной нагрузке, мень­шие — при переменной и работе с ударами.

При реверсивной нагрузке [σ]_см снижают в 1,5 раза. В подвижных (в осевом направлении) соединениях при стальной ступице принима­ют [σ]_см = 20...30 Н/мм² (для ограничения износа и предупреждения задира).

Допускаемое напряжение на срез шпонок [τ]_ср = 70...Ю0 Н/мм². Большее значение принимают для постоянной нагрузки.

Расчет шпоночного соединения ведут в последовательности, изло­женной в решении примера 7.1.

 

Рекомендации по конструированию шпоночных соединений

1. Перепад диаметров ступеней вала с призматическими шпонками назначают из условия свободного прохода детали большего посадочно­го диаметра d₂ (рис. 7.6) без удаления шпонки из паза на участке меньшего диаметра d₁.

2. При наличии нескольких шпоночных пазов на валу их распола­гают по одной образующей (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Ступенчатый вал с одинаковыми шпонками

3. Из удобства изготовления рекомендуется для разных ступеней
одного и того же вала назначать одинаковые по сечению шпонки,
исходя из ступени меньшего диаметра (рис. 7.6). Прочность шпоночных
соединений при этом оказывается вполне достаточной, так как силы F_t1
и F_t2, действующие на шпонки,

но d₂>d„ следовательно, F_t2< F_t1.

4. При необходимости двух сегментных шпонок их ставят вдоль
вала в одном пазу ступицы. Постановка нескольких шпонок в одном
соединении сильно ослабляет вал, поэтому рекомендуется перейти на
шлицевое соединение.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение шпоночных соединений? Их разновидности. Материал шпонок. Недостатки шпоночных соединений.

2. В каких случаях применяют призматические шпонки? Как получают для них пазы в ступице и на валу?

3. Какие достоинства имеют соединения сегментными шпонками и в каких случаях их рекомендуют применять?

4. Каковы основные критерии работоспособности соединений призматическими и сег­ментными шпонками? Как устанавливают размеры призматических и сегментных шпонок?

5. Почему для разных ступеней одного и того же вала рекомендуют назначать одинаковые по сечению шпонки исходя из ступени меньшего диаметра и располагать их по одной образующей?

6. Как выполняют проверочный расчет призматической шпонки?

Глава 8

Шлицевые соединения

Общие сведения

Шлицевое соединение образуют выступы — зубья на валу и соот­ветствующие впадины — шлицы в ступице (рис. 8.1, а — в). Рабочими поверхностями являются боковые стороны зубьев. Зубья вала фрезеруют по методу обкатки (см. § 11.7) или накатывают в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Шлицы отвер­стия ступицы изготовляют протягиванием.

Рис. 8.1. Прямобочные шлицевые соединения

Шлицевые соединения стандартизованы и широко распространены в машиностроении.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными: 1. Лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное на­правление при их относительном осевом перемещении. 2. Меньшее число деталей соединения: шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное— три, четыре. 3. При одинаковых габаритах возможна передача больших вращающих моментов за счет большей поверхности контакта. 4. Большая надежность при динамических и реверсивных нагрузках. 5. Большая усталостная прочность вследствие меньшей кон­центрации напряжений изгиба, особенно для эвольвентных шлицев. 6. Меньшая длина ступицы и меньшие радиальные размеры.

Недостатки — более сложная технология изготовления, а следова­тельно, и более высокая стоимость.