§ 1. Шпоночные соединения

Общие сведения. Соединение двух соосных цилинд­рических деталей (вала и ступицы) для передачи вращения между ними осуществляется с помощью шпонки — специальной детали, закладываемой в пазы соединяемых деталей (рис. 33.1). Иногда шпонки используют в качестве направляющих для осевого перемещения ступицы по валу (направляющие шпонки).

В машиностроении применяют ненапряженные соединения (с помощью призматических и сегментных шпо­нок, рис. 33.1, а, б) и напряженные соединения (с помощью клиновых шпонок, рис. 33.1, в). Шпонки этих типов стандартизованы, их размеры выбирают по ГОСТ 23360—78, ГОСТ 24071-80 и ГОСТ 24068-80.

Простота конструкции, невысокая стоимость изготовления, удобство сборки и разборки обеспечивают широкое использо­вание соединений во всех отраслях машиностроения.

Однако отсутствие взаимозаменяемости и, как следствие, необходимость ручной пригонки или подбора ограничивают использование соединений в машинах крупносерийного и мас­сового производства. Не рекомендуется применение соединений для быстровращающихся валов ответственного назначения из-за сложности обеспечения концентричной посадки сопрягаемых деталей. Эти два недостатка соединений являются основными. Широко применяются соединения с призматическими шпон­ками. Такие соединения в сравнении с напряженными более технологичны (легкий монтаж и демонтаж) и обеспечивают лучшее центрирование деталей. Во многих случаях соединение деталей осуществляют с натягом.

Призматические шпонки имеют прямоугольное сечение с от­ношением высоты к ширине от h/b = 1 (для валов диаметром до 22 мм) до h/b = 0,5 (для валов больших диаметров). Рабочими у призматических шпонок являются боковые узкие грани. В радиальном направлении предусмотрен зазор. В от­ветственных соединениях сопряжение дна паза с боковыми сторонами выполняют по радиусу для снижения концентрации напряжений. Материал шпонок — чистотянутая сталь с преде­лом прочности σ_в ≥ 600 МПа.

Расчет соединений. Основным для соединений с призмати­ческими шпонками является условный расчет на смятие (упру-гопластическое сжатие в зоне контакта).

Если принять для упрощения, что давления в зоне кон­такта распределены равномерно (см. рис. 33.1, а), и плечо глав­ного вектора давлений равно 0,5d (где d — диаметр вала), то напряжения смятия на боковых гранях (пазах) шпонки

(33.1)

где Т— вращающий момент; l_р — рабочая длина шпонки (см. рис. 33.1, a); t₂ = 0,4h — глубина врезания шпонки в ступицу; [σ_см] - 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 (33.1) оценивают прочность соединения на смятие или вычисляют предельный момент, соответствующий [σ_см ].

Рабочая длина шпонки l_р = l - b может быть вычислена из очевидного соотношения

Проверку прочности шпонок на срез обычно не произ­водят, так как это условие удовлетворяется при использова­нии стандартных сечений шпонок и рекомендуемых значе­ния [σ_см].

Если условие прочности (33.1) не выполняется, то соеди­нение образуют с помощью двух шпонок, установленных под углом 120 или 180°.

Сегментные шпонки имеют более глубокую посадку и не перекашиваются под нагрузкой, они взаимозаменяемы. Однако глубокий паз существенно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки используют преимущественно для закрепления деталей на мал онагру женных участках вала (например, на входных или выходных хвостовиках валов).

Расчет соединений с сегментными шпонками также про­изводят по формуле (33.1), принимая t₂ = h – t₁ (см. рис. 33.1,6). Допускаемые напряжения на смятие при постоянной нагрузке в соединении стального вала и шпонки из чистотянутой стали с σ_в = 500 /600 МПа в зависимости от материала сту­пицы можно выбирать следующими:

Материал ступицы Сталь Чугун, алюминий Текстолит,

древопластик [σ_см], МПа .... 150-180 80-100 15-25

Большие значения принимают при легком режиме работы (переменная нагрузка не свыше 5% от постоянной), а мень­шие при тяжелых условиях эксплуатации (нагрузка знакопере­менная с ударами).

При реверсивной нагрузке допускаемые напряжения умень­шают в 1,5 раза, а при ударной нагрузке — в 2 раза,