Шпоночные соединения

5. Шпоночные соединения

5.1. Общие сведения

Шпоночные соединения состоят из вала, шпонки и ступицы колеса (шкива или другой детали). Шпонка представляет собой стальной брус, вставляемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента между валом и ступицей. Основные типы шпонок стандартизованы. Шпоночные пазы у вала получаются фрезерованием дисковыми или пальцевыми фрезами, а в ступице – долблением или протягиванием.

Достоинства:

1) простота и надежность конструкции;

2) низкая стоимость;

3) простота сборки и разборки.

Недостаток: шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали.

Ослабление вала обусловлено не только уменьшением его сечения, но и появлением концентрации напряжений изгиба и кручения, вызванной шпоночным пазом.

           Исполнение 3                                 Исполнение 2                       Исполнение 1

Рисунок 5.1 – Соединение призматическими шпонками.

Разновидности шпоночных соединений. Все шпоночные соединения подразделяются на ненапряженные и напряженные. Ненапряженные соединения получаются при применении призматических (рисунок 5.1) и сегментных (рисунок 5.2) шпонок. Эти соединения называют ненапряженными, так как при сборке не возникает предварительных напряжений. Напряженные соединения получаются при применении клиновых (рисунок 5.3) и тангенциальных (рисунок 5.4) шпонок. При сборке соединений в их деталях возникают предварительные (монтажные) напряжения.

Рисунок 5.2 – Соединение сегментной шпонкой

Рисунок 5.3 – Соединение клиновой шпонкой

                                               A-A

Рисунок 5.4 – Соединение тангенциальными шпонками

Соединения призматическими шпонками. Конструкции соединений призматическими шпонками изображены на рисунке 5.1. Рабочими являются боковые, более узкие, грани шпонок высотой h. Размеры сечений шпонок и пазов принимают в зависимости от диаметра вала d по ГОСТ 23360-78 (таблица 5.1).

Таблица 5.1 – Призматические шпонки. Размеры в мм

Примечание. Длины шпонок выбирают из ряда: 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160;180; 200.

По форме торцов различают шпонки со скругленными торцами – исполнение 1 (рисунок 5.1, в), с плоскими торцами – исполнение 3 (рисунок 5.1, а) и с одним плоским, а другим скругленным торцом – исполнение 2 (рисунок 5.1, б). Шпонки исполнения 1 рекомендуются для более точных соединений.

Призматические направляющие шпонки с креплением на валу применяют в подвижных соединениях для перемещения ступицы вдоль вала (рисунок 5.5).

Среднее резьбовое отверстие в шпонке служит для того, чтобы в него можно было ввернуть винт и извлечь шпонку из паза вала. При большом перемещении детали вдоль вала применяют скользящие шпонки (рисунок 5.6).

Рисунок 5.5 – Соединение призматической направляющей шпонкой:

1 – кольцо упорное;

 2 – кольцо пружинное

Рисунок 5.6 – Соединение призматической скользящей шпонкой

Соединения сегментными шпонками. Сегментные шпонки (рисунок 5.2) так же, как и призматические, работают боковыми гранями и образуют ненапряженное соединение. Их применяют при передаче небольших крутящих моментов. Сегментные шпонки (ГОСТ 24071-80) и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже. Широко применяются в серийном и массовом производствах.

Соединения цилиндрической шпонкой. Цилиндрическую шпонку (рисунок 5.7) используют для закрепления деталей на конце вала. Отверстие под шпонку сверлят и обрабатывают разверткой после посадки ступицы на вал. При больших нагрузках ставят две или три цилиндрические шпонки, располагая их под углом 180° или 120°. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Рисунок 5.7 – Соединение цилиндрической шпонкой

Соединения клиновыми шпонками. Клиновые шпонки (рисунок 5.3) имеют форму односкосных самотормозящих клиньев с уклоном 1:100. Такой же уклон имеют пазы в ступицах. Клиновые шпонки изготовляют по ГОСТ 24068-80. Головка служит для выбивания шпонки из паза. По правилам техники безопасности выступающая головка должна иметь ограждение (1 на рисунке 5.3).

Клиновые шпонки забивают в пазы, в результате создается напряженное соединение, которое передает не только крутящий момент, но и осевое усилие. Эти шпонки не требуют стопорения ступицы от продольного перемещения вдоль вала. При забивании клиновой шпонки в соединении возникают распорные радиальные усилия, которые нарушают центрирование детали на валу, вызывая биение. Клиновые шпонки работают широкими гранями. По боковым граням имеется зазор.

Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах. Они хорошо воспринимают ударные и знакопеременные нагрузки.

Соединения тангенциальными шпонками. Тангенциальные шпонки (рисунок 5.4) состоят из двух односкосных клиньев с уклоном 1:100 каждый. Соединения тангенциальными шпонками применяют в тяжелом машиностроении при больших динамических нагрузках.

Изготавливаются по стандартам (ГОСТ 24069-80 и 24070-80), охватывающим два вида соединений: шпонки тангенциальные, нормальные для валов диаметром 60 – 1000 мм и усиленные для валов диаметром 100 – 1000 мм. Работают узкими гранями. Вводятся в пазы ударом. Создают напряженное соединение. Натяг между валом и ступицей создается в касательном (тангенциальном) направлении. При реверсивной работе ставят две пары тангенциальных шпонок под углом 120°. В современном производстве имеют ограниченное применение.

5.2. Проверочный расчет шпоночных соединений

Прочность – основной критерий работоспособности шпоночных соединений. Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимости от диаметра вала, а затем соединения проверяют на прочность. Размеры шпонок и пазов в ГОСТах подобраны из условия прочности на смятие, поэтому основным проверочным расчетом шпоночных соединений является расчет на смятие.

Рисунок 5.8 – Соединение призматической шпонкой

Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не производят. При расчете многошпоночного соединения допускают, что нагрузка распределяется равномерно между всеми шпонками.

Соединения призматическими шпонками (рисунок 5.1 и рисунок 5.8) проверяют по условию прочности на смятие:

,                                         (5.1)

где F =  – усилие передаваемое шпонкой, площадь смятия

, тогда

 .                                       (5.2)

Соединения сегментными шпонками (рисунок 5.2) проверяют на смятие:

.                                        (5.3)

Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической ее проверяют на срез. Условие прочности шпонки на срез:

,                                              (5.4)

где b – ширина шпонки,  – допускаемое напряжение на срез шпонки.

Соединения врезными клиновыми шпонками (рисунок 5.3) проверяют по условию прочности на смятие рабочих поверхностей контакта:

,                                         (5.5)

где  – длина рабочей части шпонки; f – коэффициент трения; для стали по чугуну или стали f =0,15 – 0, 18.

Соединения цилиндрическими шпонками (рисунок 5.7) проверяют по условию прочности на смятие:

.                                                  (5.6)

5.3. Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготовляют из чистотянутых стальных прутков – углеродистой или легированной стали с пределом прочности не ниже 500 МПа. Значение допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки (ступицы).

Для неподвижных соединений допускают:

при переходных посадках []_см = 80 – 150 МПа;

при посадках с натягом []_см = 110 – 200 МПа.

Меньшие значения []_см для чугунных ступиц и при резких изменениях нагрузки. В подвижных (в осевом направлении) соединениях допускаемые напряжения значительно снижают в целях предупреждения задира и ограничения износа. При этом принимают []_см = 20 – 30 МПа.

5.4.Последовательность проверочного расчета шпоночных соединений

Исходные данные:

1. Передаваемый вращающий момент Т.

2. Диаметр вала d и длина ступицы l_cm.

3. Условия работы.

Последовательность расчета:

1. Задаются видом шпоночного соединения в зависимости от класса машины, конструкции соединяемых деталей, угловой скорости, величины и характера нагрузки.

2. Зная диаметр вала d, по ГОСТу принимают размеры сечения шпонки b и h.

3. В зависимости от длины ступицы задаются длиной шпонки из стандартного ряда длин. Рекомендуется длину призматических шпонок принимать на 5 – 10 мм меньше длины ступицы.

4. Из условия прочности на смятие, а в соединениях сегментными шпонками и на срез, определяют расчетные напряжения в соединении и сравнивают с допускаемыми значениями. Если расчетное напряжение превышает допускаемое более чем на 5%, то увеличивают длину шпонки и соответственно ступицы или принимают две шпонки. Призматические шпонки устанавливают с шагом в 180°, сегментные – в ряд по длине ступицы.

5.5. Рекомендации по конструированию шпоночных соединений

1.  Перепад диаметров ступеней вала с призматическими шпонками назначают из условия свободного прохода детали без удаления шпонок из пазов.

2.  Из технологических соображений рекомендуется для ступеней одного и того же ступенчатого вала назначать одинаковые шпонки по сечению и длине, исходя из ступени меньшего диаметра, имеющего шпоночный паз (рисунок 5.9).

Бесплатная лекция: "8. Внемашинная информационная база" также доступна.

Рисунок 5.9 – Ступенчатый вал с одинаковыми шпонками

Прочность шпоночных соединений в данном случае получается вполне достаточной, так как усилия F₁ и F₂, действующие на шпонки, составляют

,

но d₂ > d₁, следовательно, F₁ > F₂. Это доказывает, что, чем больше диаметр ступени вала, тем меньше усилие F передает шпонка этой ступени при одном и том же вращающем моменте Т.

Постановка нескольких шпонок сильно ослабляет вал, поэтому в настоящее время их заменяют зубчатыми (шлицевыми) соединениями.