Шпоночные соединения

Шпоночные соединения осуществляются с помощью шпонок, которые устанавливаются в пазах вала и ступицы детали. Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием, а в ступицах – протягиванием.

Применение: шпоночные соединения широко применяют во всех отраслях машиностроения при малых нагрузках, возможности размещения длинных ступиц, необходимости лёгкой сборки и разборки. По мере роста нагрузок применение шпонок сокращается.

Шпоночные соединения делятся на две группы: ненапряжённые и напряжённые.

Ненапряжённые соединения осуществляются призматическими и сегментными шпонками, которые не вызывают деформации ступицы и вала при сборке.

Напряжённые соединения осуществляются клиновыми и тангенциальными шпонками, которые вызывают деформацию вала и ступицы при сборке.

Соединения призматическими шпонками имеют наибольшее распространение. Стандартизованы обыкновенные и высокие призматические шпонки. Последние обладают повышенной несущей способностью, их применяют, когда закрепляемые детали (ступицы) имеют малую длину. Момент передаётся узкими боковыми гранями шпонок.

Соединения сегментными шпонками являются разновидностью соединений призматическими шпонками. Сегментные шпонки (пластины в виде сегмента), так же как и призматические, работают боковыми гранями. Эти шпонки и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже (шпонки свободно вставляются в паз), они взаимозаменяемы. Глубокая посадка шпонки предохраняет её от выворачивания под нагрузкой. Однако глубокий паз существенно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют для передачи небольших вращающих моментов или лишь для фиксации элементов соединения.

Расчёт шпоночных соединений. Рассчитывают шпонку как наиболее слабую деталь соединения. Размеры стандартных шпонок подобраны из условия прочности на смятие, поэтому основным их расчётом является проверочный расчёт на смятие.

Расчёт призматической шпонки. Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h), глубину паза вала t₁ выбирают в зависимости от диаметра d вала по ГОСТ 23360-78. Длину шпонки конструктивно принимают на 5…10 мм меньше длины ступицы, согласовывают со стандартом и проверяют на смятие:

σ_см=F_t/A_см≤[σ_см],

где F_t=2M/d – окружная сила, передаваемая шпонкой;

A_см=(h – t₁)l_р – площадь смятия.

Следовательно,

σ_см=2M/d(h – t₁)l_р≤[σ_см],

где M – передаваемый вращающий момент;

l_р – рабочая длина шпонки.

Расчёт сегментных шпонок. Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h), длину шпонки l и глубину паза вала t₁ выбирают в зависимости от диаметра вала по ГОСТ 24071-80. Сегментные шпонки, так же как и призматические, проверяют на смятие:

σ_см=2M/d(h – t₁)l_р≤[σ_см].

Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической её необходимо проверить на срез. Условие прочности шпонки на срез

Τ_ср=2M/(dbl)≤[τ_ср].

Если расчётное напряжение превышает допускаемое более чем на 5%, то устанавливают две шпонки. Призматические шпонки устанавливают под углом 180˚, сегментные – вдоль вала в одном пазу ступицы. Постановка нескольких шпонок сильно ослабляет вал и ступицу, а также связана с технологическими затруднениями. В таких случаях шпонки заменяют шлицевыми соединениями.

Материалы и допускаемые напряжения. Шпонки изготовляют из чистотянутых стальных прутков – углеродистой или легированной стали с пределом прочности σ_в≥500 Н/мм². Сегментные шпонки выполняют из стали сегментного профиля. Допускаемые напряжения смятия: при спокойной нагрузке и стальной ступице [σ_см]=110…190 Н/мм²; при чугунной – 70…100 Н/мм²; при значительных колебаниях нагрузки [σ_см] следует снижать на 50%.