7.2 Соединения шпоночные

Шпоночные соединения (рис.7.23) применяют для передачи вращающего момента между валом и ступицей, насажанной на вал детали, например, ступицей зубчатого колеса, шкива, маховика.

Рис.7.23.Шпоночные соединения

Передача вращающего момента между деталями соединения осуществляется с помощью специальной детали – шпонки (рис.7.24)

Шпоночные соединения подразделяют: на ненапряженные, осуществляемые призматическими (рис.7.23,а), сегментными (рис.7.23,б) или цилиндрическими, (рис.7.23,г) шпонками. Напряженные, осуществляемые клиновыми (рис.7.23,в) шпонками.

Соединения призматическими шпонками (рис.7.23.а) широко применяются в машиностроении. Призматические шпонки стандартизированы и их размеры выбирают по ГОСТ 23360-78 (табл.7.5) и призматические высокие ГОСТ 10748-79 (табл.6.2).

Таблица 7.5 Размеры, мм, шпонок призматических и пазов (из ГОСТ23360-78) (СТ СЭВ 189-79).

Диаметр вала d		Размер сечения		Глубина паза для		Длина l		Радиус r		Фаска с
				вала	Втулки
свыше	до	b	h	t1	t2	от	до	от	до	от	до
8	10	3	3	1,8	1,4	6	36	0,08	0,16	0,16	0,25
10	12	4	4	2,5	1,8	8	45
12	17	5	5	3	2,3	10	56	0,16	0,25	0,25	0,4
17	22	6	6	3,5	2,8	14	70
22	30	8	7	4	3,3	18	90
30	38	10	8	5		22	110	0,25	0,4	0,4	0,6
38	44	12	8			28	140
44	50	14	9	5,5	3,8	36	160
50	58	16	10	6	4,3	45	180
58	65	18	11	7	4,4	50	200
65	75	20	12	7,5	4,9	56	220	0,4	0,6	0,6	0,8
75	85	22	14	9	5,4	63	250
85	95	25				70	280
95	110	28	16	10	6,4	80	320
110	130	32	18	11	7,4	90	360
130	150	36	20	12	8,4	100	400	0,7	1,0	1,0	1,2
150	170	40	22	13	9,4
170	200	45	25	15	10,4	110	450

Примечание: 1. Материал – сталь чисто тянутая для шпонок с временным сопротивлением разрыву не менее 600 МПа.

2. Ряд длин l:6,8,10,12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100,110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450.

3. Пример условного обозначения шпонки исполнения 1 размерами b=18мм,h=11 мм l=100мм; шпонка18х11х100 ГОСТ 23360-78.Тоже, исполнение 2: шпонка 2-18х11х100 ГОСТ23360-78

4.На сборочных чертежах предпочтительно указывать размеры: для вала t₁,для втулки d+t₂.

Таблица 7.6 Размеры, мм, шпонок призматических и пазов (из ГОСТ23360-78) (СТ СЭВ 189-79).

Диаметр вала d		Размер сечения		Глубина паза для		Длина l		Радиус r		Фаска с
				вала	Втулки
свыше	до	b	h	t1	t2	от	до	от	до	от	до
30	38	10	9	5,5 7	3,8 4,4	22	110	0,25	0,4	0,4	0,6
38	44	12	11			28	140
44	50	14	12	7,5	4,9	36	160
50	58	16	14	9	5,4	45	180
58	65	18	16	10	6,4	50	200
65	75	20	18	11	7,4	56	220	0,4	0,6	0,6	0,8
75	85	22	20 22	12 13	8,4 9,4	63	250
85	95	25				70	280
95	110	28	25	15	10,4	80	320
110	130	32	28	17	11,4	90	360
130	150	36	32	20	12.4	100	400	0,7	1,0	1,0	1,2
150	170	40	36	22	14,4
170	200	45	40	25	15.4	110	450

Рис.7.24 Виды шпонок

Д остоинства соединений призматическими шпонками: простота конструкции и низкая стоимость.

Недостатки: вал и ступица ослаблены шпоночными пазами.

В зоне шпоночного паза возникает концентрация напряжений, снижающая усталостную прочность деталей соединений.

Необходимость подгонки или подбора шпонки, трудно обеспечить взаимозаменяемость. Низкая надежность соединений при действии ударных нагрузок, реверсивных и циклических нагрузок.

Шпонки изготовляют из углеродистых сталей 45 и 50 проката или тянутых профилей. В сильно нагруженных соединениях применяют шпонки из легированных сталей, например, из стали 40Х с термической обработкой до твердости 35…45 НRC_э.

Ш ирину b и высоту h обыкновенных призматических шпонок выбирают по ГОСТ 233460-78 в зависимости от посадочного диаметра d соединения. Концы шпонок могут быть плоскими (рис.7.24,а) или скругленными (рис.7.24,б). Шпонки со скругленными концами применят чаще.

Рис.7.25 Шпоночные пазы на валу, изготовленные: а)- концевой(пальцевой) фрезой; б)- дисковой фрезой.

Глубина врезания в ступицу k0,43h при d<40 мм и k,4 при d≥40 мм. В расчетах приближенно принимают заглубленные шпонки в вал t₁≈0,6h, а в ступицу k=0,4h (рис.7.23,а). Призматические шпонки вставляют в паз вала с натягом без дополнительного крепления, а в паз ступицы – с небольшим зазором.

Осевое фиксирование шпонки на валу осуществляют применением глухого паза, изготовляемого концевой фрезой (рис.7.25,а). Предпочтительно изготовление шпоночного паза на валу дисковой фрезой (рис.7.25,б), при этом достигается высокая точность выполнения размера b шпоночного вала и меньшая концентрация напряжений. Осевая фиксация шпонки менее надежна. Пазы в ступице выполняют долблением (строганием) или протягиванием протяжкой.

Ш поночный паз на валу прорезают пальцевой фрезой. Торцы паза при этом скруглены, а шпонка может иметь скругленные или плоские, более технологические торцы. Стандартами предусмотрены обе формы. Шпонка со скругленными торцами занимает паз полностью (рис.7.26,а) а с плоскими - не полностью (рис.7.26,б,в,г).

Рис.7.26. Исполнение и расположение шпонок и пазов: г- наиболее удобное для на прессовки а, б – при достаточной длине ступицы; в- при короткой ступице

Ш поночный паз обычно не доводят на 2…5 мм до края посадочного места (рис.7.26,а, б). Там, где смежная ступень больше по диаметру, чем посадочное место, паз желательно закончить у начала галтельного перехода. В соединениях показанных на рис.7.26,а,б длина плоской боковой поверхности шпонки, передающей нагрузку, существенно меньше длины посадочного места. Посадка с натягом и со шпоночным соединением вызывает затруднения в процессе монтажа, особенно при большом диаметре. Монтаж облегчается. Если посадочное место вала снабжено переходным участком, который входит в расточку ступицы с зазором. Этот участок можно выполнить коническим (рис.7.26,г) или цилиндрическим. Но с отклонениями, обеспечивающими зазор, например по d9. Конец шпонки и несколько миллиметров длины плоских боковых граней ее должны выходить за пределы места, на котором создается натяг, что, позволяет при сборке, начав вводить вал в ступицу, легко повернуть вал и направить шпонку в паз ступицы. Действующий на соединение вращающий момент Т вызывает напряжения среза τ_ср в шпонке по сечению А-А (рис.7.27) и напряжения смятия σ_см на боковых гранях шпонки и пазов ступицы и вала. При стандартизации размеры поперечного сечения шпонок (b и h), а также глубину врезания шпонок в ступицу в вал принимают таким образом, чтобы несущая способность соединения определяли напряжения смятия на боковых гранях шпонок.

Д

Рис.7.27. Расчетные схемы соединений: а — с призматической шпонкой; б — с цилиндрическими шпонками.

ля упрощения расчетов считают, что напряжения смятия (давление) σ_см распределены равномерно по площади контакта боковых граней шпонок и шпоночных пазов (рис.7.27,а) а плечо равнодействующей этих напряжений равно 0,5d (где d- диаметр вала).

Давление на рабочих поверхностях шпонок и пазов, возникающих при посадке шпонок в паз с натягом, пренебрегают. Напряжения смятия на боковых рабочих гранях шпонки или паза в ступице и на валу находят по формуле

,

а условие прочности записывают в виде

,

где Т - вращающий момент, Н·м; d – посадочный диаметр, мм; l_p-рабочая длина шпонки, мм; k - глубина врезания шпонки в ступицу, мм; [σ]_см=σ_T/S –допускаемые напряжения смятия для более слабого материала шпонки, вала или ступицы, МПа; σ_T-предел текучести; S - коэффициент запаса. При нереверсивной нагрузке принимают коэффициент запаса S=1,9…2,3. а при частых пусках и остановках - S=2,9…3,5; при реверсивной нагрузке коэффициент запаса повышают на 30%.

Если вал и ступица выполнены из стали, а шпонка – из наиболее часто применяемой тянутой стали 45, то принимают σ_T=350 МПа. В случае применения для ступиц других материалов необходимо соответственно изменять предел текучести, например, если ступица выполнена из серого чугуна СЧ 20, а, вал, и шпонка стальные, то принимают σ_T =130 МПа.

Соединения сегментными шпонками по ГОСТ 24071-80 применяют в серийном и более крупно серийном производствах.

Достоинства соединений с сегментными шпонками являются: простота конструкции; взаимозаменяемость и технологичность, не требуется ручной подгонки или подбора шпонки по пазу; устойчивое положение шпонки в глубоком пазу вала исключает возможность ее перекоса.

Недостатки: необходимость глубокой канавки под шпонку на валу ослабляет вал, а малая длина шпонок ограничивает нагрузочную способность соединения.

Сегментные шпонки характеризуют параметры: ширина b и диаметр заготовки D. При этом же посадочном диаметре соединения d ширину b и глубину k врезания в ступицу выбирают так же, как для призматических шпоночных соединений. Высота шпонки h≈0,4 D, длина l≈D и расчетная длина l_рас≈.l

Рассчитывают соединения с сегментными шпонками так же, как соединения с призматическими шпонками по напряжениям смятия.

Цилиндрические шпонки штифты по ГОСТ 3128-70 и 12207–79 применяют при свободном доступе к торцу соединения. Отверстия под эти шпонки параллельны оси вала и обрабатывают их после сборки вала и ступицы, обеспечивая посадку шпонки в отверстие с натягом. Диаметр d_ш и расчетную длину шпонки l_p в первом приближении принимают d_ш≈(0,13…0,16)d, l_p≈(3…4) d_ш, где d- диаметр вала.

Установка нескольких шпонок в одном соединении увеличивает несущую способность соединения практически пропорционально числу установленных шпонок благодаря тому, что совместная обработка отверстий для шпонок на валу и в ступице обеспечивает равномерное распределение нагрузки между шпонками. Необходимое число шпонок z_ш определяют из условия прочности рабочих поверхностей на смятие. Действующие напряжения смятия на цилиндрической поверхности шпонок диаметром d_ш определяют с учетом неравномерности распределения напряжений смятия.

При нагружении соединения вращающим моментом Т число цилиндрических шпонок z_ш, необходимых для передачи этого момента соединением, равно

,

где Т –Нм; d,d_ш и l_p- в мм; [σ]_см- в МПа.

В связи с более точной расчетной схемой для цилиндрических шпонок [σ_см] можно увеличить на 25...30 % по сравнению с допускаемыми напряжениями смятия для призматических шпонок.