2 .2.2. Шпоночные и шлицевые соединения

Шпоночным соединением называют соединение вала со ступицей колеса с помощью детали, называемой шпонкой. Шпонки делят на призматические (рис. 22 а), сегментные (рис. 22 б) и клиновые (рис. 22 в). Для основных типов шпонок в зависимости от номинального диаметра d вала стандартом установлены размеры сечений шпонок (h и b) и пазов для них.

Призматические шпонки создают ненапряжённые соединения. Они используются в конструкциях наиболее часто. К достоинствам этих шпонок следует отнести сравнительно небольшую глубину врезания в вал, они легко монтируются и демонтируются. Призматические шпонки имеют прямоугольное сечение с отношением высоты к ширине от h/b=1 (для валов диаметром до 22мм) до h/b=0,5 (для валов больших диаметров). Рабочими у призматических шпонок являются боковые узкие грани. В радиальном направлении предусмотрен зазор. Недостатками являются повышенные требования к точности изготовления и сборки, а также отсутствие фиксации деталей в осевом направлении.

Сегментные шпонки имеют глубокую посадку в вал и поэтому не перекашиваются под нагрузкой, они взаимозаменяемые. Однако глубокий паз существенно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки используют преимущественно для закрепления деталей на малонагруженных участках вала.

Клиновые шпонки создают напряжённые соединения, У этих шпонок рабочими являются широкие грани, одна из которых имеет уклон 1:100. Шпонки устанавливают в распор широкими гранями и фиксируют детали в осевом направлении Недостатком клиновых шпонок является то, что в процессе сборки нарушается соосность соединяемых деталей. Соединения клиновыми шпонками применяют главным образом в тихоходных передачах.

Критерии работоспособности и расчёт соединений. Шпоночные соединения выходят из строя из-за смятия (упруго-пластического сжатия) рабочих граней и возможного среза шпонок. Выбранные по стандартам, в зависимости от диаметра вала, шпонки проверяют на прочность на смятие

(29)

где М – вращающий момент;

l_p – рабочая длина шпонки;

t₂=0,4h – глубина врезания шпонки в ступицу;

[σ_см] – допускаемое напряжение на смятие.

Из (29) находим рабочую длину шпонки

(30)

Полная длина l шпонки с круглёнными концами l=l_p+b.

Проверку прочности шпонки на срез обычно не производят, так как это условие удовлетворяется при использовании стандартных сечений шпонок и рекомендуемых значений.

Если длина шпонки, определённая по формуле (30) оказывается больше длины ступицы колеса, то соединение образуют с помощью двух или трёх шпонок, установленных соответственно под углом 180º или 120º.

Соединение сегментными шпонками также рассчитывают по формуле (29), принимая t₂=h-t₁.

Шпонки изготовляют из сталей, имеющих σ_в ≥ 500 МПа (Ст6, стали 45; 50 и др.) Допускаемые напряжения обычно принимают [σ_см]=200…500 МПа.

При реверсивной нагрузке значения допускаемых напряжений уменьшают 1,5 раза, а при ударной нагрузке – в 2 раза.

Шлицевыми соединениями называют соединения, которые образуются между выступами или шлицами вала и соответствующими по форме впадинами ступицы, насаженной на вал (рис. 23).

По сравнению со шпоночными шлицевые соединения имеют меньшие радиальные габариты, высокую несущую способность, взаимозаменяемы и обеспечивают хорошее центрирование деталей.

Поэтому их используют в условиях массового производства конструкций и при большой частоте вращения валов.

По форме поперечного сечения различают три типа шлицев: прямобочные, эвольвентные и треугольные (рис. 23).

Наибольшее распространение получили прямобочные шлицевые соединения, выполняемые с чётным числом шлицев (6; 8; 10; 12; 20); они стандартизированы, поэтому их размеры нельзя выбирать произвольно. В прямобочных шлицевых соединениях центрирование осуществляют по наружному, внутреннему диаметрах или по боковым сторонам шлицев (рис. 23 а, б, в).

Шлицевое соединение с эвольвентным (рис. 23 г) профилем отличается от прямобочного более совершенной технологией изготовления, повышенной прочностью самих шлицев и валов и точностью центрирования. Центрирование при эвольвентных шлицах осуществляется по боковым сторонам и реже по наружному диаметру. Шлицевое соединение с треугольными шлицами (рис. 23 д) применяют для неподвижных соединений при небольших нагрузках и малой толщине стенки ступицы.

К ритерии работоспособности и расчёт соединения. Соединения выходят из строя в основном из-за повреждения боковых (рабочих) поверхностей (смятии, износ) и усталостного разрушения валов (рис. 24). Поэтому основным критерием работоспособности шлицевых соединений является прочностная надёжность самих шлицев и валов.

Зубья рассчитывают на смятие, как и шпоночные соединения:

(31)

где d_m – средний диаметр соединения;

z – число шлицев (зубьев);

h, l – соответственно высота и длина поверхности контакта зубьев;

ψ=0,7…0.8–коэффициент, учитывающий концентрацию контактных давлений на краях соединения;

[σ_см] – допускаемое напряжение смятия на боковых поверхностях.

Высота и средний диаметр для прямобочных зубьев

для эвольвентных зубьев h=m; d_m=mz (здесь m – модуль).

Количество зубьев и диаметры заданы в стандарте в зависимости от диаметра вала. Длина соединения (как и для шпоночного соединения) принимается по ступице охватывающей детали (например, колеса), обычно l=(1…2)d.