3.17 Шпоночные и шлицевые соединения, соединения штифтами

3.17.1 Шпоночные соединения

Общие сведения

Служат для соединения вала с насаживаемыми на него деталями и для передачи вращающего момента с вала на деталь или обратно.

Шпоночные соединения осуществляются при помощи шпонок, которые представляют собой стальной брус, вставляемый в пазы вала и ступицы. Шпонки изготавливают из сталей, имеющих _в  600 Н/мм² (например, Ст6, Тс7 ГОСТ 380, стали 40,45,50 ГОСТ 1050).

Достоинства:

1) простота и надежность конструкции;

2) низкая стоимость;

3) простота монтажа и демонтажа.

Недостаток: шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу и являются концентраторами напряжений при изгибе и кручении.

Шпоночные соединения делятся на две группы:

1) Ненапряженные соединения, в которых шпонки закладываются легко, и до приложения внешней нагрузки в таких соединениях не возникают напряжения. Осуществляется такое соединение призматическими и сегментными шпонками;

2) Напряженное шпоночное соединение, в котором шпонки закладываются туго, с большим усилием и еще до приложения внешней нагрузки возникают значительные монтажные напряжения. Кроме передачи крутящего момента могут воспринимать осевые нагрузки. Осуществляется при помощи клиновых и тангенциальных шпонок.

Рисунок 3.77

Призматические шпонки ГОСТ 23360 изготовляются в 3-х исполнениях (рисунок 3.77): исполнение А - со скругленными торцами; исполнение С - с одним скругленным, другим плоским; с плоскими торцами - исполнение В. Рабочими являются боковые более узкие грани шпонок высотой h. Размеры сечений и пазов принимают по ГОСТ 23360 в зависимости от d вала (рисунок 3.77 а, б).

Призматические высокие шпонки отличаются глубиной соприкосновения шпонки с деталью - t₁, применяют для передачи больших моментов.

Отношение высоты к ширине:

h/b = 1 при d  22 мм;

h/b = 0,56 при d > 22 мм.

Сегментные шпонки принимают по ГОСТ 24071 и применяют при передаче небольших моментов, т.к. они глубоко врезаются в вал и ослабляют его, но удобны при монтаже и демонтаже (рисунок 3.77, в).

Клиновые шпонки - применяются как клин (рисунок 3.78). Стандартная высота - h по ГОСТ 24068.

Боковые зазоры необходимы для обеспечения возможности монтажа шпонки. Эти шпонки передают момент верхней и нижней сторонами.

По способу расположения на валах различают шпонки в соответствии рисунком 3.79:

а) шпонка на лыске, должна быть туго затянута и передает момент за счет сил трения.

б) фрикционная шпонка применяется там, где деталь меняет свое место на валу, и куда трудно поставить другую шпонку.

в) тангенциальные шпонки состоят из двух односкосых клиньев. Вводятся в пазы ударом. Применяются для вала с диаметром более 60 мм и больших вращающих моментов.

Рисунок 3.78

Рисунок 3.79

Выбор шпонок

Шпонки - массовые детали и поэтому они стандартизированы. Шпонки выбираются стандартные по таблицам.

В таблицах даются в зависимости от диаметра вала d размеры сечения шпонки b × h, t₁, t₂ и для каждого сечения шпонки дается ряд допускаемых длин, т.е. исходя из размеров b × h, подбираются длины l₁; l₂; l₃ и т.д. Например, шпонка 16×10×50 ГОСТ 23360.

Причем из конструктивных соображений длину шпонки рекомендуется назначать:

l = l_{ступицы} - (5...10), мм

Чтобы найти из данного ряда длину шпонки проводится расчет шпоночного соединения на прочность.

Расчет шпонок на прочность

Основной критерий работоспособности шпоночных соединений - прочность. Вращающий момент будет передаваться, когда:

Т  F d/2 (рисунок 3.80).

Отсюда сила, действующая на шпонку F = 2T/d. Под действием силы F шпонка испытывает деформацию смятия:

_см = F/А_см  [_см];

А_см = l_рt₂ - площадь смятия;

здесь t₂ = h - t₁ ≈ 0,4 h – высота площадки смятия;

l_р = l – b – рабочая длина шпонки; [_см]=100÷120 МПа;

Тогда условие прочности на смятие примет вид:

_см= 2 T/(dl_рt₂)  [_см] – допускаемое напряжения смятия.

Рисунок 3.80

Если это условие не выполняется, то соединение образуют с помощью двух или трех шпонок, установленных под углом друг к другу соответственно 180^о или 120^о.

Соединения сегментными шпонками также проверяют на смятие:

_см = 2Т/(d t₂l_p)  []_см, где t₂ - рабочая глубина в ступице.

Иногда расчет выполняется, как проектировочный, т.е. определяется рабочая длина шпонки l_р  2Т/(dt₂ [_см]).

Для стальных шпонок рекомендуется [_см]  150 Н/мм², при работе со слабыми толчками значение допускаемых напряжений снижают на 1/3, при ударной нагрузке - на 2/3.

При разных материалах шпонки и соединяемых с нею деталей []_см применяется для более слабого материала: шпонки или детали. Например, для чугуна или алюминия [_см] = 80 МПа; для текстолита - 20 МПа.

Проверка выбранной шпонки на срез:

_ср = F/A_ср  []_ср; А_ср = bl - площадь среза;

_ср = 2Т/(dbl)  [_ср];

Если []_ср = 70...100 Н/мм², то срезаться будет только шпонка.

Пример обозначения сегментной шпонки исполнения 1 сечением b×h×D→5×6,5×16, мм:

Шпонка 5×6,5×16 ГОСТ 24071-80.

Для установки призматической шпонки в паз вала рекомендуют переходные посадки Н9/h9, N9/h9, Р9/h9, а в паз ступицы - посадки с зазором: H10/h9, Is9/h9, H9/h9.

Клиновая шпонка выбирается так же, как и призматическая, т.е. по диаметру вала определяются размеры b и h.

По b × h определяется l, причем клиновая шпонка может быть длинее ступицы на 10-20 мм ступицы и выступать из нее, а в уравнение подставляется длина, равная ступице.

Расчет ведется как проверочный по условию прочности на смятие рабочей поверхности контакта.

Клиновые шпонки применяются редко, т.к. они нарушают центровку вала, увеличивают вибрацию и преждевременный износ. Применяются при малых скоростях.