Шпонкові з‘єднання

Шпонкові з'єднання служать для закріплення деталей, що обертаються, на осях і валах. За допомогою цих з'єднань здійснюється передача крутного моменту, наприклад, від вала на шестерню, шків і т.д.

Шпонкові з'єднання одержали широке поширення завдяки простоті і надійності конструкції, зручності зборки і розбирання вузла, низькій вартості.

У залежності від характеру навантаження шпонкові з'єднання розділя­ються на напружені і ненапружені.

7.1.1. Конструкції напружених шпонкових з‘єднань

Напружені шпонкові з‘єднання утворюються за допомогою клинових шпонок, які за способом розташування на валах діляться на врізні, на лисці, фрикційні і тангенціальні.

Врізні шпонки (рис. 7.1). Робочими є широкі грані шпонки. Передача крутного моменту від вала 1 до ступиці 2 відбувається в основному за рахунок сил тертя, що утворюються в з'єднанні від запресування шпонки 3. Клинові врізні шпонки по конструкції підрозділяються на клинові без головки (рис. 7.1, а) і шпонки клинові з головкою (рис. 7.1, б). З клинових шпонок врізні шпонки одержали найбільше поширення. Вони більш надійні (ніж шпонки на лисці і фрикційні) і більш технологічні (ніж тангенціальні).

Рис. 7.1. З‘єднання деталей за допомогою клинової врізної шпонки

Рис. 7.2. З‘єднання за допомогою клинової шпонки на лисці

Шпонки на лисці (рис. 7.2). Для шпонки на лисці на валу передбачають плоску площадку, називану лискою. При цьому вал послабляється лискою в меншій мірі, ніж канавкою для врізної шпонки.

Фрикційні шпонки (рис. 7.3). Вал не має паза, а поверхню шпонки, що стикається з валом, виго­товляють циліндричною з радіусом, рівним ра­діусу вала. Передача крут-

Рис. 7.3. З‘єднання за допомогою фрикційної шпонки

ного мо­менту здійснюється силами тертя. Фрикційні шпон­ки дозволяють регу­лювати положення деталі на валу як у кутовому, так і в осьовому напрям­ках, тому їх застосовують при необ­хідності частих переста­новок наса­дженої на валу деталі.

У порівнянні з врізними шпон­­ками фрикційні і шпонки на лисці вимагають ступиць більшого діаметра і вони менш надійні. Тому їх засто­совують при передачі невеликих крутних моментів.

Рис. 7.4. З‘єднання за допомогою клинових тангенціальних шпонок

Тангенціальні шпонки (рис. 7.4). Шпонка складається з двох одноукосних клинів (і=1:100). Натяг між валом і ступицею створюється в дотичному на­прямку. Одна із широких граней тангенціальної шпонки направлена по дотич­ній до перерізу вала, а одна з вузьких граней – по радіусу вала. Таке розта­шування танген­ціальних шпонок викликає необхідність постановки в з'єднанні двох шпонок, розміщених під кутом 120…130°.

Тангенціальні шпонки надійні, але з'єднання цими шпонками складне, вони застосовуються переважно у важкому машинобудуванні при великих динаміч­них навантаженнях.

При з'єднанні деталей за допомогою напруженого шпонкового з'єднання засто­совується вільна посадка ступиці на вал (із гарантованим зазором). За­пресовка шпонки зміщає центри вала і ступиці на розмір, рівний зазору посадки і деформації деталей. Цей зсув викликає дисбаланс і погано позначається на роботі механізму при великих швидкостях обертання (викликає вібрації). Крім того, обробка паза в ступиці з ухилом створює додаткові технологічні труднощі і часто потрібна індивідуальна пригінка шпонки по пазу, що неприпустимо в умовах масового виробництва.

7.1.2. Ненапружені шпонкові з‘єднання та їх розрахунок

Ненапружені шпонкові з'єднання є найбільш поширеними і утворюються за допомогою призматичних і сегментних шпонок.

Призматичні шпонки (рис. 7.5) застосовуються для утворення нерухомих і рухомиих шпонкових з'єднань. У рухомих з'єднаннях шпонки закріплюються на валу (направляючі шпонки) або в ступиці (ковзні шпонки).

Призматичні шпонки працюють боковими гранями. Розрахунок зводиться до вибору перерізу шпонки за ГОСТом у залежності від діаметру вала і визначенню її довжини з рівнянь міцності. Можливими ушкодженнями призматичної шпонки є зминання бокових граней і зріз.

Рис. 7.5. З‘єднання деталей за допомогою призматичної шпонки

Умова міцності на зминання:

, (7.1)
де і – розрахункове і допустиме напруження на зминання шпонкового з‘єднання; h – висота шпонки; l – розрахункова довжина шпонки.

Якщо прийняти y=d/2, то крутний момент, який передається шпонкою, , звідки

. (7.2)

Умова міцності на зріз:

, (7.3)
де – відповідно розрахункове і допустиме напруження на зріз шпонки. Тоді , звідки

. (7.4)

З отриманих значень довжини шпонки l слід прийняти більше.

Сегментні шпонки працюють боковими гранями (рис. 7.6). Перевага сегментної шпонки – у можливості виготовлення паза за допомогою дискової фрези. Однак глибокий паз значно послаблює вал, тому сегментні шпонки застосовуються при передачі порівняно невеликих навантажень.

Розрахунок сегментних шпонок виконується з тих же передумов, що і призматичних.

Рис. 7.6. З‘єднання за допомогою сегментних шпонок

Рівняння міцності на зминання виступаючої частини шпонки:

, (7.5)
де .

Умова міцності на зріз шпонки:

. (7.6)

Стандартні шпонки виготовляються з чистотягнутих сталевих прутків вуглецевої або легованої сталі. Якщо деталі з'єднання (вал, ступиця, шпонка) виготовлені з різних матеріалів; то вибирається по матеріалу, що має найнижчі характеристики міцності. Допустимі напруження зрізу вибираються по матеріалу шпонки.

Недоліки шпонкових з‘єднань:

1) зниження здатності витримування навантажень з‘єднуваних деталей, тому що пази, лиски зменшують площу поперечного перерізу і викликають концентрацію напружень;

2) ускладнена точна (концентрична) посадка деталей;

3) неможливість передачі однією шпонкою значних крутних моментів.