Соединения призматическими шпонками

Они получили наибольшее распространение. Служат для ненапряжённого соединения вала со ступицей, обеспечивают лёгкий монтаж и демонтаж деталей, сопряжённых с валом, лучшую центровку деталей, сидящих на валу по сравнению с другими видами шпонок, простота конструкции и сравнительно низкая стоимость.

Недостатком призматических шпонок является трудность обеспечения их взаимозаменяемости и необходимость ручной пригонки, требует изготовления вала и отверстия в ступице с большой точностью. Пригонкой стремятся обеспечить устойчивое положение шпонки в пазах, так как перекос (выворачивание) шпонки значительно ослабляет соединения. Сегментная шпонка с глубоким пазом в этом отношении обладает преимуществом перед простой призматической шпонкой.

Во многих случаях посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передаётся с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия s_см , а в продольном сечении шпонки – напряжения среза t (рис.1).

Для простоты расчёта допускают, что шпонка врезана в вал наполовину свей высоты, напряжения смятия s_см распределяются равномерно по высоте и длине шпонки, а плечо равнодействующей этих напряжений равно d/2, где d – диаметр вала.

Рассматривая равновесие вала или ступицы при таких допущениях, получим условия прочности:

где Т – крутящий момент, Нмм

l – длина шпонки, мм

h – высота шпонки, мм

b – ширина шпонки, мм

t₁ – глубина врезания шпонки в вал.

Рабочая длина шпонки со скруглёнными концами равна l_р = l – b, с плоскими – l_р = l.

Пазы на валах под шпонки со скруглёнными концами выполняют пальцевыми фрезами. Пазы на валах для шпонок с плоскими торцами выполняют дисковыми фрезами, что более технологично и создаёт меньшую концентрацию напряжений, чем при выполнении пальцевой фрезой.

У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчётах обычно определяют s_см . Шпонки изготавливают со скруглёнными или плоскими концами.

Сегментная и цилиндрическая шпонка являются разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этих шпонок подобен призматической шпонке.

Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рисунке 2. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Это предохраняет шпонку от перекоса под нагрузкой. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на мало нагруженных участках вала, например, на концах валов.

Аналогично призматической шпонке сегментная рассчитывается на смятие:

При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегментные шпонки.

Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой (штифтом) показана на рисунке 3.

Цилиндрическая шпонка может использоваться для закрепления деталей на конце вала. Отверстие под шпонку сверлят и обрабатывают развёрткой после посадки ступицы на вал. При больших нагрузках ставят две или три шпонки, располагая под углом 180⁰ или 120⁰. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.

Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжениям смятия аналогично формуле для призматической шпонки:

где d_ш – диаметр штифта,

d_в – диаметр вала.

Число шпонок необходимое для передачи заданного максимального крутящего момента, определяют по формуле:

Диаметр шпонки d_ш = (0,13…0,16)d_в. В соответствии с ГОСТ 3128-70 d_ш должен быть равен: 6; 8; 10; 12; 16 мм. Размер l = (3…4)d_ш согласовывают с рядом чисел: 12; 14; 16; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 65.