Глава 6 Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения
Шпоночные и зубчатые соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т. д. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом.
Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные , а вторая — ненапряженные соединения. Размеры шпонок и допуски на них стандартизованы.
Соединение клиновыми шпонками (например, врезной клиновой шпонкой; рис. 6.1) характеризуется свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с за¬зорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающего момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки. За¬прессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на некоторое значение Δ, равное половине зазора посадки и деформации деталей. Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения.
Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна оси вала. Обработка паза в ступице с уклоном, равным уклону шпонки, создает дополнительные технологические тру¬дности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства. Значительное сокраще¬ние применения клиновых щпонок позволяет не рассматривать в настоящей курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.
Соединение призматическими шпонками ненапряженное. Оно требует изготовления вала и отверстия с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передается с вала на ступицу боковыми
узкими гранями шпонки. При этом на них возника¬ют напряжения смятения асм, а в продольном сече¬нии шпонки — напряжения среза τ (рис. 6.2).
Для упрощения расчета допускают, что шпонка врезана в вал на половину своей высоты, напряжения асм распределяются равно¬мерно по высоте и длине шпонки, а плечо равнодействующей этих напряжений равно ~d/2. Рассматривая равновесие вала или ступицы при этих допущениях, получаем условия прочности в виде
Соединение призматическими шпонками ненапряженное. Оно требует изготовления вала и отверстия с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производится с натягом. Момент передается с вала на ступицу боковыми
узкими гранями шпонки. При этом на них возника¬ют напряжения смятения асм, а в продольном сече¬нии шпонки — напряжения среза τ (рис. 6.2).
Для упрощения расчета допускают, что шпонка врезана в вал на половину своей высоты, напряжения асм распределяются равно¬мерно по высоте и длине шпонки, а плечо равнодействующей этих напряжений равно ~d/2. Рассматривая равновесие вала или ступицы при этих допущениях, получаем условия прочности в виде
У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчетах обычно используют только формулу (6.1).
Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные в осевом направлении соединения ступицы с валом (коробки скоростей и др.). Силы трения, возникающие при перемещении ступицы в подвижном соедине¬нии, могут нарушить правильное положение шпонки, поэтому ее рекомендуют крепить к валу винтами (рис. 6.3, а). В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице (рис. 6.3, б).
Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этих шпонок подобен прин-
ципу работы призматической шпонки. Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. 6.4. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на малонагруженных участках вала, например на концах валов. Аналогично соединению с призматической шпон¬кой для сегментной шпонки получим:
Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные в осевом направлении соединения ступицы с валом (коробки скоростей и др.). Силы трения, возникающие при перемещении ступицы в подвижном соедине¬нии, могут нарушить правильное положение шпонки, поэтому ее рекомендуют крепить к валу винтами (рис. 6.3, а). В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице (рис. 6.3, б).
Сегментная и цилиндрическая шпонки являются разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этих шпонок подобен прин-
ципу работы призматической шпонки. Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. 6.4. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на малонагруженных участках вала, например на концах валов. Аналогично соединению с призматической шпон¬кой для сегментной шпонки получим:
При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегментные шпонки.
Конструкция соединения с цилиндрической шпонкой (штифтом) показана на рис. 6.5. Цилиндрическую шпонку используют для закрепления деталей на конце вала. Отверстие под шпонку сверлят и обрабатывают разверткой после посадки ступицы на вал. При больших нагрузках ставят две или три цилиндрические шпонки, располагая их под углом 180° или 120° соответственно. Цилиндрическую шпонку устанавливают в отверстие с натягом. В некоторых случаях шпонке придают коническую форму.
Условие прочности соединения цилиндрической шпонкой по напряжениям смятия аналогично формуле (6.1):