Глава 7 Шпоночные соединения

7.1. Общие сведения

Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки и др.). Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот. Основные типы шпонок стандартизованы. Шпоночные пазы на валах получают фрезе­рованием дисковыми или концевыми фрезами, в ступицах — протяги­ванием.

Достоинства шпоночных соединений — простота конструкции и сравнительная легкость монтажа и демонтажа, вследствие чего их широко применяют во всех отраслях машиностроения.

Недостатки — шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насажи­ваемой на вал детали. Ослабление вала обусловлено не только умень­шением его сечения, но, главное, значительной концентрацией на­пряжений изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом. Поэтому шпоночное соединение не рекомендуют для быстроходных динамиче­ски нагруженных валов.

Шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовле­нии паза концевой фрезой (рис. 7.1, о) требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении паза дисковой фрезой (рис. 7.1,5) — крепление шпонки в пазу винтами от возможных осевых смещений.

7.2. Разновидности шпоночных соединений

Шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и на­пряженные. Ненапряженные соединения получают при использовании призматических (рис. 7.1) и сегментных (рис. 7.2) шпонок. В этих слу­чаях при сборке соединений в деталях не возникает монтажных на­пряжений. Для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии (фретинг-коррозии) ступицы устанавливают на валы с на­тягом.

Напряженные соединения получают при применении клиновых (на­пример, врезной клиновой, рис. 7.3) и тангенциальных (рис. 7.4) шпонок. При сборке таких соединений возникают предварительные (монтаж­ные) напряжения.

Основное применение имеют ненапряженные соединения.

Соединения призматическими шпонками. Конструкции соединений призматическими шпонками изображены на рис. 7.1. Рабочими являют­ся боковые, более узкие грани шпонок высотой h. Размеры сечения шпонки и глубины пазов принимают по стандарту в зависимости от диаметра (/ вала (табл. 7.1).

По форме торцов различают шпонки со скругленными торцами — исполнение 1 (рис. 7.1, а), с плоскими торцами — исполнение 2 (рис. 7Л, б), с одним плоским, а другим скругленным торцом — исполне­ние 3 (рис. 7.1, в).

Таблица 7.1. Шпонки призматические (выборка) Размеры в мм (рис. 7.1)

Диаметр вала d	Сечение шпонки		Глубина паза		Wи,,, мм3	Wk, мм3
	b	h	Вал t1,	Втулка t2,
36 40 45 50	10 12 14 14	8 8 9 9	5,0 5,0 5,5 5,5	3,3 3,3 3,8 3,8	4 010 5 500 7 800 10 915	8 590 1 1 780 16 740 23 695

Примечания: 1. Длину шпонки выбирают из ряда, мм: 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90 и др.

2. W_n и W_k—моменты сопротивления поперечных сечений валов при расчетах на изгиб и круче­ние соответственно.

6-4019

А-А

Исполнение 1

Исполнение 1

Исполнение J

Рис. 7.1. Соединения призматическими шпонками

Шпонку запрессовывают в паз вала. Шпонку с плоскими торца­ми, кроме того, помещают вблизи деталей (концевых шайб, колец и др.), препятствующих ее возможному осевому перемещению. Приз­матические шпонки не удерживают детали от осевого смещения вдоль вала. Для фиксации их от осевого смещения применяют рас­порные втулки (/ на рис. 7.1), установочные винты (1 на рис. 7.2) и др.

Соединения сегментными шпонками (рис. 7.2). Сегментные шпонки, как и призматические, работают боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов, так как глубокий паз значительно ослабляет вал. Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже (шпонки свободно вставляют в паз и вынимают). Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей устойчивое положение. Широко применяют в серийном и массовом производстве.

Соединения клиновыми шпонками (рис. 7.3). Клиновые шпонки име­ют форму односкосных самотормозящих клиньев с уклоном 1:100. Такой же уклон имеют и пазы в ступицах. Клиновые шпонки изготов­ляют без головок и с головками. Головка служит для выбивания шпонки из паза. По нормам безопасности выступающая головка должна иметь ограждение (/на рис. 7.3). В этих соединениях ступицу устанавливают на валу с небольшим зазором. Клиновую шпонку забивают в пазы вала и ступицы с зазорами по боковым граням, в результате на рабочих широких гранях шпонки создаются силы трения, которые могут пере­давать не только вращающий момент, но и осевую силу. Поэтому можно не применять других способов фиксации ступицы от продольного перемещения вдоль вала. Соединение хорошо воспринимает ударные и переменные нагрузки.

При забивании клиновой шпонки в соединении возникают рас­порные радиальные силы, которые вызывают деформацию ступицы и ее радиальное смещение относительно вала, что нарушает центри­рование детали на валу и вызывает биение. Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах, область их применения сокращается.

Соединения тангенциальными шпонками (рис. 7.4). Тангенциальная шпонка состоит из двух односкосных клиньев с уклоном 1 : 100 каж­дый. Работает узкими боковым гранями. Клинья вводятся в пазы вала и ступицы ударом; образуют напряженное соединение. Распорная сила между валом и ступицей создается в касательном (тангенци­альном) направлении. В соединении ставят две тангенциальные шпонки под углом 120°, каждая шпонка передает момент только в одну сторону.

Применяют для валов диаметром свыше 60 мм при передаче больших вращающих моментов с переменным режимом работы (на­пример, крепление маховика на валу двигателя внутреннего сгора­ния и др.).

Рис. 7.2. Соединение сегментной шпонкой: / — винт установочный; 2— кольцо замковое пружинное

Рис. 7.3. Соединение клиновой шпонкой

Рис. 7.4. Соединение тангенциальными шпонками