Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица детали (колеса, шкива, звездочки и др.). Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы.
Назначение шпоночных соединений - передача вращающего момента между валом и ступицей.
Достоинства шпоночных соединений - простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость изготовления, легкость монтажа и демонтажа, вследствие чего их применяют во всех отраслях машиностроения.
Недостатки - невысокая нагрузочная способность; в большинстве случаев необходима ручная подгонка при установке шпонки в паз вала; 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.
Призматическая шпонка представляет собой прямоугольную призму (рис. 46, а). Другие исполнения имеют закругление одного или двух торцов (рис. 46, б). Закругленные торцы шпонки облегчают установку ступицы детали на вал при незначительном несовпадении боковых поверхностей шпонки и паза в отверстии детали.
Рис.46.
Паз в ступице выполняют протяжкой или долбяком. Паз под шпонку на валу выполняют в единичном и мелкосерийном производстве концевой фрезой (рис. 47, а), в крупносерийном и массовом производстве - дисковой фрезой (рис. 47, б). Для паза, выполненного концевой фрезой, необходима ручная пригонка. Нарезание дисковой фрезой более производительно, а точность выполнения паза выше. Но паз имеет наклонный участок. Устанавливаемая на вал деталь может захватить шпонку, сместить ее до наклонного участка. Произойдет заклинивание. Поэтому шпонку необходимо крепить в пазу, например, винтами. Такое крепление применяют для направляющих шпонок, имеющих большую длину.
Установку шпонки в паз на валу выполняют с натягом. Глубина паза - 0,6 от высоты h шпонки. Выступающая часть шпонки входит в паз ступицы, устанавливаемой на вал детали. Призматическая шпонка не удерживает деталь от осевого смещения вдоль вала.
На рис. 47 показано поперечное сечение шпоночного соединения. Размеры призматических шпонок стандартизованы. В стандарте указаны для каждого диаметра d вала значения ширины b и высоты h шпонки, глубины паза на валу t1 и в ступице t2. Стандартизованы также длины l шпонок.
а) б)
Рис. 47.
Рис. 48.
Рабочими являются боковые, более узкие грани шпонок высотой h. При передаче вращающего момента с вала на деталь боковые (рабочие) поверхности шпонки испытывают действие напряжений смятия σсм, продольное сечение - действие напряжений среза τср. При расчетах на прочность принимают, что шпонка нагружена окружной силой 2·103 T/d, а напряжения смятия равномерно распределены как по высоте, так и по длине шпонки. Глубина врезания шпонки в вал такова, что на прочность достаточно рассчитать выступающую из вала часть высоты шпонки.
Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность. Шпонки выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала. Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность шпонок на срез и изгиб обеспечена, если выполнено условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений — расчет на смятие.
Режим работы, прочность материала деталей, характер их сопряжения учитывают при выборе допускаемых напряжений.
Соединения с призматическими шпонками проверяют по условию прочности на смятие:
где Τ — вращающий момент, Нм; d — диаметр вала, мм; k = h-t1 -выступающая из вала часть шпонки (глубина врезания шпонки в ступицу), мм; lp - расчетная длина шпонки, мм (см. рис. 41); [σ]см - допускаемое напряжение смятия, МПа.
При проектировочном расчете из условия прочности находят расчетную длину lp, мм, шпонки:
Полную длину l = (l p + b) с округлением до ближайшего значения определяют по стандарту. С целью уменьшения неравномерности распределения напряжений по высоте и длине шпонки длину соединения ограничивают: l ≤ 1,5d.
Условие прочности по напряжениям среза:
где b - ширина шпонки, мм; [τ]ср, — допускаемые напряжения среза, МПа.
