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 между валом и ступицей. Основные типы шпонок стандартизованы. Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковым 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.
Недостаток - 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. Шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовлении паза концевой фрезой требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении паза дисковой фрезой крепление шпонки в пазу винтами (от возможных осевых смещений).
Расчет шпоночных соединений
Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность. Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимости от диаметра вала, а затем соединения проверяют на прочность. Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность их на срез и изгиб обеспечивается, если выполняется условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений расчет на смятие. Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не проводят.
Соединения призматическими шпонками проверяют по условию прочности на смятие:
Сила, передаваемая шпонкой, F1=2*103T/d. На смятие рассчитывают выступающую из вала часть шпонки.
|
|
При высокой фаски шпонки 
площадь смятия
следовательно,
Где Т- передаваемый момент, H-м; d – диаметр вала, мм; h, r1 – высота шпонки и глубина паза нп валу, мм (таблица величин); 
- допускаемые напряжения смятия, lp – рабочая длина шпонки; для шпонок с плоскими торцами lp=l, со скругленными lp=l
При проектировочных расчетах после выбора размеров поперечного сечения шпонки Ь и h по таблице определяют расчетную рабочую длину 1 шпонки по формуле (4.1).
Длину шпонки со скругленными торцами lp= 1+Ь или плоскими торцами lp= = 1 назначают из стандартного ряда.
Длину ступицы 1см принимают на 8... 10 мм больше длины шпонки. Если длина ступицы больше величины 1,5d,, то шпоночное соединение целесообразно заменить на шлицевое или соединение с натягом.
Соединения сегментными шпонками проверяют на смятие:
Где lp=l – рабочая длина шпонки; (h –t) – рабочая глубина в ступнице.
Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической ее проверяют на срез.
Условие прочности на срез
Где b – ширина шпонки; 
- допускаемое напряжение на срез шпонки.
Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с 
600 Н/мм2 чаще всего из сталей 45, Ст б.
Допускаемые напряжения смятия для шпоночных соединений:
при стальной ступице [ ]см = 130...200 Н/мм2
при чугунной [ ]см 80... 110 Н/мм2. Большие значения принимают при постоянной нагрузке, меньшие при переменной и работе с ударами.
При реверсивной нагрузке [ ]см снижают в 1,5 раза.
Допускаемое напряжение на срез шпонок 
70... 100 Н/мм2.
Большее значение принимают при постоянной нагрузке.
|
|
Шлицевое соединение образуют выступы зубья на валу и соответствующие впадины шлицы в ступице. Рабочими поверхностями являются боковые стороны зубьев. Зубья вала фрезеруют по методу обкатки или накатывают в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Шлипы отверстия ступицы изготовляют протягиванием.
Шлицевые соединения стандартизованы и широко распространены в машиностроении.
Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными.
1. Лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при их относительном осевом перемещении.
2. Меньшее число деталей соединения: шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное три, четыре.
З. При одинаковых габаритах возможна передача больших вращающих моментов за счет большей поверхности контакта.
4. Большая надежность при динамических и реверсивных нагрузках.
5. Большая усталостная прочность вследствие меньшей концентрации напряжений изгиба, особенно для эвольвентных шлицев.
б. Меньшая длина ступицы и меньшие радиальные размеры.
Недостатки более сложная технология изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость.
Расчет шлицевых соединений
Основными критериями работоспособности шлицевых соединений являются сопротивления рабочих поверхностей смятию и изнашиванию.
Параметры соединения выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала, а затем проводят расчет по критериям работоспособности. Смятие и изнашивание рабочих поверхностей связаны с действующими на контактирующих поверхностях напряжениями см.
|
|
Упрощенный (приближенный) расчет основан на ограничении напряжений смятия допускаемыми значениями см., назначаемыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций:
где Т- расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменном режиме нагружения), Н-м;
К3- коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями (зависит от точности изготовления и условий работы),
К = 1,1... 1,5;d- средний диаметр соединения, мм; число z -зубьев; h -рабочая высота зубьев, мм; lp-рабочая длина соединения, мм; см допускаемое напряжение смятия, Н/мм2.
Для соединений с прямобочными зубьями:
f – фаска зуба.
Для соединения с эвольвентными зубьями:
Для соединения с треугольными зубьями
