ЛЕКЦИЯ 16
Шпоночные соединения
Шпоночные соединения состоят из вала, шпонки и ступицы колеса (шкива или другой детали). Шпонка представляет собой стальной брус, вставляемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента между валом и ступицей. Основные типы шпонок стандартизованы. Шпоночные пазы у валов получаются фрезерованием дисковыми или пальцевыми фрезами, а в ступице - долблением или протягиванием.
Достоинства - простота конструкции, сравнительно низкая стоимость и сравнительная легкость монтажа и демонтажа. Шпоночные соединения 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.
Все шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и напряженные. Ненапряженные соединения получаются при использовании призматических (рис. 21.1) и сегментных (см. рис. 21.2) шпонок. В этих случаях при сборке соединений в их деталях не возникает предварительных напряжений. Напряженные соединения получаются при применении клиновых (см. рис. 21.3) и тангенциальных (см. рис. 21.4) шпонок. Здесь при сборке возникают предварительные (монтажные) напряжения.
Соединения призматическими шпонками. Конструкции соединений призматическими шпонками изображены на рис. 21.1. Рабочими являются боковые, более узкие грани шпонок высотой h. Размеры сечений шпонок и пазов принимают в зависимости от диаметра вала d по СТ СЭВ 189-75.
Рис. 21.1. Соединения призматическими шпонками
По форме торцов различают шпонки со скругленными торцами - исполнение А (рис. 21.1, а), с плоскими торцами - исполнение В (рис. 21.1, б) и с одним плоским, а другим скругленным торцом - исполнение С (рис. 21.1, в).
Соединения сегментными шпонками (рис. 21.2). Сегментные шпонки так же, как и призматические, работают боковыми гранями и образуют ненапряженное соединение. Применяются при передаче небольших
Рис. 21.2. Соединение сегментной шпонкой: 1- винт установочный; 2 – кольцо замковое пружинное
вращающих моментов. Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении, удобны при монтаже и демонтаже. Широко применяются в серийном и массовом производстве.
Соединения клиновыми шпонками (рис. 21.3). Клиновые шпонки имеют форму односкосных самотормозящих клиньев с уклоном 1:100. Такой же уклон имеют пазы в ступицах. Клиновые шпонки без головок изготовляют по ГОСТ 8792-68. Шпонки с головками выполняют по ГОСТ 8793-68. Головка служит для выбивания шпонки из паза. По нормам безопасности выступающая головка должна иметь ограждение (рис. 21.4).
Рис. 21.3. Соединение клиновой шпонкой
Клиновые шпонки забивают в пазы, в результате создается напряженное соединение, которое передает не только вращающий момент, но и осевую силу. Эти шпонки не требуют стопорения ступицы от продольного перемещения вдоль вала. При забивании клиновой шпонки в соединении возникают распорные радиальные силы, которые нарушают центрирование детали на валу, вызывая биение. Клиновые шпонки работают широкими гранями. По боковым граням имеется зазор.
Соединения клиновыми шпонками применяют в тихоходных передачах. Они хорошо воспринимают ударные и знакопеременные нагрузки.
Соединения тангенциальными шпонками (рис. 21.4). Тангенциальные шпонки состоят из двух односкосных клиньев с уклоном 1:100 каждый. Изготовляются по ГОСТ 8796-68. Работают узкими гранями. Вводятся в пазы ударом. Образуют напряженное соединение. Натяг между валом и ступицей создается в касательном (тангенциальном) направлении.
Рис. 21.4. Соединение тангентальными шпонками
Применяются для валов диаметром свыше 60 мм при передаче больших вращающих моментов с переменным режимом работы. В соединении ставят две пары тангенциальных шпонок под углом 120°. В современном производстве имеют ограниченное применение.
Проверочный 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 в ГОСТах подобраны из условия прочности на смятие, поэтому основным проверочным расчетом шпоночных соединений является расчет на смятие. Проверку шпонок на срез, в большинстве случаев не производят. При расчете многошпоночного соединения допускают, что нагрузка распределяется равномерно между всеми шпонками.
Соединения призматическими шпонками (рис.21.5) проверяют по условию прочности на смятие:
. (4.141)
Сила, передаваемая шпонкой, 
.
Рис. 21.5. Расчетная схема соединения призматической шпонкой
Площадь смятия
, (4.142)
где f - фаска шпонки, 
.
Следовательно,
, (4.143)
где Т - передаваемый момент; d - диаметр вала; (0,94 h - 
) - рабочая глубина паза в ступице; 
- допускаемое напряжение смятия; 
- рабочая длина шпонки; для шпонок с плоскими торцами 
; со скругленными торцами 
.
Соединения сегментными шпонками проверяют на смятие:
, (4.144)
где l - длина шпонки; (h - t) - рабочая глубина паза в ступице.
Сегментная шпонка узкая, поэтому в отличие от призматической ее проверяют на срез.
Условие прочности шпонки на срез
, (4.145)
где b - ширина шпонки; 
- допускаемое напряжение на срез шпонки.