Соединение круглой цилиндрической шпонкой

Шпоночные соединения

Шпо́ нка (от польск. szponka, через нем. Spon, Span — щепка, клин, подкладка) — деталь машин и механизмов продолговатой формы, вставляемая в паз соединяемых деталей шпоночного соединения для передачи крутящего момента. По форме шпонки разделяются на клиновые, призматические, сегментные, тангенциальные и цилиндрические. Изготавливаются из различных сталей и сплавов.

Шпо́ ночное соедине́ ние — соединение охватывающей и охватываемой детали для пере-дачи крутящего момента с помощью шпонки. Шпоночное соединение позволяет обеспе-чить подвижное соединение вдоль продольной оси. Классификация соединений в зави-симости от формы шпонки: соединения призматическими шпонками, соединения клино-выми шпонками, соединения тангенциальными шпонками, соединения сегментными шпонками, соединения цилиндрическими шпонками.

Основной критерий работоспособности шпоночного соединения — прочность на смятие.

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.

Основной критерий работоспособности шпоночного соединения — прочность на смятие.

Все шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и напряженные. Ненапряженные соединения получаются при использовании призматических (рис. 1.1) и сегментных (см. рис. 1.2) шпонок. В этих случаях при сборке соединений в их деталях не возникает предварительных напряжений. Напряженные соединения получаются при применении клиновых (см. рис. 1.3) и тангенциальных (см. рис. 1.4) шпонок. Здесь при сборке возникают предварительные (монтажные) напряжения.

Соединения призматическими шпонками. Конструкции соединений призматическими шпонками изображены на рис. 1.1. 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. 1.1. Соединения призматическими шпонками

По форме торцов различают шпонки со скругленными торцами - исполнение А (рис. 1.1, а), с плоскими торцами - исполнение В (рис. 1.1, б) и с одним плоским, а другим скругленным торцом - исполнение С (рис. 1.1, в).

Соединения сегментными шпонками (рис. 1.2). Сегментные шпонки так же, как и призматические, работают боковыми гранями и образуют ненапряженное соединение. Применяются при передаче небольших

Рис. 1.2. 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. 1.3). 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. 1.3).

Рис. 1.3. 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. 1.4). 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. 1.4. 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.

Соединений

Шлицевые соединения можно рассматривать как многошпоночные, в которых шпонки как бы изготовлены заодно с валом. Рабочими поверхностями являются боковые стороны зубьев. В последние годы, в связи с общим повышением напряжений в деталях машин, шлицевые соединения получили самое широкое распространение взамен шпонок. Этому

способствует оснащение промышленности специальным оборудованием – шлицефрезер-ными и протяжными станками. Некоторые авторы называют их зубчатыми соединениями.

Шлицевые соединения образуются выступами - зубьями на валу, ходящими во впадины соответствующей формы в ступице. Вал и отверстие в ступице обрабатывают так, чтобы боковые поверхности зубьев или участки цилиндрических поверхностей (по внутреннему или наружному диаметру зубьев) плотно прилегали друг к другу. Соответственно различа-ют шлицевые соединения с центрированием по боковым поверхностям зубьев, по внут-реннему или наружному диаметру. Центрирование по диаметрам обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы, а центрирование по боковым граням обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям. По характеру соединения различают:

- неподвижные – для закрепления детали на валу;

- подвижные допускающие перемещение детали вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач станка).

В зависимости от профиля зубьев различают три основных типа соединений:

- с прямобочными (рис. 1, а) зубьями - число зубьев Z = 6, 8, 10, 12;

- с эвольвентными (рис. 1, б) зубьями - число зубьев Z = 12, 16 и более;

- с треугольными (рис. 1, в) зубьями - число зубьев Z = 24, 36 и более.

Рис. 1. Типы зубчатых (шлицевых) соединений: а — прямобочные зубья;

б – эвольвентные зубья; в — треугольные зубья

Рис. 2. Прямобочные зубья (шлицы): 1 – вал; 2 – втулка.

Зубья на валу фрезеруют, а в ступице — протягивают на специальных станках (рис. 2). Число зубьев для прямобочных и эвольвентных соединений 4—20; для треугольных — до 70.

Наибольшее распространение в машиностроении имеют прямобочные зубчатые соедине-ния. Их применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Стандартом предусмотре-ны три серии прямобочных зубчатых соединений — легкая, средняя и тяжелая, отличаю-щиеся одна от другой высотой и числом зубьев (чаще применяют соединения с шестью—десятью зубьями).

Прямобочные шлицевые соединения различают также по способу центрирования:

Способ центрирования	Краткая характеристика
	По наружному диаметру D (наиболее точный способ центрирования) (рис.63, а). Центрирование по наружному диаметру наиболее техноло-гично и рекомендуется при твердости внутренней поверхности ступицы НВ 350. Калибровку центрирующих поверхностей ступицы выполняют протягиванием, а калибровку вала – шли-фованием. Этот способ применяется при изготовлении непод-вижных соединений в серийном и массовом производствах. Соединение (рис.63, а), во избежание термических короблений, требует чистовой протяжки ступицы после термообработки, поэтому твердость ступицы не может быть выше HRC=30.
	По внутреннему диаметру d. Самый точный и дорогой способ центрирования рекомендуется при высокой твердости материала ступицы, когда калибровка отверстия протяжкой невозможна. В этом случае центрирующие поверхности ступицы (по внутреннему диаметру) и вала (по внутреннему диаметру и боковым поверхностям шлицев) дово-дят шлифованием. Применяется в индивидуальном и мелкосерийном производствах при закаленных втулке и вале. Соединение (рис.63, б) требует шлифовки вала по посадочному диаметру на специальных станках, зато ступица может быть твердой, так как посадочный диаметр шлифуется на обычных внутришлифовальных станках.
	По боковым сторонам. (при реверсивной работе соединения – передачи больших переменных ударных нагрузок и отсутствии жестких требова-ний к точности центрирования) (рис.63, в). Центрирование по боковым поверхностям обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям. Рекомендуется для тяжелонагруженных соединений при термически улучшен-ной поверхности отверстия втулки (НВ 280-300). Соединение (рис.63, в) допускает твердые шлицы на валу и на ступице, однако для обеспечения сборки, считаясь с возможным коро-блением шлицов при закалке, зазоры в соединении должны быть увеличенными. Зазор в контакте поверхностей: центрирующих практически отсутствует, нецентрирующих значительный.


(а)	(б)	(в)
Рисунок 3 — Виды центрирования прямобочных шлицевых соединений: а) по наружному диаметру; б) по внутреннему диаметру; в) по боковым поверхностям

Условные обозначения прямобочного шлицевого соединения составляют из обозначе-ния поверхности центрирования D, d или b, числа зубьев z, номинальных размеров d x D

(а также обозначения полей допусков по центрирующему диаметру и по боковым сторо-нам зубьев). Например, D 8 x 36 H7/g6 x 40 означает восьмишлицевое соединение с центрированием по наружному диаметру с размерами d = 36 и D = 40 мм и посадкой по центрирующему диаметру H7/g6.

По ГОСТ 1139-80 предусматривается три серии соединений с прямобочным профилем зубьев: легкую, среднюю и тяжелую, которые отличаются высотой и числом зубьев z. Легкая серия рекомендуется для неподвижных соединений, средняя – для подвижных, при перемещении ступицы не под нагрузкой. Тяжелая серия имеет более высокие зубья с большим числом. Рекомендуется для передачи больших вращающих моментов, а также для подвижных соединений при перемещении ступицы под нагрузкой.

Соединения с эвольвентным профилем зубьев тоже стандартизованы и используются так же, как и прямобочные, в подвижных и неподвижных соединениях. Угол зацепления

= 30°. Ножка зуба усилена. Сединения выполняются по ГОСТ 6033-80 с центрировани-ем по боковым поверхностям зубьев, реже по наружному диаметру. По сравнению с пря-мобочными зубьями имеют повышенную прочность, лучше центрируют вал в ступице,

позволяют применять типовые процессы зубонарезания. Эвольвентные шлицы создают меньшую концентрацию напряжений у основания шлица, поэтому в настоящее время получают преимущественное распространение.

Рекомендуется для передачи больших вращающих моментов при повышенной точности центрирования.

Соединения с треугольным профилем зубьев не стандартизованы, их применяют главным образом как неподвижные соединения. Имеют большое число мелких зубьев, поэтому мало ослабляют вал. Выполняются с центрированием по боковым поверхностям, не стандартизованы.

Рекомендуются для тонкостенных ступиц, пустотелых валов, а также для передачи небольших вращающих моментов.

Шлицевые соединения изготовляют из сталей с временным сопротивлением в _в= 500 МПа.

По сравнению со шпоночными шлицевые соединения обладают рядом преимуществ:

1) при одинаковых габаритах допускают передачу больших вращающих моментов за счет большей поверхности контакта;

2) обеспечивают большую усталостную и прочность вала из-за отсутствия шпоночных канавок;

3) обеспечивают лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при осевом перемещении. Эти преимущества обусловили его широкое применение в высоконагруженных машинах (станкостроении, авиастроении, автотранспортной промышленности и т.д);

4) усиливают сечение вала за счёт большего момента инерции ребристого сечения по сравнению с круглым. шлицевой вал можно рассчитывать на прочность так же, как гладкий, диаметр которого равен внутреннему диаметру зубчатого вала.

5) уменьшается число деталей соединения. Шлицевое соединение образуют

две детали, шпоночное – три, четыре.

6) обеспечивается высокая надежность при динамических и реверсивных нагрузках, вследствие равномерного распределения нагрузки по зубьям.

7) уменьшается длина ступицы.

Недостатки шлицевых соединений: требуют специального оборудования для изготовления отверстий, более сложная технология изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость.

Сборка шлицевых соединений

При шлицевом соединении охватывающая деталь может центрироваться по поверхностям впадин, выступов или по поверхности шлицев. Шлицевые соединения бывают жёсткие и подвижные. Подвижные соединения имеют обычно посадку с зазором и собираются от руки, перед сборкой детали смазывают. Жёсткие соединения могут иметь переходную посадку или посадку с натягом и собираются путём нагрева до температуры 80-120 °С и прессования охватывающей детали на вал.

Жёсткие шлицевые соединения после сборки проверяют на биения, а подвижные соединения — на равномерность проворачивания относительно неподвижного вала в четырёх диаметральных сечениях. При сборке ответственных шлицевых соединений прилегание сопрягаемых поверхностей проверяют на краску.

Шпоночные соединения

Основной критерий работоспособности шпоночного соединения — прочность на смятие.

Рис. 1.1. Соединения призматическими шпонками

Рис. 1.2. Соединение сегментной шпонкой: 1- винт установочный; 2 – кольцо замковое пружинное

Рис. 1.3. Соединение клиновой шпонкой

Рис. 1.4. Соединение тангентальными шпонками

Соединение круглой цилиндрической шпонкой

Рис 1.5 Соединение круглой цилиндрической шпонкой

Круглые шпонки (рисунок 1.5) применяют при расположении ступицы насаживаемой детали на конце вала. Они являются разновидностью призматических шпонок. Отверстие под шпонку сверлят и обрабатывают разверткой после посадки ступицы на вал. При больших нагрузках ставят несколько шпонок под таким углом, чтобы радиальные усилия, вызванные запрессовкой шпонок, были бы уравновешены.

Круглые цилиндрические и конические шпонки не стандартизованы. Диаметр dш шпонки следует брать равным высоте h призматической шпонки, соответствующей диаметру вала dв по соответствующим таблицам.

12 3 Следующая ⇒