Шпоночные соединения: расчет на прочность

 

Содержание.

Введение

1. Шпоночные соединения………………………………………………3
2. Расчет шпоночных соединений………………………………………7
3. Контроль элементов шпоночного соединения……………………..10

 

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Шпоночные соединения.

Шпоночное соединение –  один из видов соединений вала со втулкой  с использованием дополнительного  конструктивного элемента (шпонки), предназначенной для предотвращения их взаимного поворота. Чаще всего  шпонка используется для передачи крутящего  момента в соединениях вращающегося вала с зубчатым колесом или со шкивом, но возможны и другие решения, например – защита вала от проворота  относительно неподвижного корпуса.

В отличие от соединений с натягом, которые обеспечивают взаимную неподвижность деталей  без дополнительных конструктивных элементов, шпоночные соединения –  разъемные. Они позволяют осуществлять разборку и повторную сборку конструкции  с обеспечением того же эффекта, что  и при первичной сборке. Поперечное сечение шпоночного соединения с  призматической шпонкой представлено на рис. 1.

 

рис.1

 

 

Из рис. 1 видно, что шпоночное  соединение включает в себя минимум  три посадки: вал-втулка (центрирующее сопряжение) шпонка-паз вала и шпонка-паз  втулки. Точность центрирования деталей  в шпоночном соединении обеспечивается посадкой втулки на вал.

Это обычное гладкое цилиндрическое сопряжение, которое можно назначить  с очень малыми зазорами или натягами, следовательно – предпочтительны  переходные посадки. В сопряжении (размерной  цепи) по высоте шпонки специально предусмотрен зазор по номиналу (суммарная глубина пазов втулки и вала больше высоты шпонки).

Возможно еще одно сопряжение – по длине шпонки, если призматическую шпонку с закругленными торцами  закладывают в глухой паз на валу.  

Шпоночные соединения могут  быть подвижными или неподвижными в  осевом направлении. В подвижных  соединениях часто используют направляющие шпонки с креплением к валу винтами. Вдоль вала с направляющей шпонкой  обычно перемещается зубчатое колесо (блок зубчатых колес), полумуфта или  другая деталь.

Шпонки, закрепленные на втулке, также могут служить для передачи крутящего момента или для  предотвращения поворота втулки в процессе ее перемещения вдоль неподвижного вала, как это сделано у кронштейна тяжелой стойки для измерительных  головок типа микрокаторов. В этом случае направляющей является вал со шпоночным пазом.

По форме шпонки разделяются  на призматические, сегментные, клиновые и тангенциальные. В стандартах предусмотрены  разные исполнения шпонок некоторых  видов, например, призматические шпонки с двумя закругленными торцами (исполнение 1), с одним закругленным торцом (исполнение 3) и с незакругленными  торцами (исполнение 2), сегментные шпонки со срезанным краем сегмента (исполнение 2).

 

 

Призматические шпонки дают возможность получать как подвижные, так и неподвижные соединения. Сегментные шпонки и клиновые шпонки, как правило, служат для образования  неподвижных соединений. Форма и  размеры сечений шпонок и пазов  стандартизованы и выбираются в  зависимости от диаметра вала, а  вид шпоночного соединения определяется условиями работы соединения.

В табл.1 приведены размеры  ряда призматических шпонок и шпоночных  пазов (ГОСТ 23360-78).

 

Таблица 1.

D (d)	b	h	t1	t2	l	s	s1
От 6 до 8 Св.8 до 10 Св.10 до 12 …………….	2 3 4 ….	2 3 4 ….	1,2 1,8 2,5 …..	1,0 1,4 1,8 …..	6...20 6...36 8...45 …….	0,16…0,25 ……………	0,08…0,16 …………….
Св.22 до 30	8	7	4,0	3,3	18-90	0,25…0,40	0,16…0,25

 

 Длины шпонок l выбирают из ряда: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 40, 45, 50, 56, 63 и далее  до 500 мм с полем допуска h14. Для  длины L шпоночного паза, которая на 0,5...1,0 мм больше длины шпонки l, установлено  поле допуска Н15.

Предельные отклонения глубин пазов на валу t1 и во втулке t2 приведены  в таблице 2:

 

 

Таблица 2

Высота шпонки h	Предельные отклонения t1 и t2
От 2 до 6	ЕI = 0; ES = + 0,1
Св. 6 до 18	EI = 0; ЕS = + 0,2
Св.18 до 50	ЕI = 0; ES = + 0,3

Стандарт устанавливает  следующие поля допусков размеров шпонок:  

      - ширины b – h9; 

      - высоты h – h9, а при h свыше 6 мм – h11.

В зависимости от характера (вида) шпоночного соединения стандартом установлены следующие поля допусков ширины паза:

Вид шпоночного соединения	Поле допуска ширины паза
	на валу	во втулке
Свободное Нормальное Плотное	Н9 N9 Р9	D10 Js9 Р9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет шпоночных соединений.

Для обеспечения качества шпоночного соединения, которое зависит  от точности расположения плоскостей симметрии пазов вала и втулки, назначают допуски симметричности и параллельности и указывают  их в соответствии с ГОСТ 2.308-79.

Числовые значения допусков расположения определяют по формулам:

Т   = 0,6 Т шп

Т = 4,0 Т шп,

где Т шп – допуск ширины шпоночного паза b.

Расчетные значения округляют  до стандартных по ГОСТ 24643-81.

Шероховатость поверхностей шпоночного паза выбирается в зависимости  от полей допусков размеров шпоночного соединения (Ra 3,2 мкм или 6,3 мкм).

Условное обозначение  призматических шпонок состоит из: 

      - слова "Шпонка"; 

      - обозначения исполнения (исполнение 1 не указывают); 

      - размеров сечения b x h и длины шпонки l; 

      - обозначения стандарта.  

      Пример условного обозначения призматической шпонки исполнения 2 с размерами b = 4 мм, h= 4 мм, l = 12 мм

Шпонка 2 - 4 х 4 х 12 ГОСТ 23360-78.

Призматические направляющие шпонки закрепляются в пазах вала винтами. Для отжима шпонки при демонтаже  служит резьбовое отверстие. Пример условного обозначения призматической направляющей шпонка исполнения 3 с  размерами b = 12 мм, h = 8 мм, l = 100 мм

Шпонка 3 - 12 х 8 х 100 ГОСТ 8790-79.  

 

Сегментные шпонки применяют, как правило, для передачи небольших  крутящих моментов. Размеры сегментных шпонок и шпоночных пазов (ГОСТ 24071-80) выбираются в зависимости от диаметра вала.

Зависимость полей допусков ширины паза сегментного шпоночного соединения от характера шпоночного соединения:

Характер шпоночного соединения	Поле допуска ширины паза
	на валу	во втулке
Нормальное	N9	Js9
Плотное	Р9	Р9

 

       Для термообработанных деталей допускаются предельные отклонения ширины паза вала по Н11, ширины паза втулки - D10.

Стандарт устанавливает  следующие поля допусков размеров шпонок:  

      - ширины b – h9; 

      - высоты h (h1) - h11; 

      - диаметра D - h12.

Условное обозначение  сегментных шпонок состоит из слова "Шпонка"; обозначения исполнения (исполнение 1 не указывают); размеров сечения b x h (h1); обозначения стандарта.

Пример условного обозначения  сегментной шпонки исполнения 2 с размерами b = 4 мм и h = 6,5 мм:

Шпонка 2 – 4 х 6,5 ГОСТ 24701-80. 

Клиновые шпонки применяют  в неподвижных соединениях, когда  требования к сносности соединяемых деталей невысоки. Размеры клиновых шпонок и шпоночных пазов нормированы ГОСТ 24068-80. Длину паза на валу для клиновой шпонки исполнения 1 выполняют равной 2l, для остальных исполнений длина паза равна длине l закладной шпонки.

Предельные отклонения размеров b, h, l для клиновых шпонок такие же, как и для призматических (ГОСТ 23360-78).

По ширине шпонки b стандарт устанавливает соединения по ширине паза вала и втулки с использованием полей допуска D10. Длина паза вала L – по Н15.

Предельные отклонения глубин t1 и t2 соответствуют отклонениям  для призматических шпонок.

Предельные отклонения угла наклона верхней грани шпонки и паза ± АТ10/2 по ГОСТ 8908-81.

Пример условного обозначения  клиновой шпонки исполнения 2 с размерами b = 8 мм, h = 7 мм, l = 25 мм:

Шпонка 2 - 8 х 7 х 25 ГОСТ 24068-80.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Контроль элементов шпоночного соединения.

Контроль элементов шпоночного соединения универсальными средствами измерений из-за малости их поперечных размеров существенно затруднен. Поэтому  для их контроля широко используются калибры.

В соответствии с принципом  Тейлора проходной калибр для  контроля отверстия со шпоночным  пазом представляет собой вал  со шпонкой, равной длине шпоночного паза или длине шпоночного сопряжения. Такой калибр осуществляет комплексный  контроль всех размеров, формы и  расположения поверхностей. Комплект непроходных калибров предназначен для поэлементного контроля и  включает непроходной калибр для  контроля центрирующего отверстия (гладкая непроходная пробка полного  или неполного профиля) и шаблоны  для поэлементного контроля ширины и глубины шпоночного паза.

Проходной калибр для контроля вала со шпоночным пазом представляет собой призму («наездник») с выступом-шпонкой, равной длине шпоночного паза или  длине шпоночного сопряжения. Комплект непроходных калибров предназначен для поэлементного контроля и  включает непроходной калибр-скобу  для контроля размеров центрирующей поверхности вала и шаблоны для  поэлементного контроля ширины и  глубины шпоночного паза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы 

1.  Х.А. Дианов, Н.Г. Ефремов, В.Г. Мицкевич Детали машин. Курс лекций – М., 2003.

2.  Леликов О. П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин. Конспект лекций по курсу «Детали машин». – М. Машиностроение, 2002.

3.  Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин. М.: Высшая школа, 2002.

4.  Колпаков А.П., Карнаухов И.Е. Проектирование и расчет механических передач. – М., 2000.