ТЕМА 7.2 шпонкові з’єднання.

Шпонкою називається деталь, яку вставляють у пази вала і маточини (втулки) з метою утворення з’єднання, здатного передавати обертовий момент від вала до маточини або від маточини до вала.

Деталі шпонкового з'єднання: 1 – шпонка; 2 – вал і 3 – втулка (або маточина шківа, зубчастого колеса).

Завдяки простоті та надійності конструкції, порівняно низькій вартості, а також зручності складання шпонкові з’єднання широко застосовують у машинобудуванні. До недоліків шпонкових з’єднань належать послаблення вала та маточини шпонковими пазами, які зменшують поперечний переріз і спричиняють значну концентрацію напружень, що сприяє втомному руйнуванню валів.

Розрізняють ненапружені та напруженні шпонкові з’єднання. Ненапружені шпонкові з’єднання здійснюють за допомогою призматичних та сегментних шпонок.

Призматичні шпонки за призначеннями бувають звичайні та напрямні. Звичайні призматичні шпонки (ГОСТ23360-78) призначені для нерухомого з’єднання маточини (втулки) з валом. Вони бувають із скругленими або плоскими торцями. Напрямні шпонки (ГОСТ8790-79) застосовують у тих випадках, коли деталі, розміщені на валах, можуть рухатись уздовж валів. Напрямну шпонку закріплюють до вала гвинтами.

Згідно із стандартом ширину призматичної шпонки b і висоту h вибирають залежно від діаметра вала d. Стандарт також регламентує глибину паза на валу t₁ і у втулці t₂. Довжину шпонки l вибирають за шириною деталі, розміщеної на валу, перевіряють розрахунком на міцність і також узгоджують зі стандартом.

Робочими гранями призматичних шпонок є їхні бічні грані, які контактують з бічними гранями пазів. Робоча довжина призматичної шпонки зі скругленими торцями , а шпонки з плоскими торцями

З’єднання за допомогою сегментної шпонки. Глибока посадка шпонки на валу забезпечує їй більш стійке положення, ніж призматичної шпонки. Це запобігає перекошуванню шпонок під навантаженням. Однак глибокий паз значно послаблює вал, тому сегментні шпонки використовують головним чином для з’єднання деталей на малонавантажених ділянках валів, наприклад на кінцях валів. З’єднання сегментними шпонками є технологічними, оскільки виготовлення як шпонок, так і пазів на валах досить просте.

Сегментні шпонки стандартизовані (ГОСТ24071-80). Розміри сегментних шпонок та пазів для них вибирають за стандартом залежно від діаметра d. Ненапружені шпонкові з’єднання є найрозповсюдженішими.

Вони використовуються в поєднанні з перехідними посадками деталей на вал або з посадками із гарантованим натягом. У таких випадках забезпечується достатнє центрування деталей та висока надійність з’єднання.

Напружені шпонкові з’єднання здійснюються за допомогою клинових та циліндричних шпонок.

Оскільки шпонкові з’єднання стандартизовані і їхні розміри вибирають залежно від діаметра вала за відповідними стандартами, розрахунок шпонкових з’єднань у більшості випадків виконують як перевірочний.

1.Розрахунок з’єднання призматичною шпонкою. В з’єднанні обертовий момент Т передається від вала до маточини деталі, розміщеної на ньому, за допомогою взаємодії бічних вузьких граней шпонки з бічними стінками пазів на валу та в маточині. Навантажені поверхні зминаються і при незначних мікропереміщеннях спрацьовуються. Основним розрахунком з’єднання призматичною шпонкою є розрахунок за умови обмеження напружень зминання

Умова міцності шпонкового з’єднання на зріз має вигляд

де b – ширина шпонки.

Коли умови міцності шпонкового з’єднання не виконуються, то тоді треба збільшити довжину шпонки, якщо дозволяє довжина маточини, або передбачити в з’єднанні дві шпонки, взаємно зміщені на 180   або три шпонки, взаємно зміщені на 120, але це застосовують дуже рідко.

2. Розрахунок з’єднання сегментною шпонкою виконують так, як і розрахунок з’єднання призматичною шпонкою, бо умови роботи цих з’єднань аналогічні. Тому умову міцності на зминання для з’єднання сегментною шпонкою записують у вигляді

При невиконанні умови у з’єднанні зі значною довжиною маточини можна поставити в ряд по осі вала дві сегментні шпонки.

Допустимі напруження тут беруть такі самі, як і для з’єднань призматичними шпонками.