Шпоночное соединение

Основные типы шпонок стандартизованы. Подобно силовым клиновым соединениям, различают ненапряженные и напряженные шпоночные соединения. Ненапряженные шпоночные соединения осуществляют с помощью призматических и сегментных шпонок, а напряженные — посредством клиновых шпонок.

Призматические шпонки по назначению различают:

Обыкновенные и высокие со скругленными или плоскими концами, предназначенные для неподвижных соединений ступиц с валами;
направляющие, применяемые в тех случаях, когда ступицы должны иметь возможность перемещаться вдоль валов; скользящие, перемещающиеся вдоль вала вместе со ступицами и применяемые вместо направляющих шпонок в тех случаях, когда требуются большие перемещения ступиц. Направляющие шпонки прикрепляют к валу винтами, а скользящие соединяют со ступицей выступом цилиндрической формы.
Шпонка, находящаяся в пазу вала, называется врезной. Призматические шпонки — врезные. Примерно половина их высоты расположена в пазу вала и половина — в пазу ступицы. Рабочими гранями призматических шпонок служат их боковые, более узкие грани. Для упрощения и облегчения сборки шпоночных соединений между обыкновенной или направляющей шпонкой и ступицей, а также между скользящей шпонкой и валом предусматривают радиальный зазор (по высоте шпонки).

Наиболее распространены призматические обыкновенные шпонки, так как по сравнению с клиновыми шпонками они обеспечивают большую точность посадок ступиц на валах, а по сравнению с сегментными шпонками они врезаются в вал на меньшую глубину и, следовательно, в меньшей степени снижают прочность валов.
Сегментные шпонки— врезные и, подобно призматическим, работают боковыми гранями. При необходимости по длине ступицы ставят две (иногда даже три) сегментные шпонки. Сегментные шпонки — самые технологичные из-за легкости изготовления самих шпонок и пазов для них, а также удобства сборки соединений. Недостаток сегментных шпонок — необходимость выполнения глубоких пазов в валах, что снижает прочность последних. Поэтому сегментные шпонки применяют для передач относительно небольших моментов.

Клиновые шпонки по способу расположения на валах различают: врезные, фрикционные и тангенциальные. Клиновые врезные шпонки по конструкции подразделяют на шпонки клиновые без головки с плоскими или скругленными концами и шпонки клиновые с головкой.
В качестве шпонок на лыске и фрикционных применяют клиновые шпонки< с плоскими концами или с головкой. Все клиновые шпонки выполняют с уклоном 1:100. Этот же уклон предусматривают для паза ступицы. Подобно призматическим, примерно половина высоты клиновых врезных шпонок помещается в пазу вала и половина — в пазу ступицы. Вся высота клиновых шпонок на лыске и фрикционных помещается в пазу ступицы. Фрикционной шпонкой осуществляют соединение ступицы с гладким цилиндрическим валом; соответственно поверхность шпонки, соприкасающуюся с валом, делают цилиндрической, ее радиус равен радиусу вала. Фрикционные шпонки передают крутящий момент только силами трения, чем и обусловлено их наименование.
В отличие от призматических у клиновых врезных, на лыске и фрикционных шпонок широкие грани рабочие, а по боковым граням предусмотрены зазоры. Таким образом, напряженность соединений при применении этих шпонок возникает вследствие натяга между валом и ступицей (в радиальном направлении).
Из клиновых шпонок самые распространенные — врезные, так как по сравнению со шпонками на лыске и фрикционными они более надежны, а по сравнению с тангенциальными более технологичны.

Тангенциальные шпонки отличаются от других клиновых шпонок тем, что натяг между валом и ступицей создается ими не в радиальном, а в касательном направлении. Одна из широких граней тангенциальной шпонки направлена по касательной к сечению вала, а одна из узких граней — по радиусу вала. Такое расположение тангенциальных шпонок вызывает необходимость постановки в соединении - двух шпонок, размещаемых под углом 120°-135°. По технологическим условиям каждая тангенциальная шпонка выполняется из двух односкосных клиньев. Тангенциальные шпонки работают в основном на сжатие и поэтому наиболее надежны, но соединение этими шпонками сложное. Тангенциальные шпонки применяют преимущественно в тяжелом машиностроении при больших динамических нагрузках.
Клиновые шпонки применяют ограниченно, так как они вызывают смещение оси ступицы относительно оси вала, а при коротких ступицах могут вызвать перекос соединяемых деталей. В тех случаях, когда перекос насаживаемой на вал детали совершенно недопустим (большинство зубчатых передач), клиновые шпонки не применяют. Иногда применяют шпонки круглые (шпонки-штифты), шестигранные и др.

При проектировании шпоночного соединения ширину и высоту шпонок принимают по соответствующему ГОСТу в зависимости от диаметра вала. Длину шпонки принимают в зависимости от длины ступицы и согласовывают с ГОСТом на шпонки. Достаточность принятых размеров шпонки проверяют расчетом соединения на прочность.