Шпоночные соединения применяют для передачи вращающего момента от вала к втулке, или наоборот. Под втулкой здесь надо понимать деталь с отверстием, установленную на вал. Это может быть зубчатое колесо, звёздочка цепной передачи, шкив ремённой передачи, полумуфта.

Благодаря простоте и надёжности конструкции, сравнительно низкой стоимости, а также удобству сборки – разборки шпоночные соединения нашли широкое применение во всех отраслях машиностроения. К недостаткам шпоночных соединений следует отнести ослабление вала и втулки шпоночными пазами, уменьшающими поперечное сечение.

Классификация шпоночных соединений показана на рисунке 19.

Размеры шпонок и сечений пазов стандартизованы и выбираются в зависимости от диаметра вала или отверстия, а также длины ступени вала, на которой нарезается шпоночный паз. В общем машиностроение наиболее часто применяются шпоночные соединения на призматической шпонке (рисунок 20). Шпонки выполняются со скруглёнными и прямыми торцами. Шпонки закладывают в паз вала. Шпоночные пазы на валах получают дисковыми или торцовыми фрезами на фрезерных станках, в отверстиях шпоночные пазы получают протягиванием.

                             Рисунок 19. Классификация шпоночных соединений.

Рисунок 20. Соединения на призматической шпонке.

Критерием работоспособности соединения призматическими шпонками являются прочность боковых поверхностей по напряжениям смятия. Призматическая шпонка работает на смятие и на срез. Стандартные шпонки на срез не рассчитывают, поскольку условие прочности на срез учтено при конструировании. Условие прочности на смятие имеет вид:

𝜎см = _см , где

𝜎см – рабочее нормальное напряжение смятия;

М – крутящий момент на валу;

d – диаметр вала;

А = (h – t₁)l_р – площадь сминаемой поверхности;

h – высота поперечного сечения шпонки;

t₁ – глубина шпоночного паза на валу;

l_р – расчётная длина шпонки. Для шпонок с прямыми торцами расчётная длина шпонки равна её длине, а для шпонок с круглыми торцами l_р = l – b, где b – ширина поперечного сечения шпонки.

Размеры h, b, t₁ выбираются из таблицы 11 в зависимости от диаметра вала или отверстия, а размер l из примечания к таблице 11 с тем условием, чтобы он был меньше длины ступени вала не менее, чем на 5мм.

Таблица 11.            Шпонки призматические ГОСТ 23360 – 78 [10].

Диаметр вала d, мм.	Сечение шпонки , мм.	Глубина паза в мм.
		вала t1	отверстия t2
10…12		2,5	1,8
12…17		3	2,3
17…22		3,5	2,8
22…30		4	3,3
30…38		5	3,3
38…44		5	3,3
44…50		5,5	3,8
50…58		6	4,3
58…65		7	4,4
65…75		7,5	4,9
75…85		9	5,4
85…95		9	5,4
95…100		10	6,4
ПРИМЕЧАНИЕ. Длину шпонки выбирают из ряда: 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 25; 28; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200 мм.

ПРИМЕР РАСЧЁТА ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ.

Проверить прочность шпоночного соединения на выходном конце распределительного вала (рисунок47 ч.2 Сопротивление материалов), если допускаемое напряжение материала шпонки на смятие

Н/мм².

РЕШЕНИЕ.

Диаметр выходного конца вала (рисунок 47) d₀ = 52 мм. определён из условия жёсткости. Длина выходного конца вала составит: . По таблице 11 в зависимости от диаметра вала определим размеры шпоночного паза и длину шпонки:

ширина шпоночного паза b = 16 мм., глубина шпоночного паза t₁ = 6 мм., длина шпонки мм. Длина шпонки определяется из примечания к таблице 11 с учётом, что она должна быть меньше, чем , где h₁ – величина уплотнения (манжеты), которое устанавливается на выходном конце вала, определяется из таблицы 12.

Определяем напряжение смятия в шпоночном соединении на призматической шпонке со скруглёнными торцами и, сравнивая его с допускаемым напряжением смятия, делаем вывод:

Н/мм² < Н/мм² .

Прочность шпоночного соединения обеспечена.

Эскиз выходного конца распределительного вала со шпоночным пазом показан на рисунке 21.

Рисунок 21. Эскиз выходного конца распределительного вала.

Таблица 12.          Манжеты резиновые армированные ГОСТ 8752 – 79 [10].

Задача для самостоятельного решения. Спроектировать и рассчитать шпоночное соединение призматической шпонкой на выходном конце распределительного вала, приняв допускаемое напряжение смятия Н/мм².