Шпонкові та шліцьові з’єднання

Шпонкові та шліцьові з’єднання передають крутний момент між валом і маточиною зубчастого колеса, шківа, зірочки або муфти. Навантаження переходить через бічні робочі поверхні. Шпонка є окремою деталлю, тоді як шліци утворені системою зубців безпосередньо на валу й у маточині.

Шпонкові з’єднання

Найпоширеніші призматичні шпонки мають прямокутний переріз і працюють ненапружено: момент передається після контакту бічних граней. Сегментні шпонки технологічні для невеликих валів, але глибше послаблюють переріз. Клинові шпонки створюють попереднє радіальне розпирання й можуть порушувати центрування, тому застосовуються обмежено.

Колова сила

Крутний момент \(T\) на валу діаметром \(d\) відповідає коловій силі:

$$F_t=\frac{2T}{d}.$$

Перевірка на зминання

Для призматичної шпонки шириною \(b\), висотою \(h\) і робочою довжиною \(l\) навантаженою вважають приблизно половину висоти. Тоді

$$p=\frac{F_t}{(h/2)l}=\frac{4T}{dhl}\le[p].$$

Фактичну робочу висоту беруть за стандартним профілем і глибиною пазів. Саме зминання бічних поверхонь часто є визначальним критерієм.

Перевірка на зріз

Середнє дотичне напруження в перерізі шпонки:

$$\tau=\frac{F_t}{bl}=\frac{2T}{dbl}\le[\tau].$$

Робоча довжина менша за повну довжину шпонки, якщо її кінці заокруглені. Розміри \(b\) і \(h\) вибирають за стандартом відповідно до діаметра вала, а розрахунком визначають потрібну \(l\).

Вплив паза на вал

Шпонковий паз зменшує площу та полярний момент перерізу й створює концентрацію напружень. Для валів зі змінним навантаженням це може бути важливішим за міцність самої шпонки. Паз не слід розміщувати в перерізі з різким переходом діаметра або іншими концентраторами.

Шліцьові з’єднання

Шліци розподіляють момент між \(z\) зубцями, краще центрують маточину й можуть забезпечувати її осьове ковзання. За формою профілю розрізняють прямобічні, евольвентні та трикутні шліци. Евольвентний профіль технологічний, добре центрується й допускає використання зуборізального інструменту.

Середній діаметр і робоча висота

Для попередньої оцінки моменту використовують середній діаметр \(d_m\), робочу висоту бічної поверхні \(h_w\), довжину зачеплення \(l\) та коефіцієнт нерівномірності розподілу \(\psi_z<1\). Умова за зминанням:

$$p=\frac{2T}{d_m z\psi_z h_w l}\le[p].$$

Коефіцієнт \(\psi_z\) враховує похибки виготовлення, деформації та те, що зубці не вступають у роботу абсолютно рівномірно. Для рухомих шліцьових з’єднань допустимий тиск знижують через зношування.

Центрування шліців

• за зовнішнім діаметром - просте й точне за відповідної обробки;
• за внутрішнім діаметром - застосовують, коли внутрішню поверхню можна точно обробити;
• за бічними поверхнями - сприяє рівномірнішому передаванню моменту, але гірше задає радіальне положення.

Типові відмови

• зминання робочих граней;
• зріз шпонки або зубців;
• втомна тріщина вала від паза чи западини шліців;
• спрацювання бічних поверхонь рухомого з’єднання;
• фретинг-корозія через мікропереміщення;
• перекіс маточини через недостатню довжину або неточне центрування.

Матеріали, посадки та мащення

Шпонки зазвичай виготовляють із конструкційної сталі з міцністю, узгодженою з валом і маточиною. Надто тверда шпонка може пошкодити дорожчу деталь, тоді як контрольоване зминання шпонки іноді є прийнятнішим. Для нерухомого шліцьового з’єднання призначають посадку, що забезпечує центрування й обмежує мікропереміщення. Рухомі шліци потребують зазору, чистої поверхні та мащення; їх перевіряють насамперед за тиском і спрацюванням.

Розподіл навантаження

Ні шпонка по довжині, ні всі шліци по колу не навантажуються рівномірно. Перекіс, похибки кроку, пружні деформації вала й маточини зміщують максимум до одного краю. Тому розрахункові коефіцієнти розподілу не слід замінювати припущенням, що кожний зубець сприймає точно \(T/z\). Плавні фаски та достатня довжина маточини зменшують крайові піки.

Вибір між шпонкою і шліцами

Шпонка дешевша й достатня для більшості приводів помірної потужності. Шліци доцільні за великих моментів, обмеженого діаметра, потреби в точному центруванні або осьовому переміщенні маточини. Остаточно перевіряють не лише контактну міцність, а й втому вала, технологію виготовлення та монтаж.