Наиболее распространены призматические шпонки, устанавливаемые в пазу вала по посадкам с натягом Р9/h9 (врезные шпонки) или по посадке Js9/h9 (закладные шпонки). Шпонки входят в паз ступицы так, что между верхней гранью шпонки и днищем паза оставляют зазор s (рис. 557, а).
Рекомендуются следующие посадки по боковым граням паза ступицы: с зазором (H9/h9 — для центрирующих соединений; D9/h9 — подвижных соединений) или переходные и с натягом (Js9/h9, N9/h9, P9/h9 для циклически нагруженных соединений).
Ступицы сажают на вал обычно по посадке Н7/h6; в соединениях, подвергающихся циклическим нагрузкам; предпочтительны посадки H7/js6, Н7/k6, Н7/m6, Н7/n6, Н7/р6.
Действующий на соединение крутящий момент вызывает напряжения среза в теле шпонки и напряжения смятия на боковых гранях шпонки (вид а). Преобладающее значение для прочности и устойчивости соединения имеет изгибающий момент Мизг, стремящийся вывернуть шпонку из паза вала.
Для увеличения прочности заделки целесообразно применять посадку P9/h9 в вале и увеличивать глубину установки шпонки в вал (вид б). Шпонки шириной b > 10 мм крепят в пазу вала винтами с порезной головкой (вид в) или винтами с внутренним шестигранником.
Для повышения сопротивления усталости вала на участке, ослабленном шпоночным пазом, применяют обчеканку шпонок по контуру (виды г, д).
Рабочие грани пазов ступицы и вала обрабатывают в рядовых соединениях до параметра шероховатости Ra = 3,2 мкм, в ответственных — до Ra = 2,5 мкм, днища пазов — до Ra = 6,3 мкм.
Пазы в ступице выполняют долблением или протягиванием одношлицевой протяжкой, на валу — фрезерованием пальцевой (рис. 558, а) или дисковой (рис. 558, б) фрезой.
Фрезерование дисковой фрезой производительнее и обеспечивает более высокую точность и малую шероховатость боковых граней паза. Однако при этом способе увеличиваются осевые размеры шпоночного соединения, особенно в соединениях с упорными буртиками (рис. 559, а, б), а при заданных габаритах сохраняется длина шпонки. Кроме того, необходима фиксация шпонки в осевом направлении.
Наиболее распространен способ фрезерования пальцевыми фрезами.
Во избежание пригонки торцов шпонок длину l’ паза делают на 0,5—1 мм больше длины l шпонки (рис. 560, а).
Пазы не доводят до ближайших ступенек на расстояние s = 2—3 мм для валов диаметром менее 30 мм, а для валов большего диаметра — на 4—5 мм. Врезание пазов в ступеньку увеличивает концентрацию напряжений. В концевых установках величину s' (рис. 560) принимают на 1—2 мм больше s с целью увеличения прочности перемычки.
Диаметр резьбы Dр (рис. 560, б), как обычно в ступичных соединениях, делают на 0,5—2 мм меньше диаметра D вала.
Высоту (а) упорной ступеньки, учитывая, что упор происходит почти по полной кольцевой поверхности, достаточно делать равной 2—4 мм.
В концевых установках целесообразно прорезать шпоночный паз на выход в торец вала (рис. 561).
При этом сокращаются осевые габариты соединения и увеличивается рабочая длина шпонки, особенно если хотя бы один торец шпонки плоский.
В затяжных соединениях шпонку фиксируют в осевом направлении шайбой и гайкой (вид а).
Неизбежное в затяжных конструкциях прорезание резьбы шпоночным пазом не сказывается отрицательно на работе резьбы. Паз в резьбе обычно используют под отгибную лапку стопорной шайбы m. Необходимо только, чтобы расстояние (е) между днищем паза и внутренним диаметром резьбы (вид б) было достаточно для размещения лапки.
Из рис. 561, б имеем
где D и Dр — соответственно диаметры вала и резьбы, t — глубина шпоночного паза; h — высота резьбы гайки; е — зазор, необходимый для размещения усика.
Из уравнения (131) получаем
Величина h для метрической резьбы h ≈ 0,7s (s — шаг резьбы). При обычной толщине стопорной шайбы 0,5—1 мм минимальный зазор emin можно принять равным 2 мм. Подставляя эти значения в уравнение (132), получаем
Кроме того, должно быть соблюдено условие Dp < D. Пусть D = 60 мм; t = 5,5 мм; s = 1,5 мм.
Минимальный диаметр резьбы, удовлетворяющий условию (133),
При ближайшей большей величине Dр = 58 мм согласно формуле (132)
В промежуточных установках и на ступенчатых валах открытые пазы применяют редко, так как они требуют значительного увеличения перепада диаметров. Диаметр D2 каждой последующей ступеньки должен быть (рис. 562)
где D1 — диаметр предыдущей ступеньки; t — глубина паза; с — запас на выход фрезы (с = 0,2—0,5 мм).
При пазах без выхода перепад диаметров определяется только условиями сборки и при последовательной затяжке нескольких насадных деталей может составлять несколько десятых миллиметра.
ГОСТ 23360—78 установлены три разновидности шпонок (рис. 563); с закругленными торцами (исполнение 1); с одним закругленным и одним плоским торцом (исполнение 3) и с плоскими торцами (исполнение 2).
Размеры призматических шпонок согласно ГОСТ 23360—78 приведены в табл. 8.
Придерживаться приведенных в табл. 8 соотношений между диаметром вала и размерами шпонки необязательно. Во многих случаях (малый крутящий момент, тонкостенные ступицы, полые валы) целесообразно применять шпонки и меньшего размера, если они обеспечивают достаточную несущую способность соединения.
На рис. 564 представлен вал вспомогательного привода, передающий небольшой крутящий момент. Применение шпонки нормального размера (вид а) вызывает ослабление вала и ступицы, В данном случае целесообразно установить шпонку меньшего сечения (вид б); прочность соединения при этом увеличивается.
Длину шпонок l (в мм) устанавливают из следующего ряда: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500.
Условное обозначение шпонки исполнения 1 состоит из номинальных размеров шпонки b х h х l и номера ГОСТа. Например,
Шпонка 16 х 10 x 80 ГОСТ 23360—78.
То же для исполнения 2(3):
Шпонка 2(3) — 16 х 10 х 80 ГОСТ 23360—78.
Шпонки увеличенной высоты применяют для повышения прочности заделки шпонки в вале, а также в тех случаях, когда ступица выполнена из мягкого материала (чугун) с целью уменьшения напряжений смятия на рабочих гранях паза.
Размеры высоких призматических шпонок согласно ГОСТ 10748—79 приведены в табл. 9.
