Как найти объем шпоночного паза

5.1 Основные сведения

Шпоночные
соединения
– служат для передачи крутящего момента
от вала к ступице.

Шпонка – деталь,
устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся
деталей и препятствующая относительному
повороту или сдвигу этих деталей.
Шпоночные соединения можно разделить
на две группы:

а) Ненапряженные
соединения, осуществляемые при помощи
призматических и сегментных шпонок;

б) Напряженные
соединения, осуществляемые клиновыми,
фрикционными и тангенциальными шпонками.

Шпонки всех основных
типов стандартизированы. Размеры шпонок
выбираются в зависимости от диаметра
вала по таблицам стандарта.

Делятся шпонки
на 2 типа:

• клиновые;

• призматические
  .

Клиновые шпонки
запрессовываются в пазы, следовательно
возникает смещение центров вала и
ступицы, и при больших частотах вращения
возникает дисбаланс. В условиях массового
производства применение таких шпонок
не велико.

5.2 Для данного
редуктора выберем соединение
призматическими шпонками.
Они являются ненапряженными, валы
отверстия изготавливают с большой
точностью. Посадка часто с натяжкой,
крутящий момент передается боковыми
узкими гранями шпонки.

где T
– крутящий момент, Нмм

l
– длина шпонки, мм

h
– высота шпонки, мм

b–
ширина шпонки, мм

t₁
– глубина врезания шпонки в вал.

Для посадок с
натягом допускается
.

В качестве материала
для шпонок рекомендуется применять
чистотянутую прутковую сталь с пределом
прочности σ > 500 н/мм²
(Сталь 45, Сталь 6).

Длина призматических
шпонок
выбирают
из ряда (по ГОСТ 23360-78) 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.

5.3 Алгоритм расчета призматической шпонки.

Шпонка под шкив:

Выбрать по стандарту
призматическую шпонку для соединения
шестерни с валом
,
длина ступицы.
Материал шестерни –сталь 45, материал
шпонки – сталь 45. Передаваемый момент

1. Выбираем
материал шпонки с
пределом прочности σ > 500 н/мм².

2. ГОСТ 23360-78 по
диаметру вала
выбираем шпонку со следующими размерами:
(табл.5.1).

Таблица 5.1

Диаметр вала d	Сечение шпонки	Глубина и радиус закругления пазов
b	h	Вал t1	Втулка t2	r (или фаска s1x 450)
Наи -меньший	Наиболь- ший
30…38	10	8	5	3,3	0,25	0,4
38…44	12	8	5.0	3,3	0,25	0,4
58…65	18	11	7,0	4,4	0,25	0,4

3. Находим допускаемые напряжения смятия .

Величина допускаемых
напряжений зависит от режима работы и
прочности материала вала и ступицы.

Допускаемые
напряжения в неподвижных шпоночных
соединениях общего машиностроения при
спокойной нагрузке рекомендуется
принимать:

при стальной
ступице
,

4. Определяем
рабочую длину шпонки по формуле
:

5. Находим общую
длину шпонки:

Стандартное
значение длины шпонки
.

Принимаем: шпонка
10 х 8 х 25 ГОСТ 23360-78.

6.
Проверяем выбранную шпонку под
напряжением смятия:

Условие выполнено.

Шпонка под колесо:

Выбрать по стандарту
призматическую шпонку для соединения
вала с шестерней
,
длина ступицы.
Материал вала – сталь 45, материал шпонки
– сталь 45. Передаваемый момент –

1. Выбираем
материал шпонки
с пределом прочности σ > 500 н/мм²

2. ГОСТ 23360-78 по
диаметру вала
выбираем
шпонку со следующими размерами
:
(табл.5.1)

3. Допускаемое
напряжение смятия

Допускаемые
напряжения в неподвижных шпоночных
соединениях общего машиностроения при
спокойной нагрузке рекомендуется
принимать:

при стальной
ступице
,

4. Определяем
рабочую длину шпонки по формуле
:

5. Находим общую
длину шпонки:

Стандартное
значение длины шпонки
.

Принимаем: шпонка
18 х 11 х 36 ГОСТ 23360-78.

6. Проверяем
выбранную шпонку под напряжением смятия:

Если это условие
не выполняется, то устанавливают две
шпонки или увеличивают длину ступицы
и соответственно увеличивают длину
шпонки.

Увеличиваем
длину шпонки ,
пересчитываем:

;

Принимаем: шпонка
18 х 11 х 45 ГОСТ 23360-78.

Условие выполнено.

Шпонка под
звездочку:

Выбрать по стандарту
призматическую шпонку для соединения
вала с колесом
,
длина ступицы.
Материал вала – сталь 45, материал шпонки
– сталь 45. Передаваемый момент –

1. Выбираем
материал шпонки
с пределом прочности σ > 500 н/мм²

2. ГОСТ 23360-78 по
диаметру вала
выбираем
шпонку со следующими размерами
:
(табл.5.1)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Шпонки призматические ГОСТ 23360-78

Расчет сегментных шпонок.

Рабочая длина выберается из 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 мм.

Размеры сечения шпоночных пазов и их предельные отклонения.

В случае установки двух противоположно расположенных шпонок вводят поправочный коэффициент 0,75.

В машиностроении принимают

[σ_см] = (0,3 … 0,5) σ_т – для неподвижных соединений

и [σ_см] = (0,1 … 0,2 )σ_т – для подвижных соединений,

где σ_т – предел текучести материала шпонки.

Шпоночные соединения



Характеристика шпоночных соединений

Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки и т. п.).
Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот.
Основные типы шпонок стандартизированы.

Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковыми или концевыми фрезами, в ступицах – протягиванием (см. рис. 1).

Достоинства шпоночных соединений – простота конструкции, вследствие чего их широко применяют во всех областях машиностроения.

Недостатки – шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали. Ослабление вала обусловлено не только уменьшением его сечения, но, главное, значительной концентрацией напряжений изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом.

Шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовлении паза концевой фрезой, требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении дисковой фрезой – крепление шпонки в пазу винтами от возможных осевых перемещений.

***

Классификация шпоночных соединений

Шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и напряженные.
Ненапряженные соединения получают при использовании призматических и сегментных шпонок. При сборке этих соединений в деталях не возникает монтажных напряжений. Для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии (фретинг-коррозии) ступицы устанавливают на валы с натягом.

Напряженные соединения получают при применении клиновых и тангенциальных шпонок (рис. 2). При сборке таких соединений возникают предварительные (монтажные) напряжения. Тангенциальные шпонки являются разновидностью клиновых шпонок. При запрессовке клиновых шпонок в соединении возникают распорные радиальные силы, что приводит к появлению дисбаланса.
Клиновые шпонки в настоящее время применяются редко, поэтому их методика расчета на прочность здесь не рассматривается.

По форме различают три основных типа шпонок (кроме клиновых и тангенциальных, рис. 2) – призматические, сегментные и круглые.

Призматические шпонки (рис. 3) изготавливают в нескольких исполнениях – с плоскими и скругленными торцами. Округление торцов шпонки облегчает монтаж конструкции.
Шпонки с плоскими торцами устанавливают вблизи деталей (концевых шайб, колец и т. п.), препятствующих ее осевому перемещению, поскольку призматическая шпонка не препятствует осевому перемещению деталей вдоль вала.
Иногда для фиксации от осевого смещения призматические шпонки фиксируют распорными втулками или установочными винтами.

Сегментные шпонки (рис. 3), как и призматические, работают только боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов, так как глубокий паз значительно ослабляет вал.
Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении и удобны для монтажа и демонтажа. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей устойчивое положение.
В отличие от призматических шпонок, сегментные шпонки не нуждаются в дополнительной фиксации от осевого перемещения.

***

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с σ_в ≥ 600 МПа – чаще всего из сталей марок Ст6, 45, 50.

Допускаемые напряжения смятия [σ]_см для шпоночных соединений зависят от материала ступицы (вал, как правило, изготовляют из стали), типа посадки ступицы и характера нагрузки.

Так, неподвижное соединение при стальной ступице допускает напряжение 140…200 МПа, при чугунной ступице – 80…110 МПа. Большие напряжения допускаются при постоянной нагрузке, меньшие – при переменной.

Допускаемое напряжение при срезе шпонок [τ]_ср = 70…100 МПа (Н/мм2). Большие допускаемые напряжения принимают для постоянной нагрузки.

***



Расчет шпоночных соединений

Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность.
Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимости от диаметра вала, а затем соединения проверяют расчетом на прочность.
Характер напряжений, возникающих в шпоночном соединении во время работы, показан на рис. 4. Шпонки работают на смятие и срез, а боковые стенки пазов на валах и в ступицах – на смятие.

Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность их на срез и изгиб обеспечивается, если выполняется условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений – расчет на смятие шпонки. Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не производят.

При расчете условно принимают, что напряжение σ_см смятия распределяются равномерно по площади контакта боковых граней шпонок и шпоночных пазов, а прочность материала, характер соединения, режим работы учитываются при выборе допускаемого напряжения [σ]_см.

Проверочный расчет соединения призматической шпонкой выполняют по условию прочности на смятие (см. рис. 4):

σ_см = F₁ / A_см ≤ [σ]_см,

где:     F₁ – окружная сила, передаваемая шпонкой,    А_см – площадь смятия шпонки (мм²).

F₁ = 2×10³Т / d,

где:    T = передаваемый момент (Нм);   d – диаметр вала (мм).

На смятие рассчитывают выступающую из вала часть шпонки, которая имеет меньшую площадь смятия.
При определении площади смятия А_см учитывают размер фаски f, который для стандартных шпонок примерно равен 0,06h (здесь h – общая высота шпонки).

Шпонка с фаской f = 0,06h имеет расчетную площадь А_см смятия:

А_см = (h – t₁ – f)l_p = (h – t₁ – 0,06h)l_р = (0,94h – t₁)l_р,

где:    t₁ – глубина шпоночного паза на валу (мм);   lр – расчетная длина шпонки (мм).
Для шпонок с плоскими торцами l_p = l, со скругленными торцами l_p = l – b.

Подставив значения F₁ и А_см в формулу проверочного расчета, получим:

σ_см = 2×10³Т / d(0,94h – t₁)l_p ≤ [σ]_см.

В проектировочном расчете соединения, после выбора размеров b и h поперечного сечения шпонки по стандарту, определяют расчетную рабочую длину l_p:

l_p = 2×10³Т / d(0,94h – t₁) [σ]_см

Длину ступицы l_ст принимают на 8…10 мм больше длины шпонки. Если длина ступицы больше величины 1,5d, то шпоночное соединение целесообразно заменить на шлицевое или соединение с натягом, чтобы избежать значительной неравномерности распределения напряжений по длине шпонки.

Проверочный расчет соединения сегментной шпонкой выполняют на смятие:

σ_см = 2×10³Т / d(h – t)l_p ≤ [σ]_см,

где:   l_p ≈ l – рабочая длина шпонки (мм);   (h – t) – рабочая глубина паза в ступице (мм).

Поскольку сегментные шпонки выполняются узкими, их, в отличие от призматических, проверяют на срез.
Условие прочности при срезе:

τ_сp = 2×10³Т / dbl_p ≤ [τ]_сp,

где:    b – ширина шпонки (мм);   [τ]_сp – допускаемое напряжение на срез.

***

Рекомендации по конструированию шпоночных соединений

При проектировании и конструировании шпоночных соединений следует придерживаться следующих рекомендаций, основанных на опыте эксплуатации и аналитических выводах:

• Перепад диаметров ступеней вала с призматическими шпонками назначают из условия свободного прохода детали большего посадочного диаметра без удалении шпонки из паза на участке меньшего диаметра.
• При наличии нескольких шпоночных пазов на валу их располагают на одной образующей.
• Из удобства изготовления рекомендуют для разных ступеней одного и того же вала назначать одинаковые по сечению шпонки, исходя из ступени меньшего диаметра.
  Прочность шпоночных соединений при этом оказывается вполне достаточной, поскольку окружные силы на разных участках вала обратно пропорциональны диаметру, поэтому на участках с большим диаметром окружная сила будет меньше.
• При необходимости установки двух сегментных шпонок их ставят вдоль вала в одном пазу ступицы. Постановка нескольких шпонок в одном соединении сильно ослабляет вал, поэтому рекомендуется в этом случае перейти к шлицевому соединению.

***

Пример проектировочного расчета шпонки

Задача
Выбрать тип стандартного шпоночного соединения стального зубчатого колеса со стальным валом и подобрать размеры шпонки.

Диаметр вала d = 45 мм.
Соединение передает вращающий момент Т = 210 Нм при спокойной нагрузке.

Решение
Выполняем проектировочный расчет, на основании которого подбираем нужную шпонку.

Выбор соединения:

Для соединения вала с колесом принимаем широко распространенную призматическую шпонку со скругленными торцами (исполнение I).

Расчетные размеры шпонки и паза на валу:

По таблице стандарта, устанавливающей зависимость между диаметром вала, размером сечения шпонки и глубиной паза, принимаем для d = 45 мм:

b = 14 мм;    h = 9 мм,    глубина паза на валу t₁ = 5,5 мм.

Допускаемые напряжения:

По таблице стандарта, устанавливающей зависимость допускаемого напряжения от типа шпоночного соединения и материала ступицы, принимаем для стальной ступицы, неподвижного соединения и спокойной нагрузки:

[σ]_см = 190 Н/мм² (МПа).

Расчетная длина шпонки:

l_p = 2×10³Т / d(0,94h – t₁) [σ]_см = (2000×210) / 45(0,94×9 – 5,5)190 = 16,6 мм.

5. Длина шпонки с закругленным торцом: l = l_p + b = 16,6 + 14 = 30,6 мм.
В соответствии со стандартом принимаем длину шпонки l = 32 мм.

6. Длина ступицы колеса: l_ст = l + 10 мм = 32 + 10 = 42 мм < 1,5d, что допустимо.

***

Шлицевые соединения



Расчет шпоночного соединения

Опубликовано 01 Окт 2013
Рубрика: Механика | 26 комментариев

Одной из самых распространенных, простых и дешевых деталей соединения вала со ступицей зубчатого колеса, шкива, маховика является призматическая шпонка. Клиновые, сегментные и цилиндрические шпонки применяются на практике гораздо реже. Хотя приходилось встречать…

…при ремонтных работах все вышеперечисленные типы шпонок, при проектировании новых машин я и мои коллеги применяли исключительно шпоночное соединение с призматической шпонкой, как наиболее технологичное из всех вышеназванных.

Основной задачей, которую выполняет шпоночное соединение, является передача крутящего момента от ступицы валу или от вала ступице. Материалом для изготовления шпонок на практике чаще всего являются Сталь45 и Сталь40Х с временным сопротивлением разрыву более 550…600 МПа.

Шпоночное соединение с призматическими шпонками регламентировано ГОСТ23360-78, а с призматическими высокими шпонками — ГОСТ10748-79. В этих двух ГОСТах даны размеры и допуски на изготовление, как самих шпонок, так и пазов в валу и ступице. ГОСТы можно свободно найти в Интернете и скачать. Они понадобятся в нашей дальнейшей работе. «Выжимки» из этих ГОСТов есть в любом справочнике конструктора-машиностроителя.

Предварительно сечение призматической шпонки выбирается по диаметру вала! Длина шпонки назначается из конструктивных и прочностных соображений. 

Этот простой расчет можно быстро выполнить в программе MS Excel или в программе OOo Calc.

В ячейки со светло-бирюзовой заливкой пишем исходные данные, в том числе данные, выбранные пользователем по таблицам ГОСТов.

В ячейках со светло-желтой заливкой считываем результаты расчетов.

Синий шрифт – это исходные данные.

Красный шрифт – это результаты расчетов.

Еще раз напоминаю, что в итоговом файле с программой в примечаниях ко всем ячейкам столбца D помещены пояснения — как и откуда взяты или по каким формулам рассчитаны все значения в таблице!!!

Начинаем по пунктам выполнять алгоритм расчета на примере конкретного соединения. Расчетная схема представлена на рисунке внизу этого текста. Скриншот окна программы расположен сразу после исходных данных.

Исходные данные:

1. Крутящий момент, передаваемый соединением, Т в Н/м пишем

в ячейку D3: 300,0

2. Диаметр вала в соединении (в месте, где установлена шпонка) dв мм заносим

в ячейку D4: 45,0

3. Глубину паза вала t1 в мм вводим

в ячейку D5: 5,5

4. Высоту шпонки, выбранной по диаметру валу, hв мм записываем

в ячейку D6: 9,0

5. Ширину шпонки bв мм вводим

в ячейку D7: 14,0

6. Габаритную длину шпонки Lв мм пишем

в ячейку D8: 63,0

7. Вариант исполнения шпонки (1 — скругленная с двух концов, 2 – без скруглений /параллелепипед/, 3 – скругленная с одной стороны)  vзаносим

в ячейку D9: 1

8. Допускаемое напряжение при смятии  [σсм] в МПа пишем

в ячейку D10: 90,0

9. Допускаемое напряжение при срезе  [τср] в МПа рассчитываем как долю в 60% от допускаемого напряжения смятия

в ячейке D10: =0,6*D10=54,0

Расчет шпоночного соединения:

10. Определяем действующее в соединении напряжение смятия σсм в МПа

в ячейке D13: =ЕСЛИ(D9=1;2*D3*1000/(D4*(D6-D5)*(D8-D7)); ЕСЛИ(D9=2;2*D3*1000/(D4*(D6-D5)*D8);2*D3*1000/(D4*(D6-D5)*(D8-D7/2))))=77,7

σсм=2*T/(d*(h–t1)*Lр)

при v=1  Lр=L— b

при v=2  Lр=L

при v=3  Lр=L–b/2

11. Рассчитываем процент нагруженности соединения по напряжению смятия sсм в %

в ячейке D14: =D13/D10*100=86.4

sсм=σсм/[σсм]

12. Определяем действующее в соединении напряжение среза τср в МПа

в ячейке D15: =ЕСЛИ(D9=1;2*D3*1000/(D4*D7*(D8-D7)); ЕСЛИ(D9=2;2*D3*1000/(D4*D7*D8);2*D3*1000/(D4*D7*(D8-D7/2))))=19,4

Lр — смотри п. 10

13. Рассчитываем процент нагруженности соединения по напряжению среза sср в %

в ячейке D16: =D15/D11*100=36,0

sср=τср/[τср]

Проверочный прочностной расчет в Excel шпоночного соединения завершен. Выбранная по диаметру вала призматическая шпонка будет работать в соединении, передавая крутящий момент, при напряжении смятия равном 86,4% от допустимого значения.

Несколько итоговых замечаний:

1. Расчеты на срез можно не выполнять, так как смятие всегда наступит раньше для любых шпонок по ГОСТ23360-78 и ГОСТ10748-79.

2. Если одна шпонка не выдерживает нагрузки, то можно поставить две через 180˚ друг от друга. При этом нагрузочная способность соединения возрастет по данным разных авторов в 1,5…2,0 раза.

3. Значения допустимых напряжений смятия [σсм] у разных авторов существенно разнятся:

При стальной ступице и спокойной нагрузке    [σсм]=100…150 МПа

При стальной ступице и колебаниях нагрузки [σсм]=75…120 Мпа

При стальной ступице и ударной нагрузке       [σсм]=50…90 Мпа

При чугунной ступице и спокойной нагрузке    [σсм]=50…75 Мпа

При чугунной ступице и колебаниях нагрузки [σсм]=40…60 Мпа

Для неподвижных соединений [σсм]=(0,3…0,5)*[σт]

Для подвижных соединений [σсм]=(0,1…0,2)*[σт]

Для поверхности с твердостью меньше 240HB [σсм]= 150 МПа

Для поверхности с твердостью 270…300HB [σсм]= 250 МПа (???!!!..)

На практике для неподвижных соединений валов со стальными ступицами при колебаниях нагрузки и отсутствии сильных ударов я успешно применял в расчетах [σсм]=90 Мпа. При этом твердость поверхностей шпонки, вала, и иногда ступицы задавал около 300 HB (28…32 HRC). Наверное, перестраховывался.

4. При разработке рабочего чертежа ступенчатого вала старайтесь расположить шпоночные пазы в одной плоскости и выполнить их одной ширины (даже вопреки рекомендациям ГОСТов). При соблюдении вышесказанного пазы на фрезерном станке будут сделаны за одну установку и без смены инструмента – за что технолог и фрезеровщик вам скажут спасибо!

5. Если внимательно посмотреть на расчетные формулы, то можно заметить, что площадь поверхности смятия и площадь поверхности среза считаются по некорректным формулам! Не учитываются фаски кромок и радиусы скруглений шпонки. Не правильно считается высота, а значит и площадь выступающей из вала боковой поверхности шпонки – не учитывается «спад» окружности. Однако все это не имеет существенного значения и влияния на результат из-за глобальной неопределенности, о которой мы говорили в пункте 3 итоговых замечаний…

Ссылка на скачивание файла: raschet-shponki (xls 39,0 KB).

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Размер – шпонка

Как определяют размеры шпонок и шпоночных пазов. [46]

Как устанавливают размеры шпонок . [48]

Форма и размеры шпонок стандартизованы и зависят от диаметра вала и условий эксплуатации соединяемых деталей. Большинство стандартных шпонок представляют собой деталь призматической, сегментной или клиновидной формы с прямоугольным поперечным сечением. Шпонки в продольном разрезе показываются нерассеченными независимо от их формы и размеров. [49]

Форма и размеры шпонок стандартизованы и зависят от диаметра вала и условий работы соединяемых деталей. [50]

Известны: размеры шпонки , число шпонок и допускаемые напряжения. Определяется несущая способность шпоночного соединения в виде крутящего момента. [51]

Как определяют размеры шпонок . [52]

Предельные отклонения размеров шпонки : основного посадочного размера Ь, по которому происходит сопряжение шпонки с пазами вала и втулки ( см. рис. 18), – по. [53]

Предельные отклонения на размеры шпонок , пазов на валах и втулках ( ступицах) по ширине Ь даны в табл. 38 и 39 и на фиг. [54]

Предельные отклонения на размеры шпонок , пазов на валах и втулках ( ступицах) по ширине Ь даны в табл. 35 и 36 и на фиг. [55]

Шпоночное соединение – разновидность соединения, состоящего из шпонки на валу и ступицы. Шпонкой называется деталь, которая соединяет узлы путем установки в пазы. Основной ее функцией является передача вращающего момента между узлами. Существует определенная стандартизация их разновидностей. Шпонка имеет специальные пазы, вырезанные путем фрезерования.

Применение

Основным применением шпоночных соединений является монтаж на вал с помощью пазового соединения. В большинстве своем шпоночный паз напоминает клин. Такой тип соединения деталей позволяет валу и ступице не проворачиваться относительно оси друг друга. Фиксированное положение ступицы к валу со шпонкой позволяет добиться высокого КПД при передаче усилия.

Наиболее часто шпоночное соединение можно встретить в машиностроении, при строительстве станков. Часто она используется при производстве автомобилей и других механизмов, где требуется повышенная надежность фиксации деталей машин. Высокая надежность достигается благодаря функции предохранительного узла вала со шпоночным пазом.

Шпонка выступает предохранителем в случаях превышения максимального уровня крутящего момента. В подобных случаях происходит срез шпонки, поглощая чрезмерную нагрузку она снимает ее из вала и ступицы.

Благодаря своим свойствам она стала широко распространенной в машиностроении, она отличается высокой эффективностью, простотой изготовления и монтажа, а также низкой стоимостью. Подобные характеристики особо важны в промышленном производстве, особенно в сельском хозяйстве. В разгар сезона часто возникают случаи поломок отдельных узлов, которые нужно заменить максимально быстро. Чаще всего можно встретить в узлах пресс-подборщиков.

Учитывая все вышесказанное, выделяются основные позиции, для чего нужна шпонка:

1. Обеспечение безопасность соединяемых узлов при повышенных нагрузках.
2. Достижение высокой степени фиксации отдельных элементов механического узла.
3. Выполняет функцию предупреждения проворачивания узла и ступицы.
4. Надежность подобного соединения превышает надежность аналогов при фиксации вала с деталями.

В общем, встретить шпоночное соединение можно практически в любом сложном механизме, что обусловлено его техническими характеристиками.

Виды шпонок

Основные виды шпонок делят на два типа: напряженные и ненапряженные. Среди которых выделяются такие типы шпонок:

1. Клиновые. Особый тип, который отличаются углом наклона верхней грани. В общем разделение на виды происходит исходя из классификации шпоночных соединений. Устанавливается в паз с помощью физической силы, ударным методом. Применение такого типа соединения позволяет добиться необходимого напряжения. Нарезанный клин, находясь в пазе, распирает его изнутри. За счет силы прижатия, вал и ступица совместно вращаются.Используется довольно редко, так как ее использование предусматривает индивидуальный подгон. Это можно считать недостатком для массового производства механизмов. Основное назначение — применение в тихоходных передачах и узлах неподвижного соединения.Среди клиновых шпонок выделяют:
2. врезные;
3. на лыске;
4. фрикционные;
5. без головки и с головкой.
6. Сегментные. Производятся в виде сегментной пластины, загоняемой в паз. Производиться методом фрезерования. Широко применяются в производстве, так как просты в изготовлении, не требуют особой точности при нарезании и легко устанавливается. Отличается установкой в боле глубокий паз, в сравнении с аналогами. Глубокий паз не подходит для больших нагрузок, так как значительно снижает прочность вала, поэтому используется при небольших крутящих моментов.На длинных ступицах может устанавливаться несколько шпонок, так как они имеют фиксированную длину. Выполняют предохранительную функцию на срез и смятие.
7. Призматические. Отличаются параллельными гранями, которые устанавливаются в паз и фиксируют ступицу. Рабочими гранями в таки случаях являются боковые. Относятся к ненапряженному типу шпоночных соединений, поэтому существует вероятность возникновения коррозии в месте соединения. Для исключения коррозии, муфта и вал соединяются с натягом. Концы производятся обычно со скругленными или плоскими концами. Для скругленного типа рабочей поверхностью считается длина прямых краев. Паз нарезается с помощью фрезы.Передача усилия происходит путем давления поверхности паза на шпонку, которая передает крутящий момент на паз ступицы. Данный тип соединения призматической шпонкой часто используется для подвижных соединений, поэтому используют дополнительное крепление с помощью винтов. Как и многие другие типы выполняет функцию предохранителя при смятии и срезе.
8. Цилиндрические. Штифты в таких шпонках изготавливаются в виде цилиндров. Работаю в натяжении с отверстием на торце вала, которое высверливается под соответствующие размеры шпонок. Используется в тех случаях, когда ступица устанавливается на конце вала. Требует особого подхода к монтажу шпоночных соединений.Позволяют работать на срез и смятие. Поэтому выбор шпонки производят исходя из прочности на смятие.

Исходя из типа посадки выделяются:

1. Свободная – применяется в случаях, когда выполнять сварочные работы довольно сложно и есть необходимость подвижного сцепления деталей во время работы.
2. Плотная – нужна для создания сцеплений, движение которых во время работы выполняется в одном пространственном положении.

Обозначения на чертежах

На чертежах обозначение призматических шпонок происходит исходя из нормативного документа ГОСТ. Они делятся на шпоночные пазы: высокие, нормальной высоты и направляющие. Рабочими гранями у них являются боковые.

На сборочном чертеже обозначение выполняется с учетом диаметра вала, крутящего момента, сечения и длины.

Шпонка 3–20Х12Х120 ГОСТ 23360-78;
Где 3 – исполнение, 20Х12 – сечение, 120 – длина.

Обозначение остальных типов шпонок на изображениях выполняется таким же образом, исходя из соответствующих ГОСТов, разработанных для каждой отдельной модели.
Указанное обозначение должно четко характеризировать деталь, что очень важно для получения надежного соединение. Ведь даже малейший зазор может стать причиной быстрого износа рабочих узлов и потери эффективности во время работы.

Достоинства и недостатки

Как и любой тип соединений, шпоночные имеют ряд достоинств и недостатков. К достоинствам шпоночных соединений можно отнести простоту большинства типов шпонки. При этом монтаж и замена такой детали выполняется легко и быстро. Благодаря чему они получили широкое применение в машиностроении. Также обеспечивает функцию предохранения.

К недостаткам относиться ослабление ступицы и вала. Оно возникает исходя из повышенного напряжения и уменьшения поперечного сечения. Также ослабление деталей вызвано из-за нарезанного паза, который снижает осевую прочность вала.

Чтобы минимизировать недостатки, нужно добиться отсутствия перекоса шпонки в пазе. Для этого нужно обеспечить отсутствие зазора, что делается путем индивидуального изготовления и подгона шпонки. Из-за этого в крупносерийном производстве редко применяют любые разновидности шпоночных соединений. Если добиться отсутствия перекоса не удалось, площадь рабочего контакта уменьшается, в следствие чего степень максимальной нагрузки уменьшается.

Также наличие зазора вызывает эффект биения, особенно на высоких скоростях. Это приведет к быстрому износу рабочих деталей. Из-за этого подобное соединение редко применяется для быстровращающихся валов. Для подбора подходящей шпонки лучше использовать таблицу шпоночных соединений.

Материал шпонок

Для изготовления шпоночного соединения применяют калибровочный металлопрокат. Чаще всего используется сталь марки 45. Она относиться к углеродистым сталям обычного типа, которая часто применяется для производства деталей высокой прочности. Сталь используется в виде бруска длиной 1 м.

В некоторых случаях может применять углеродистая сталь марки 50. Она необходима, когда требуется повышенные прочностные свойства полученных шпонок. Реже применяются легированные стали, например, марки 40х, для которой характерен высокий показатель твердости, достигаемый путем термической обработки.

Стальные заготовки обрабатываются с помощью фрезы, сверлильных станков, станков для рубки, шлифовальных машин и других инструментов. Используемые станки имеют блок управление, который позволяет с помощью числовых программ изготовить деталь необходимых параметров.

Цена полученной шпонки довольно низка, поэтому приобрести необходимую деталь довольно легко. Но в некоторых случаях, когда есть необходимость срочного получения шпонки, изготовить ее можно самостоятельно. Чаще всего подобная необходимость возникает в сельском хозяйстве, где во время сезонных работ часто возникают поломки, которые нужно отстранить. При этом ближайшие точки продажи необходимых деталей находиться на расстоянии в несколько десятков километров.

Имея небольшое количеству инструмента под рукой и заготовку из соответствующего материала, можно быстро изготовить временную замену. При соблюдении технических характеристик, полученная деталь сможет полноценно заменить заводскую, но лучше всего при первой возможности приобрести шпонку нужной прочности и геометрических параметров. Это необходимо для избежание преждевременного износа механизмов.

Иногда для производства могут использовать другие материалы, например, пластик высокого качества. В качестве материала может использоваться дерево, чаще всего при изготовлении мебели.

В качестве материала лучше использовать разные породы дерева, для шпонки подойдет более мягкий материал чем основной. Это позволит обезопасить основную конструкцию от повреждений в случае повышенной нагрузки. Легче заменить шпонку чем большой конструкционный узел.

Для предотвращения проникания влаги в железобетонные конструкции используются специальные шпонки – ватерстоп. Изготавливают их из резины высокого качества и ПВХ. Это позволяет добиться необходимой степени водонепроницаемости и стойкости к растворам агрессивных химических веществ.

Заключение

Такой тип соединения отличается простотой и достаточно высокой надежностью, из-за чего получил высокую популярность в промышленности. Разнообразие видов позволяет подобрать оптимальный тип соединения, что позволит добиться высокой эффективности, надежности готовой конструкции и страховку узлов от повреждений при повышении допустимых нагрузок. Подобрав шпонку исходя из соответствующих ГОСТов, можно добиться высокой эффективности работы соединения.

На сегодняшний день можно легко подобрать необходимую деталь, что позволяет быстро сделать монтаж и замену в случае необходимости.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Как средство для передачи вращения шпонка используется повсеместно. На первый взгляд здесь нет ничего сложного: вырезал шпоночный паз, вставили, узел готов. Почему шпоночное соединение, несмотря на довольно устаревшую технологию, не потеряло своей актуальности?

Шпоночные соединения

Шпонка представляет собой некую деталь, являющуюся промежуточным звеном для передачи вращательного момента вала ступице. Данный процесс осуществляется за счет образования напряжения смятия шпоночных пазов. Именно по этой причине шпоночные соединения относят к группе жесткого способа передачи вращения.

В большинстве случаев шпонками пользуются в низко нагруженных изделиях. Преимущественно для деталей мелкой серии. Происходит это из-за малой несущей нагрузки шпонок, причина которой кроется в наличии следующих недостатков:

• Шпоночные пазы уменьшают поперечную площадь вала, что отрицательно влияет на его прочностные характеристики. Особенно это имеет сильный эффект на пустотелых валах с отношением внутреннего и наружного радиусов 0,6. Изготовление шпоночных пазов в таких условиях является неприемлемым.
• Форма паза отличается резкими переходами, что служит причиной образования концентраторов напряжения. Все это заметно снижает устойчивость соединения к циклическим нагрузкам.
• Достаточно низкая технологичность.

Несмотря на все вышеуказанные недочеты шпонки все равно активно применяются в отраслях машиностроения из-за упрощенной конструкции и низкой стоимости. Но на массовом и крупносерийном производстве высоко ответственных деталей шпонки уступили более совершенным во всех планах шлицевым соединениям.

Виды шпонок

Современное производство предоставляет свыше 20 наименований разного рода.. Но среди них выделяют следующие наиболее применяемые типы в машиностроении:

• Клиновые – используются на концевых установках и являются разновидностью забивных шпонок. Такое шпоночное соединение применяют при диаметре вала от 100 мм. В настоящее время встречаются крайне редко. Причина этого кроется в высокой вероятности перетяжки узла и смещении соосности ступицы и вала под воздействием одностороннего усилия. А также затрудненное извлечение шпонок.
• Призматические. Размеры паза регулируются ГОСТ 23360-78. Они наиболее востребованы в промышленности из-за оптимального соотношения прочности и технологичности. Существует две их разновидности: врезные и закладные. Врезные шпонки устанавливаются с натягом, а закладные с небольшим зазором.
• Направляющие шпонки. От призматических их отличает наличие отверстий под крепеж на валу. Помимо передачи вращения они служат элементом для направления деталей.
• Сегментные шпонки выделяются среди остальных повышенной технологичностью вырезания пазов. Пазы изготавливают с помощью дисковых фрез, что обеспечивает им большее значение точности и производительности. Крепеж шпонок на валах также отличается более высокой устойчивостью из-за более глубокого врезания в их поверхность. Однако одновременно все эти достоинства являются причиной существенного ослабления вала. Это обстоятельство наряду с небольшой длиной паза приводит к появлению повышенных напряжений, которые и ограничивают использование шпонок малонагруженными изделиями.

Стоит отметить, что шпоночные пазы изготавливаются методом фрезерования, долбления протяжки. Наиболее распространено их получение пальчиковой фрезой, поскольку этот способ обеспечивает относительно благоприятное распределение напряжение и приемлемую технологичность.

Материал

Для шпонок наиболее подходят стали с содержанием углерода свыше 0,4%. Именно такой состав обеспечивает необходимое значение износостойкости, прочности и твердости. Сюда относятся конструкционные стали марок 45 и 50, а также сталь обыкновенного качества Ст.6.

Применение более дорогих аналогов стальных сплавов не имеет смысла, поскольку повышенная жесткость шпонки увеличивает вероятности пазов валов и ступицы. Для улучшения условий передачи вращения куда выгодней воспользоваться другими более оптимальными.

Маркировка

Обозначение шпоночного крепления вала на ступице покажем на примерах. Шпонка призматическая с шириной 18 мм, высотой 11 мм и длиной 50 мм маркируется:

Шпонка 18х11х50 ГОСТ 8789-68

Стоит заметить, что посадочные размеры пазов отличаются. Их значения находятся в соответствующих стандартах шпоночных соединений.

Таблица 1. Размеры и предельные отклонения призматических шпонок и шпоночных пазов по ГОСТ 23360-78.