Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Призматическая и сегментная шпонка — две основные разновидности ненапряжённых шпоночных соединений по классификации деталей машин. Призматическая шпонка имеет прямоугольное сечение и устанавливается в продольный паз вала; она работает как универсальное решение для передачи крутящего момента в широком диапазоне нагрузок и регламентируется ГОСТ 23360-78. Сегментная шпонка представляет собой сегмент диска, устанавливается в полукруглый паз вала, самоустанавливается по углу относительно ступицы и применяется на коротких ступицах, на концах валов и для малых моментов — её размеры регламентирует ГОСТ 24071-97 (ИСО 3912-77).
Ниже разобраны геометрия и пазы обеих шпонок, передаваемый момент и условия прочности, технологичность изготовления, эффект самоустановки сегментной шпонки, типичные ошибки и алгоритм выбора между призматической и сегментной шпонкой.
Шпоночное соединение — это разъёмное соединение вала и ступицы, в котором передача крутящего момента осуществляется через промежуточную деталь — шпонку, устанавливаемую частично в паз вала и частично в паз ступицы. Шпонка работает как сдвиговая связь: момент с вала передаётся на грань шпонки, далее через её боковую грань на грань паза ступицы.
Шпонки делят на две большие группы:
Призматическая и сегментная шпонки относятся к ненапряжённым соединениям и передают момент по двум противолежащим боковым граням, работая на смятие, а сечение по плоскости разъёма вал-ступица работает на срез.
Главное общее свойство ненапряжённой шпонки: она передаёт момент сдвигом, не создавая радиального натяга. Главное конструктивное различие двух видов — форма шпонки и форма паза вала.
Призматическая шпонка имеет форму прямоугольного бруска с шириной b и высотой h. Длина L выбирается из стандартного ряда по ГОСТ 23360-78. Стандарт распространяется на шпоночные соединения с призматическими шпонками общего применения и устанавливает размеры шпонок, сечений пазов, допуски и посадки. Он полностью соответствует СТ СЭВ 189-79 и рекомендации ИСО/Р 773-69 (по содержанию близок к современному ISO 773 и DIN 6885-1).
По ГОСТ 23360-78 призматические шпонки изготавливают в трёх исполнениях:
Сечения шпонок стандартизированы для диаметра вала; типовые типоразмеры — от 2×2 мм для тонких валов до 100×50 мм для крупных. Длины шпонок выбираются 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. Длины свыше 500 мм выбирают из ряда Ra20.
По ГОСТ 23360-78 материалом служит чистотянутая сталь для шпонок по ГОСТ 8787-68; допускается применять другую сталь с временным сопротивлением разрыву не менее 590 МПа (60 кгс/мм²). Распространённые марки — сталь 45, сталь 50, сталь 40Х в нормализованном или улучшенном состоянии.
Шпонка 18×11×100 ГОСТ 23360-78
Шпонка 2 – 18×11×100 ГОСТ 23360-78
Помимо обыкновенных призматических шпонок по ГОСТ 23360-78 в машиностроении применяют:
Сегментная шпонка (английское название — Woodruff key, по имени американского изобретателя) представляет собой плоский элемент в форме сегмента диска: со стороны паза вала — полукруглая дуга, со стороны ступицы — прямая верхняя грань. Паз вала под сегментную шпонку также имеет форму сегмента, фрезеруется дисковой фрезой, и шпонка свободно укладывается в него, причём может слегка поворачиваться вокруг центра дуги.
Действующий стандарт — ГОСТ 24071-97 (ИСО 3912-77) «Основные нормы взаимозаменяемости. Сегментные шпонки и шпоночные пазы». Он представляет собой полный аутентичный текст ИСО 3912-77 с дополнительными требованиями.
Сегментная шпонка характеризуется тремя основными размерами: шириной b, высотой h1 и диаметром D (диаметром дуги). Типовые сечения — от мелких типоразмеров на тонких валах диаметром от единиц миллиметров до значений порядка 10×16 мм для нормальной формы. По ГОСТ 24071-97 в таблице 3 даны две серии взаимосвязи между диаметром вала и размером шпонки:
Шпонка 5×6,5 ГОСТ 24071-97
По ГОСТ 24071-97 материал шпонок — чистотянутая сталь для сегментных шпонок по ГОСТ 8786-68 или сталь с эквивалентными механическими свойствами.
В ступице под обе шпонки фрезеруют (или протягивают) прямоугольный продольный паз с расчётной глубиной t2. По верху шпонки и дну паза ступицы оставляют зазор; рабочими являются только боковые поверхности контакта.
По ГОСТ 23360-78 для соединения предусмотрены три типа посадок шпонки в паз вала и втулки:
Поле допуска на ширину шпонки — h9, на высоту — h11 (h9 для высот до 6 мм), на длину — h14.
В ГОСТ 24071-97 для сегментных шпонок установлены аналогичные посадки по ширине b: свободное (паз вала H9, паз втулки D10), нормальное (паз вала N9, паз втулки Js9), плотное (паз вала P9, паз втулки P9).
Обе шпонки работают по двум критериям:
Сегментная шпонка ограничена по длине размером своей дуги — она существенно короче призматической. Сечение по разъёму также узкое. Поэтому передаваемый момент сегментной шпонкой ниже при том же диаметре вала.
Цифровые значения допускаемых напряжений [σсм] и [τср] зависят от материала ступицы и характера нагрузки (статическая, пульсирующая, реверсивная) и приводятся в справочниках по деталям машин (Анурьев, Дунаев — Леликов и аналоги). При проектировании используются значения из конкретного учебника или нормативной документации предприятия.
Технология обработки пазов — один из главных практических факторов выбора.
Паз фрезеруется одной дисковой фрезой, диаметр которой равен диаметру шпонки. Фреза опускается в вал вертикально, без продольной подачи. Это самая простая и быстрая операция изготовления шпоночного паза.
По технологичности сегментная шпонка выигрывает: один проход дисковой фрезой, паз получается с малым числом установок и без необходимости в продольной подаче.
Это важное конструктивное свойство сегментной шпонки. В пазу вала шпонка опирается на полукруглое дно и может слегка проворачиваться вокруг центра дуги. Благодаря этому:
Это особенно ценно для соединений на коротких конических концах валов, на хвостовиках инструмента, на роликах и шкивах с короткими ступицами. Поэтому сегментная шпонка часто применяется именно на коническом конце вала, где монтаж призматической шпонки потребовал бы дополнительной подгонки.
Обратная сторона глубокого паза сегментной шпонки — существенное ослабление сечения вала. Поэтому сегментные шпонки применяют преимущественно на участках, не испытывающих изгиба, или при малых передаваемых моментах. На участках с одновременным изгибом и кручением призматическая шпонка предпочтительнее, так как её паз заметно мельче.
Призматическая — универсальное решение для большинства ответственных соединений: длинная ступица, средние и большие моменты, возможен изгиб вала в зоне паза. Сегментная — для коротких ступиц, конических хвостовиков, инструментальных соединений, ненагружаемых изгибом участков и при ограниченных моментах. Призматическая стандартизована ГОСТ 23360-78, сегментная — ГОСТ 24071-97 (ИСО 3912-77).
Формой и пазом. Призматическая — прямоугольный брусок в продольном пазу вала; сегментная — сегмент диска в сегментном пазу. Призматическая работает на бóльшей длине и передаёт бóльший момент; сегментная имеет фиксированный размер по дуге и заглубляется в вал глубже, ослабляя его сечение, но самоустанавливается по углу и проще в изготовлении паза.
На коротких ступицах, концах валов, конических хвостовиках, в инструментальных соединениях, на маховичках и рукоятках управления, на ступенчатых валах вблизи заплечиков. Сегментная шпонка удобна, когда длины ступицы не хватает для размещения призматической, либо когда нужна самоустановка при сборке. ГОСТ 24071-97 серия 2 — для неответственных соединений с малыми моментами.
Из-за глубокого паза. Чтобы вместить сегментный профиль шпонки, паз фрезеруют на значительную глубину в тело вала. В этом сечении момент сопротивления изгибу падает значительно сильнее, чем у мелкого паза призматической шпонки. Поэтому сегментные шпонки нежелательны на участках, нагруженных изгибом одновременно с кручением.
На смятие боковых рабочих граней (основной критерий) и на срез сечения по плоскости разъёма вал-ступица (проверочный). Для ненапряжённых шпонок смятие почти всегда оказывается определяющим. Допускаемые напряжения [σсм] и [τср] выбираются по материалу ступицы и характеру нагрузки из справочников по деталям машин (Анурьев, Дунаев — Леликов и аналогичные).
По ГОСТ 23360-78 для призматических шпонок и по ГОСТ 24071-97 для сегментных предусмотрены три типа: свободное соединение (паз вала H9, паз втулки D10) — для подвижных и направляющих шпонок; нормальное (паз вала N9, паз втулки Js9) — стандартное массовое применение; плотное (паз вала P9, паз втулки P9) — для реверсивных нагрузок и точных передач. Поле допуска на ширину шпонки — h9.
По ГОСТ 23360-78 — чистотянутую сталь по ГОСТ 8787-68 либо другую сталь с временным сопротивлением разрыву не менее 590 МПа (60 кгс/мм²). По ГОСТ 24071-97 — чистотянутую сталь по ГОСТ 8786-68 или сталь с эквивалентными механическими свойствами. Распространённые марки — сталь 45, 50, 40Х в нормализованном или улучшенном состоянии.
Технически возможно — две сегментные шпонки в общем пазу или в двух разнесённых по длине вала пазах. Но при этом нагрузка распределяется неравномерно из-за люфтов и зазоров, эффективно работает преимущественно одна. Решение принимается на основании расчёта и учитывается коэффициентом, понижающим вклад второй шпонки. В большинстве случаев предпочтительнее перейти на призматическую шпонку увеличенной длины.
Призматическая обыкновенная — ГОСТ 23360-78 (с изменениями № 1 и № 2). Призматическая высокая — ГОСТ 10748-79. Призматическая направляющая с креплением на валу — ГОСТ 8790-79. Сегментная — ГОСТ 24071-97 (ИСО 3912-77). Тангенциальные шпонки — ГОСТ 24069-97 и ГОСТ 24070-80. Клиновые — ГОСТ 24068-80.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.