Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Шпонка — стандартизированная деталь машин, устанавливаемая между валом и насаженной на него деталью (ступицей, шкивом, зубчатым колесом) для передачи крутящего момента. Без шпоночного соединения невозможно надёжно зафиксировать вращающиеся детали в большинстве редукторов, электродвигателей и приводных механизмов. В статье рассмотрены виды шпонок, принцип работы, методы расчёта и правила выбора по диаметру вала.
Шпонка — металлическая вставка, укладываемая в пазы, выполненные одновременно на валу и в отверстии охватывающей детали. Именно через эту вставку передаётся крутящий момент от ведущего элемента к ведомому. Соединение относится к разъёмным: при необходимости деталь снимается без разрушения узла.
Шпоночный паз на валу фрезеруется концевой или дисковой фрезой; паз в ступице изготавливают долблением или протягиванием. Точность изготовления пазов напрямую определяет качество посадки и ресурс соединения.
Основной нормативный документ, регламентирующий размеры и допуски призматических шпонок, — ГОСТ 23360-78 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шпоночные с призматическими шпонками» (с Изменениями №1 и №2, межгосударственный стандарт). Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 189-79 и рекомендации ИСО/Р 773-69.
При вращении вала шпонка испытывает срез по плоскости, проходящей через ось вала, и смятие боковых граней. Смятие является основным расчётным критерием работоспособности: боковые грани несут нагрузку, равномерно распределённую по рабочей длине.
Соединение передаёт момент за счёт сил нормального давления между боковой гранью шпонки и стенкой паза. Верхняя грань призматической шпонки не нагружена — между ней и дном паза ступицы оставляется конструктивный зазор.
Расчётная формула на смятие: σсм = 2Mкр / (d · lр · h), где Mкр — крутящий момент (Н·мм), d — диаметр вала (мм), lр — рабочая длина шпонки (мм), h — высота шпонки (мм). Допускаемые напряжения смятия при постоянной нагрузке: для стальных ступиц [σсм] = 100–150 МПа, для чугунных ступиц — 50–70 МПа.
Расчёт на срез: τср = 2Mкр / (d · lр · b), где b — ширина шпонки. Допускаемое напряжение среза для шпонок из стали 45: [τср] = 60–90 МПа. На практике смятие оказывается критичнее среза в 2–3 раза, поэтому расчёт ведут преимущественно по смятию.
Наиболее распространённый тип в общем машиностроении. Имеет прямоугольное поперечное сечение с параллельными боковыми гранями. По ГОСТ 23360-78 выпускается в трёх исполнениях:
Ширина b и высота h выбираются по диаметру вала из таблицы ГОСТ 23360-78. Длина выбирается из стандартного 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.
Таблица составлена по ГОСТ 23360-78, Таблица 2. Предельные отклонения t1: +0,2 мм для b от 8 до 18 мм; +0,3 мм для b от 20 мм и выше. Предельные отклонения t2: +0,1 мм для b до 6 мм; +0,2 мм для b от 8 до 18 мм; +0,3 мм для b от 20 мм.
Имеет форму сегмента диска (Woodruff key по ISO 3912-77, на который основан ГОСТ 24071-97). Паз на валу фрезеруется дисковой фрезой на значительную глубину, поэтому сегментная шпонка хорошо самоцентрируется в пазу и не требует точной подгонки по длине. Самоустанавливается при монтаже.
Основной недостаток — глубокий паз ослабляет вал. По этой причине сегментные шпонки применяют преимущественно на маломощных передачах и конических концах валов. Типичные примеры применения: хвостовики режущего инструмента, приводные валики небольших редукторов и насосов.
Имеет уклон верхней грани 1:100. При забивке создаёт осевое натяжение и фиксирует деталь одновременно от проворота и осевого смещения. Момент передаётся через боковые грани и через трение верхней и нижней плоскостей.
Недостаток — клиновая шпонка смещает ступицу относительно оси вала, вызывая радиальное биение. Это ограничивает её применение в точных механизмах. Область использования — тихоходные передачи, приводы сельскохозяйственных и подъёмно-транспортных машин.
Состоит из двух клиньев с уклоном 1:100, устанавливаемых навстречу друг другу. При использовании двух пар их располагают под углом 120° друг к другу для обеспечения симметричного нагружения вала. Высокая несущая способность при знакопеременных нагрузках на валах значительного диаметра.
Применяется в приводах прокатных станов, крупных компрессоров и горнодобывающего оборудования, где знакопеременная нагрузка и значительный момент исключают применение призматических шпонок.
Паз на валу обрабатывают концевой фрезой (закрытый паз, исполнение 3/AB) или дисковой фрезой (открытый паз, исполнение 1/A). Паз в ступице выполняют долблением на долбёжном станке или протягиванием при серийном производстве. Протягивание обеспечивает допуск по ширине IT8–IT9 при высокой производительности.
Поле допуска на ширину шпонки b — h9, на высоту h — h11 (h9 для шпонок высотой до 6 мм), на длину l — h14. Шероховатость боковых граней шпонки и пазов: Ra не хуже 3,2 мкм (для b до 50 мм, квалитет IT9); шероховатость дна паза — Ra не хуже 6,3 мкм — согласно Приложению 2 ГОСТ 23360-78.
Шпонка остаётся одним из наиболее простых и надёжных способов передачи крутящего момента в машиностроении. Выбор типа — призматическая (ГОСТ 23360-78), сегментная (ГОСТ 24071-97), клиновая (ГОСТ 24068-80) или тангенциальная (ГОСТ 24069-80) — определяется диаметром вала, величиной и характером нагружения, требованиями к точности. Правильный расчёт по формуле σсм = 2Mкр/(d·lр·h), корректный учёт исполнения шпонки при определении рабочей длины lр и грамотный выбор посадки по ГОСТ 23360-78 обеспечивают долговечность и безотказность узла в реальных условиях эксплуатации.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.