Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Стяжные (зажимные) втулки и конические соединения — это бесшпоночные соединения вала и ступицы, в которых крутящий момент передаётся силами трения, возникающими на сопряжённых поверхностях за счёт радиального давления. Радиальное давление создаётся затяжкой осевых винтов или гайки, при этом конусная пара преобразует осевое усилие в нормальное давление по цилиндрической поверхности контакта вал – втулка – ступица. К этой группе относятся конические стяжные втулки (для шкивов, звёздочек, муфт), внутренние зажимные кольца (locking assemblies), наружные стяжные шайбы (shrink discs) и прямые конические соединения «вал – ступица» с осевой затяжкой. Ниже разобраны принцип фрикционного зажима, типы устройств, формула передаваемого момента с примером расчёта, порядок монтажа и затяжки, сравнение со шпоночным соединением и типичные ошибки.
В соединении с зажимной втулкой нет шпоночного паза. Момент и осевая сила передаются исключительно за счёт трения на цилиндрической поверхности контакта вала и внутренней поверхности втулки (или зажимного кольца). Контактное давление создаётся радиальной деформацией втулки, которая, в свою очередь, появляется за счёт осевого втягивания конического элемента в коническую ответную поверхность.
Осевая сила затяжки винтов через конус превращается в радиальное давление на валу — это и есть тот «фрикционный натяг», который удерживает ступицу.
Соединение конструктивно бесшпоночное и беззазорное. Передача момента распределена по всей цилиндрической поверхности контакта, а не сконцентрирована в одной плоскости, как в случае шпонки. Это снижает локальные напряжения, упрощает реверсивную и динамическую работу узла и позволяет позиционировать ступицу под произвольным углом без привязки к пазу.
Разрезная втулка с конической наружной поверхностью устанавливается в коническую расточку ступицы (шкива, звёздочки, муфты, барабана). Винты, расположенные параллельно оси, втягивают втулку в ступицу. Конус преобразует осевую силу в радиальное давление, и втулка плотно обжимает вал. Соединение быстросъёмное и не требует обработки вала под шпоночный паз, обеспечивает беззазорную фиксацию и осевое позиционирование.
Аналогом по принципу действия являются втулки с обратной коничностью, у которых наружный конус ступицы сходится в противоположную сторону, а съём втулки выполняется через те же винты, переставленные в съёмные резьбовые отверстия.
Устройство устанавливается в кольцевом зазоре между валом и ступицей. Состоит из пары конических колец (или нескольких пар) и пакета осевых винтов. При затяжке кольца смещаются друг относительно друга по конусам, внутреннее распирается на валу, наружное расширяется в ступице. Передаваемый момент пропорционален числу и сечению винтов, длине контакта и достигаемому радиальному давлению. Применяется на ответственных передачах: редукторы, конвейеры, прокатное оборудование, насосы, мешалки.
Сборка устанавливается снаружи ступицы. Затяжка винтов сжимает ступицу по конусной паре, передавая радиальное давление через стенку ступицы на вал. Применяется там, где зазор между валом и ступицей недоступен или нежелателен (например, на тонкостенных полых валах больших диаметров — приводы конвейеров, барабаны).
Сама посадочная поверхность вала и ступицы выполнена конической, без промежуточной втулки. Затяжка осевой гайкой или осевыми винтами через торцовую шайбу создаёт натяг, который удерживает ступицу. Применение — концы валов электродвигателей, насосов, компрессоров, гребные винты, муфты упругой компенсации.
В коническом соединении посадочные поверхности выполнены под одинаковой нормальной конусностью. Натяг и центрирование обеспечиваются геометрией конуса, а не натягом цилиндрической посадки.
Конусное соединение центрирует ступицу автоматически — это его главное преимущество перед цилиндрической посадкой с натягом.
Нормальные конусности для гладких конических элементов деталей машиностроения устанавливает ГОСТ Р 53440-2009 (ИСО 1119:1998) «Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Нормальные конусности и углы конусов». Стандарт распространяется на ряды нормальных конусностей от 1:0,289 до 1:500 и углов конусов от 0,114° до 120°. Ряд 1 предпочтителен для применения. В таблице ниже — наиболее употребимые на практике значения.
Для специальных конусов и быстросменных оправок действуют отдельные стандарты — например, ГОСТ 15945-82 «Конусы внутренние и наружные конусностью 7:24. Размеры» и ГОСТ 19860-93 «Конусы внутренние и наружные конусностью 7:24. Допуски». Конусы Морзе как метрическое исполнение конусов инструмента регламентируются ГОСТ 25557-2016 «Конусы инструментальные. Основные размеры» (модификация ISO 296:1991).
В первом приближении передаваемый зажимной втулкой или зажимным кольцом крутящий момент определяется через площадь цилиндрического контакта, контактное давление и коэффициент трения. Базовое соотношение получается интегрированием элементарного момента сил трения по окружности и длине контакта:
T = (π · d² · L · p · μ) / 2
где:
T — передаваемый крутящий момент, Н·м; d — диаметр контакта вал – втулка (внутренний диаметр втулки), м; L — длина цилиндрического контакта, м; p — контактное давление на поверхности вал – втулка, Па; μ — коэффициент трения покоя на сопрягаемой поверхности (зависит от материалов и состояния поверхностей).
T
d
L
p
μ
Эту формулу применяют как к расчёту цилиндрической прессовой посадки, так и к расчёту фрикционного зажима через втулку — в обоих случаях передача момента ведётся через одно и то же фрикционное звено: сухой контакт сталь – сталь / сталь – чугун.
При параллельной передаче осевой силы Fax вместе с моментом проверяют по эквиваленту:
Fax
√[ (2·T / d)² + Fax² ] ≤ μ · π · d · L · p
Левая часть — суммарная касательная нагрузка на поверхности, правая — максимально удерживаемая сила трения. Соотношение должно выполняться с расчётным запасом.
Реальное контактное давление p зависит от усилия затяжки винтов и геометрии конусной пары. Для каждого типоразмера серийной зажимной втулки или кольца производитель указывает в каталожной таблице номинальные значения: момент затяжки винтов, рабочее радиальное давление, максимальный передаваемый момент и осевую силу. В практическом проектировании ориентируются на эти каталожные значения с учётом запаса по моменту.
Внутреннее зажимное кольцо посажено на вал диаметром d = 60 мм = 0,060 м с длиной контакта L = 50 мм = 0,050 м. Достигнутое контактное давление по результатам затяжки p = 100 МПа = 100·106 Па. Коэффициент трения сухой сталь – сталь принят μ = 0,12.
Подстановка: T = (π · 0,060² · 0,050 · 100·106 · 0,12) / 2 ≈ 3 393 Н·м ≈ 3,4 кН·м.
T = (π · 0,060² · 0,050 · 100·106 · 0,12) / 2 ≈ 3 393 Н·м ≈ 3,4 кН·м.
Это ориентировочное предельное значение; рабочий момент берут с коэффициентом запаса 1,5–2,5 в зависимости от характера нагрузки (стационарная, реверсивная, ударная).
Монтаж фрикционного зажимного соединения — критическая операция. Передаваемый момент непосредственно зависит от достигнутого контактного давления, а оно — от правильной последовательности и величины затяжки винтов.
Затяжка только нескольких винтов «по диагонали» с пропуском остальных недопустима. Радиальное давление распределяется неравномерно, ступица перекашивается, передаваемый момент снижается. Все винты затягивают до одного и того же номинального момента в каждом проходе.
Возможность многократного безповреждного демонтажа — одно из главных преимуществ зажимных соединений по сравнению с цилиндрической прессовой посадкой.
Призматические шпонки нормируются по ГОСТ 23360-78 (в международной практике — DIN 6885). При прочих равных бесшпоночное фрикционное соединение во многих эксплуатационных аспектах превосходит шпоночное.
Главный технический выигрыш бесшпоночного соединения — отсутствие шпоночного паза как концентратора напряжений и беззазорное соединение, важное при реверсивной и динамической работе.
Разрезная коническая втулка установлена в коническую расточку ступицы. Осевые винты при затяжке втягивают втулку в ступицу, конус преобразует осевую силу в радиальное давление, втулка обжимает вал. Крутящий момент и осевая сила передаются исключительно за счёт трения по цилиндрической поверхности контакта вал – втулка – ступица.
Нет шпоночного паза на валу, поэтому отсутствует концентратор напряжений и сохраняется полное расчётное сечение. Соединение беззазорное, что важно при реверсивной и ударной работе. Позиционирование ступицы под произвольным углом возможно без привязки к пазу. Допускается многократный демонтаж и сборка без повреждения посадочных поверхностей. Параллельно с моментом передаётся осевая сила.
Стяжная коническая втулка устанавливается между валом и ступицей и сама становится частью ступицы (например, в шкивах и звёздочках, рассчитанных под коническую расточку). Зажимное кольцо — отдельный комплект из конических колец и винтов, устанавливаемый в зазор между валом и существующей цилиндрической ступицей. Принцип преобразования осевого усилия в радиальное давление одинаков; различаются геометрия и характер интеграции с узлом.
На территории Российской Федерации нормальные конусности устанавливает ГОСТ Р 53440-2009 (модификация ИСО 1119:1998). Для соединений «вал – ступица» с осевой затяжкой типичны пологие конусности 1:10, 1:12, 1:15, 1:20; для самотормозящих соединений — 1:5 и 1:10. Шпиндельные узлы металлорежущих станков выполнены на конусности 7:24 по отдельному стандарту.
В первом приближении T = (π · d² · L · p · μ) / 2, где d — диаметр контакта, L — длина контакта, p — контактное давление, μ — коэффициент трения. Контактное давление зависит от усилия затяжки винтов и геометрии конуса; для серийных зажимных втулок и колец оно определяется по каталогу производителя. Расчётный момент берут с коэффициентом запаса 1,5–2,5 в зависимости от характера нагрузки.
Для сухой контактной пары сталь – сталь без смазки в инженерных расчётах принимают μ около 0,12; для пары сталь – чугун значение близко. При наличии остатков консервационной смазки или ингибиторов коэффициент падает до 0,06–0,08, что вдвое снижает передаваемый момент. Поэтому перед сборкой посадочные поверхности обезжиривают.
Только крест-накрест, равномерно по всем винтам, в несколько проходов: сначала до контакта, затем последовательно поднимая момент. Финальное значение — по технической документации для конкретного типоразмера. После достижения номинала делают контрольный проход по всем винтам: момент часто снижается на 5–10 %, и винты дотягивают.
Рабочие поверхности контакта (наружный диаметр вала, внутренний диаметр втулки) — нет. Их обезжиривают. Резьбу винтов производитель часто рекомендует смазывать лёгким маслом (или оставлять сухой — в зависимости от того, какой момент затяжки приведён в его каталоге — для смазанной или сухой резьбы). Эти указания нужно соблюдать строго: разный коэффициент трения резьбы даёт разные значения момента затяжки.
Да, при правильном демонтаже. Большинство стяжных втулок и зажимных колец имеют отдельные резьбовые отверстия для съёма: в них переставляют те же винты, которыми проводилась затяжка, и винты, упираясь в торец, выпрессовывают коническую часть. После раскрытия конуса ступица свободно сходит с вала. Многократный демонтаж и сборка без повреждений — одно из ключевых преимуществ перед прессовой посадкой.
Да. Зажим работает по принципу трения, поэтому удерживает как тангенциальную (момент), так и осевую составляющую нагрузки. При расчёте суммарную касательную нагрузку проверяют по эквиваленту: √[(2T/d)² + Fax²] не должна превышать допустимое усилие трения. В чистом виде шпоночное соединение осевую силу не воспринимает.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.