Шпоночный паз

Шпоночный материал предназначен для передачи крутящего момента с одной детали на другую. Препятствует вращению одной детали относительно другой. В зависимости от диаметра вала, на которые подгоняется шпонка, будет меняться её ширина и высота, а на валу – глубина шпоночного паза.
Шпоночные пазы на валу делают на фрезерном станке, а на другой детали, которая садится на вал (зубчатое колесо, втулка, полумуфта, муфта и т.д.) на долбежном станке (смотрите видео). Также возможно изготовление шпоночного паза на токарном станке (смотрите видео).

Существует несколько видов шпонок: призматические, клиновые, сегментные, цилиндрические и тангенциальные. Они могут быть как открытого, так и закрытого типа. Все они изготавливаются согласно стандартам ГОСТ, которые устанавливают размеры и предельные отклонение шпоночных пазов и шпонок:

ГОСТ 24071-97 – сегментные шпоночные пазы и шпонки;

ГОСТ 24068-80 – клиновые шпоночные пазы и шпонки;

ГОСТ 23360-78 – призматические шпоночные пазы и шпонки;

ГОСТ 10748-79 – призматические высокие шпоночные пазы и шпонки;

ГОСТ 24069-80 – тангенциальные нормальные шпоночные пазы и шпонки;

ГОСТ 12207-79 – цилиндрические шпоночные пазы и шпонки;

ГОСТ 8790-79 – призматические шпоночные пазы и шпонки с креплением на валу.

Материалом для шпонок могут служить различные сорта стали, чаще всего это углеродистые стали (Ст45, Ст60). Одним из главных условий, предъявляемых к шпонкам, является симметричность всех её боковых стенок, а также недопустима подгонка шпонки с заусеницами и забоинами.

Одним из главных плюсов шпонки является простота конструкции, надёжность и небольшая стоимость. Сборка такого рода соединения не занимает много времени.

Ниже вы можете ознакомится с таблицами размеров и предельных отклонение шпоночных пазов и шпонок.

1 Назначение

Настоящий стандарт устанавливает размеры и предельные отклонения размеров сегментных шпонок и соответствующих им шпоночных пазов на валу и во втулке, а также устанавливает зависимость между диаметром вала и сечением шпонки, возникающую при передаче крутящего момента и фиксации положения.

Дополнительные требования, отражающие потребности народного хозяйства, приведены в приложениях А, Б, В и Г.

Требования настоящего стандарта и приложения А являются обязательными.

Подготовительный этап

Втулка устанавливается в трехкулачковый патрон. Перед выполнением долбления необходимо сначала подготовить ее внутреннюю и наружную фаску расточным резцом. Они делаются только с той стороны, с которой будет входить долбежный инструмент. Это простейший процесс знакомый даже токарю любителю, потому не требует отдельного рассмотрения.

После подготовки фасок на станке нужно поставить минимальную скорость, чтобы предотвратить прокручивание шпинделя. У многих станков кулачковый патрон может под нагрузкой давать люфт, поэтому в этом случае необходимо поставить распорку. Для этого под него ставится подходящий по высоте болт с гайкой. При ее выкручивании длина упора увеличивается, поэтому он плотно прижимается к патрону, тем самым убирая качение.

Долбежный резец слегка зажимается в резцедержателе. Он выставляет по центру втулки, после чего необходимо провести точную регулировку. Для этого он заводится во втулку, двигаясь продольно с суппортом по салазкам. Получаемая в результате царапина должна идти вдоль отверстия втулки от одного края до второго. В порезанной линии не должно оставаться участка без царапины. Если он есть, то это говорить о наличии перекоса. Когда резец выставлен правильно, его нужно очень крепко зажать, поскольку нагрузка при долблении намного выше, чем при выполнении стандартных токарных работ.

Призматическая шпонка

Изготовлены по стандартам DIN 6885, ГОСТ 23360-79. Материал изготовления – сталь. Для шпонок DIN 6885 используется сталь марок А2 или А4, покрытая цинком для уменьшения коррозии. Особенностью геометрии являются взаимопараллельные грани деталей. Торцы могут быть плоскими и с закруглением.

Момент силы передается для вращения вала плоскими сторонами детали. Соединение – подвижное или неподвижное ненапряженное. Происходит за счет вхождения шпонки в ступицу с зазором. Если одной детали недостаточно, чтобы провернуть вал, можно одновременно устанавливать несколько.

Размеры шпоночного материала выбирают в соответствии с параметрами вала. По длине он должен быть на 0,5 – 1 см короче ступицы. При установке проверяется деформация на смятие.

Шпоночные соединения

Служат для передачи крутящего момента от вала к ступице или наоборот.
Наибольшее распространение получили ненапряженные шпоночные соединения, в которых окружное усилие воспринимается боковыми поверхностями шпонок

Призматические и сегментные шпонки стандартизованы и подбираются по таблицам ГОСТ в зависимости от диаметра вала. Длина шпонок рассчитывается. Материал шпонок — Сталь 45, Сталь 50, для призматических шпонок — чистотянутая по профилю. Как правило, применяют лишь одну шпонку вследствие трудности пригонки нескольких (не более двух)

Расчет ненапряженных шпоночных соединений

Для упрощения расчета предполагается равномерная эпюра распределения нагрузок на боковую поверхность шпонки (хотя в действительности она неравномерна).
Шпонки рассчитываются на смятие и срез от действующего по диаметру вала окружного усилия

где h, b, l — высота, ширина и длина шпонки;

[σ]см, [τ] — допускаемые напряжения смятия и среза

Длина шпонки выбирается по более опасному напряженному состоянию

Соединения шпоночные с призматическими шпонками по ГОСТ 23360

Основные размеры шпонок и сечений пазов

Диаметр вала d, мм Ширина шпонки b Высота шпонки h Радиус закругления или фаска Sх45° Глубина паза вала t1 Глубина паза ступицы t2
св. 12 до 17 5 5 0,16 — 0,25 3,0 2,3
св. 17 до 22 6 6 0,16 — 0,25 3,5 2,8
св. 22 до 30 8 7 0,16 — 0,25 4,0 3,3
св. 30 до 38 10 8 0,25 — 0,4 5,0 3,3
св. 38 до 44 12 8 0,25 — 0,4 5,0 3,3
св. 44 до 50 14 9 0,25 — 0,4 5,5 3,8
св. 50 до 58 16 10 0,25 — 0,4 6,0 4,3
св. 58 до 65 18 11 0,25 — 0,4 7,0 4,4
св.65 до 75 20 12 0,4 — 0,6 7,5 4,9
св. 75 до 85 22 14 0,4 — 0,6 9,0 5,4
св. 85 до 95 25 14 0,4 — 0,6 9,0 5,4
св. 95 до 110 28 16 0,4 — 0,6 10,0 6,4
св. 119 до 130 32 18 0,4 — 0,6 11,0 7,4

Ряд длин шпонок: 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

Пример условного обозначения шпонки исполнения 1 по ГОСТ 23360-78 b = 18мм, h = 11мм, l = 70мм:
Шпонка 18×11×70 ГОСТ 23360-78
То же, исполнение 2:
Шпонка 2-18×11×70 ГОСТ 23360-78

Соединения шпоночные с сегментными шпонками по ГОСТ 24071

Диаметр вала d, мм Сечение шпонки bxhxD Длина шпонки l Глубина паза вала t1 Глубина паза ступицы t2 r или Sх45° r1 или S1х45°
св. 12 до 14 4х6; 5х16 15,7 5,0 1,8 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св.14 до 16 4х7; 5х19 18,6 6,0 1,8 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св. 16 до 18 5х6; 5х16 15,7 4,5 2,3 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св. 18 до 20 5х7; 5х19 18,6 5,5 2,3 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св. 20 до 22 5х9х22 21,6 7,0 2,3 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св. 22 до 25 6х9х22 21,6 6,5 2,8 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св. 25 до 28 6х10х25 24,6 7,5 2,8 0,25 — 0,4 0,16 — 0,25
св. 28 до 32 8х11х28 27,3 8,0 3,3 0,4 — 0,6 0,25 — 0,4
св. 32 до 38 10х13х32 31,4 10,0 3,3 0,4 — 0,6 0,25 — 0,4
св. 38 до 44 12х19х65 59,1 16,0 3,3 0,4 — 0,6 0,25 — 0,4

Пример условного обозначения шпонки исполнения 1 по ГОСТ 24071-80 сечением b × h = 5 × 6,5 мм :
Шпонка 5×6,5 ГОСТ 24071-80
То же, исполнения 2 сечением b х h1 = 5 х 5,2 мм
Шпонка 2-5×5,2 ГОСТ 24071-80

Что такое клиновидная шпонка?

Клиновидная шпонка — деталь в форме клина для соединения вала с одеваемой на него втулкой. Имеет прямоугольную форму с параллельными боковыми гранями. Верхняя грань имеет уклон 1:100, нижняя грань без уклона. Также с уклоном 1:100 выполнена ответная плоскость паза для шпонки на втулке.

В соответствии с нормативными документами клиновидные шпонки могут изготавливаться с головкой или без. Головка обеспечивает удобную запрессовку шпонки и облегчает ее извлечение. Клиновое шпоночное соединение является напряженным. Рабочими являются верхняя и нижняя поверхности, которые плотно сжаты между ответными поверхностями на валу и втулке. Между боковыми гранями клиновидной шпонки и стенками паза есть посадочный зазор, величина которого регламентируется нормативами.

Соединительная деталь способна передавать осевое вращение, предотвращает осевое смещение, может работать в условиях ударных нагрузок. Сдерживающий фактор для использования клиновидных шпонок — радиальное смещение втулки относительно вала. Поэтому, область применения таких деталей ограничена не ответственными соединениями без высоких нагрузок и крутящих моментов. Например, они часто используются в сельскохозяйственном машиностроении.

Отличительные особенности клиновых шпонок:

Использование клиновидной шпонки

  • запрессовка в паз с созданием сил трения на верхней и нижней грани;
  • применение в соединениях со свободной посадкой втулки (шкива, ступицы, маховика) на валу;
  • наличие боковых зазоров между стенками паза и боковыми гранями шпонки;
  • при вращении не фрезеруются края паза.

Стандарты

Требования к характеристикам, размерам клиновидных шпонок установлены соответствующими нормативными документами. Это стандарты:

  • ГОСТ 24068-80
  • DIN 6887 (аналог ISO 774)

Клиновидные шпонки по ГОСТ 24068-80 и DIN 6887 врезные — монтируются в вырезанный специально под их установку паз.
Межгосударственным стандартом ГОСТ 24068-80 предусмотрен выпуск изделий как с головкой, так и без.

В соответствии с ГОСТ 24068-80, материалом для производства клиновых шпонок служит шпоночная сталь с временным сопротивлением разрыву не менее 590 МН/м (60 кгс/мм). Чаще всего стандартные крепежи изготавливают из конструкционной углеродистой стали марок Ст6; 45; 50; 60, по DIN 6887 из стали марки St 60-1.

В условном обозначении детали указываются последовательно наименование, исполнение (кроме 1-го), ширина, высота, длина, стандарт. Например, изделие по ГОСТ 24-08-80 в исполнении 1 (с головкой) шириной 32 мм, высотой 18 мм, длиной 200 мм имеет следующее условное обозначение:

Шпонка 32х18х200 ГОСТ 24068-80

Виды и применение

Шпоночные фрезы широко применяются в машиностроении, обработке металлов, деревообработке, станкостроении, ремонте техники и других видах деятельности. Основное назначение инструмента – фрезерование шпоночных канавок при изготовлении валов. Также они применяются для подготовки мерных выемок и продольных канавок в производстве различных изделий из стали и чугуна.

По направлению вращения фрезы подразделяются на лево- и праворежущие. Основным отличием является тип хвостовика – цилиндрический или конусный. Для цилиндрических хвостовиков необходим цанговый патрон соответствующего диаметру типоразмера. Также инструмент с данным хвостовиком можно использовать и в обычной дрели. Конусные хвостовики применяются исключительно на металлорежущих станках и вставляются непосредственно в патрон с требуемой конусностью.

Шпоночные фрезы различаются по материалу изготовления. Чаще всего это быстрорежущая сталь Р6М5. Реже можно встретить инструмент из стали Р18, из него изготавливали оснастку во времена СССР и до сих пор эти фрезы являются очень востребованными. Фрезы из Р18 отлично работают даже с закаленной сталью. Твердость инструмента составляет порядка 65 HRC.

Для обработки изделий изготовленных из твердых и закаленных марок сталей применяются фрезы с напайками из ВК8 и других твердосплавных металлов (Т15К6, Т5К10). По стойкости они значительно превосходят обычную инструментальную сталь. Выпускается и инструмент со специальным антикоррозионным покрытием из карбида титана, их можно отличить по характерному желтому наконечнику. Такое решение позволяет дольше сохранить инструмент, особенно при эксплуатации в условиях повышенной влажности.

Технические требования к шпоночным соединениям

· правильность формы и размеров шпонки и пазов вала и ступицы по всей длине;

· отсутствие заусенцев и забоин на рабочих поверхностях шпонки и пазов;

· параллельность оси шпонки и осей вала или отверстия ступицы;

· симметричность боковых поверхностей пазов вала и ступицы относительно диаметральной плоскости;

· тщательную пригонку рабочих поверхностей шпонки и пазов; наличие зазоров по высоте для призматических и сегментных шпонок и по ширине для клиновых шпонок.

3. Сборка конических соединений

В машиностроении зубчатые колеса, шкивы, маховики, муфты часто сопрягаются с валом с помощью конических соединений. Коническое соединение (рис. 4; а, б, в, г) собирают с гарантированным натягом, который осуществляется за счет напрессовки ступицы на вал. Насаженную на вал деталь крепят гайкой с шайбой.

При коническом соединении не требуется больших усилий для насадки на вал, соединение легко собирается – в этом его преимущество перед цилиндрическим соединением.

Перед сборкой конического соединения проверяют плотность прилегания конических поверхностей вала и ступицы. Эту проверку выполняют обычно «по краске».

Чтобы компенсировать погрешности изготовления конических сопрягаемых деталей, используют пластмассовые прослойки. Сущность способа: после сборки конического соединения зазор между сопрягаемыми деталями заполняется жидко-текучей пластмассой. После затвердевания пластмасса превращается в жесткий компенсатор нужного размера и формы, являющийся неотъемлемой частью одной из сопрягаемых деталей. Трудоемкость сборки снижается в том случае, когда в конструкции соединения предусмотрено применение пластмассового компенсатора.

На рис. 4; в, г показан пластмассовый компенсатор с гладкой конической поверхностью охватываемой детали (в) и ступенчатой поверхностью охватываемой детали (г).

Рис. 4. Конические соединения: а – неправильное; б – правильное; в, г – соединение с пластмассовым компенсатором; 1 – охватывающая деталь; 2 – охватываемая деталь; 3 – пластмассовый компенсатор