Шпонки и шпонки: типы и применение в механических соединениях

Что такое шпонка и шпона?

Шпонка и шпона образуют шпонное соединение для фиксации втулки на валу, предотвращая относительное движение между передающим мощность валом и насадкой (шестерней, ременным шкивом, звездочкой). Шпонные соединения — важный элемент механической передачи мощности, гарантирующий передачу нагрузки, мощности и вращения без проскальзывания в рамках точности проекта.

Шпонка обычно изготавливается из стали и устанавливается осево между валом и втулкой детали. Шпоночный паз на валу — паз на валу, шпона во втулке — паз во втулке для приема шпонки. В промышленности термин «шпоночный паз» часто применяют ко обоим пазам.

Пазы наносят на шпоносточковые станки, а также брованием, фрезеровкой, строганием, электроэрозией. Для удержания осево применяют стопорные кольца, шплинты, зажимные винты. При малых нагрузках допустимы зажимные винты и шплинты.

Преимущества и ограничения шпонных соединений

Преимущества

• Низкая стоимость изготовления
• Хорошая стандартизация (ISO, BS, DIN, ANSI)
• Передача средних и высоких крутящих моментов
• Простой монтаж и демонтаж, повторное использование

Недостатки

• Неподходят для чередующихся направлений нагрузки и ударов
• Возможен осевой смещение втулки без дополнительной фиксации (зажимной винт, стопорное кольцо)
• Со временем демонтаж становится затруднительным
• Пазы создают концентраторы напряжений (ночевой эффект), снижая прочность вала
• Нарушают баланс вала
• Сложен расчет нагрузки и допусков — соединения часто перестраховывают
• Для передачи осевой силы требуется упор

Типы шпонок

Шпонки делятся на четыре основные категории с подвидами:

1. Впадинные (Sunk Keys)
   • Прямоугольные и квадратные
   • Параллельные
   • С головкой (Gib head)
   • Направляющие (Feather key — скользящая по пазу)
   • Вудруффовы (Woodruff key — полукруглые)
2. Наседные (Saddle Keys)
   • Плоские и полые
3. Касательные (Tangent Keys)
4. Круглые / Цилиндрические (Round/Circular Keys)

Наиболее распространены параллельные квадратные и Вудруффовы шпонки — за простоту и низкую стоимость.

Двойная шпонка — применяется редко, только для очень высоких разовых нагрузок наdukтильных материалах. Расчет ведется как для 1,5 параллельной шпонки.

Впадинные шпонки

Устанавливаются в паз вала на половину толщины (измерение по стороне, не по центру).

Прямоугольные и квадратные

Прямоугольные — шире высоты (иногда «плоские»). Применяются на валах до ~500 мм (20 дюймов). Большая ширина позволяет передавать больший момент без увеличения глубины паза (что ослабляет вал).

Квадратные — квадратное сечение. Для валов до ~25 мм (1 дюйм). На больших валах используются, когда нужна большая глубина паза. Квадратные и прямоугольные могут иметь конус 1:100 по длине.

Параллельные впадинные

Прямоугольные или квадратные без конуса. Дешевые, доступные, простые в монтаже. Требуют фиксации зажимным винтом через втулку — вибрация и смена направления вращения выталкивают шпонку. Обычно шпонка прижимается к дну паза вала и боковым граням, оставляя зазор у верха паза втулки.

С головкой (Gib head)

Головка упрощает извлечение. Обычно прямоугольные/квадратные с конусом на верхней грани для плотной посадки.

Направляющие (Feather keys)

Крепятся к валу или втулке, позволяя осевое перемещение при передаче крутящего момента. Три основных вида: двухголовчатая, с штифтом (peg) и стандартная. Параллельные грани передают момент, шпонка скользит.

Вудруффовы шпонки

Полукруглый диск в круглом пазе вала (фрезеруется специальным резцом). Применяются в станках и автовалах Ø6–60 мм. Не выдерживают нагрузки как длинные параллельные шпонки.

Преимущества: компенсируют конус паза втулки, не переворачиваются за счет глубины. Недостатки: глубокий паз ослабляет вал, нельзя использовать как направляющую, сложный монтаж, короткие, малая несущая способность.

Наседные шпонки

Не входят в паз вала — только в паз втулки. Лежат на плоскости или окружности вала. Передача момента за счет трения. Только для легких нагрузок (риск скольжения).

• Плоская наседная — конус сверху, плоское дно, давит на плоскую грань вала.
• Полоя наседная — конус сверху, изогнутое дно, облегает окружность вала.

Касательные шпонки

Устанавливаются парой под прямым углом. Каждая воспринимает кручение только в одну сторону. Для крупных тяжелых валов.

Круглые / Цилиндрические шпонки

Круглые сечением, входят в отверстия, просверленные частично в валу, частично во втулке. Преимущество — пазы можно просверлить после сборки. Для низконагруженных передач.

Проектирование шпоночного паза и выбор шпонки

Правильный выбор шпонки критичен для предотвращения преждевременных отказов. Подробные расчеты сдвиговых и давящих напряжений, материал, тип нагрузки, посадка — см. статью «Руководство по выбору шпонки и проектированию шпоночного паза».

Стандарты и спецификации

• Рекомендации по размеру, длине и глубине паза в зависимости от диаметра вала: ASME B17.1-1967, ASME B17.2-1967
• Метрические шпонки и пазы — параллельные и конические: BS 4235-1:1972
• Подбор Вудруффовых шпонок к диаметру вала: DIN 6888
• Касательные шпонки и пазы для чередующихся ударных нагрузок: DIN 268:1974
• Касательные шпонки и пазы для постоянных нагрузок: DIN 271:1974

Ссылки

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. McGraw-Hill.
• Marshek, K. M., Juvinall, R. C. (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.