Шпоночные соединения: ключи и шпоночные пазы в машиностроении

В машиностроении шпоночные соединения состоят из шпонок и шпоночных пазов. Шпонки могут быть различных форм в зависимости от типа соединения. Шпоночные пазы — обработанные поверхности на валу в размерах шпонки. Они фиксируются вместе для предотвращения осевого расхождения и относительного вращения между валом и навесным элементом.

Определение шпонки и шпоночного паза

Шпонка — машинный элемент для соединения вращающегося элемента (навески) с валом. Для работы шпонки необходимы шпоночный паз на валу и шпоночный паз (шпоночное гнездо) во втулке навески. Шпонка плотно устанавливается между пазом вала и пазом втулки — это и есть шпоночное соединение.

Основная функция — создание шпоночного соединения для фиксации втулки и вала, исключающего относительное вращение между передающим мощность валом и навесным элементом. Шпоночное соединение часто допускает относительное осевое перемещение. Шпонка предотвращает относительное вращение и может передавать крутящий момент.

Применение

Шпоночные соединения — важная часть элементов механической передачи: валы, муфты, шестерни, шкивы, звездочки. Обеспечивают эффективную передачу нагрузки, мощности и вращения без проскальзывания. Пример: шестерни, шкивы или звездочки, жестко закрепленные шпонкой на валу.

В машиностроении шпоночные соединения — удобный способ надежного соединения валов со звездочками. Также используются как альтернатива в других приложениях, где нагрузку нужно тянуть или толкать: сельское хозяйство, станки, промышленное оборудование.

Для изготовления шпоночных пазов и гнезд используют фрезерные, строгальные и долбежные станки. Существуют специальные станки для шпоночных гнезд.

Компоненты шпоночных соединений

Компоненты зависят от типа соединения, но основные элементы:

• Шпонка — обычно из стали, прямоугольного, квадратного или круглого сечения. Устанавливается осево между валом и втулкой для предотвращения относительного движения
• Шпоночный паз (на валу) — резец на валу. Часто выполняется на строгальном станке
• Шпоночный паз (во втулке) — резец во втулке, принимающий шпонку и фиксирующий механизм. Паз на валу и паз во втулке делят шпонку пополам. Это подробнее описано в принципе работы

Типы шпонок

Впайные шпонки

Половина толщины шпонки входит в паз вала, вторая половина — в паз втулки. Требует высокой точности. Например, при шпонке 8 мм глубина паза на валу и втулке — 4,1 мм. Виды впайных шпонок:

Прямоугольные / плоские шпонки

Иногда называют плоскими, так как ширина больше высоты. Используются на валах ~500 мм (20 дюймов) диаметром. Большая ширина позволяет передавать больший крутящий момент без увеличения глубины. Увеличение глубины ослабляет вал за счет уменьшения эффективного поперечного сечения.

Квадратные шпонки

Квадратное сечение. Для валов ~25 мм (1 дюйм). На больших валах, когда нужна большая глубина по сравнению с прямоугольными. Но увеличение глубины ослабляет вал. Квадратные или прямоугольные шпонки могут иметь конусность 1:100 по длине.

Прямоугольные/квадратные параллельные шпонки

Прямоугольные или квадратные без конусности. Дешевые, доступные, простые в установке. Требуют фиксации винтами к втулке, так как вибрация или смена направления вращения могут вытолкнуть шпонку. Шпонка жестко сидит на дне паза вала и по бокам, оставляя зазор у верха паза втулки.

Шпонка с головкой (головчатая впайная шпонка)

Прямоугольная или квадратная с конусом на верхней поверхности для плотной посадки. Применяется для удобства извлечения.

Направляющие шпонки (перьевые)

Три типа: двуголовые, с штифтом, перьевые. Прикрепляются к валу или втулке для обеспечения относительного осевого перемещения. Обеспечивают передачу мощности между валом и втулкой параллельными противоположными гранями, позволяя скольжению.

Шпонки Вудруффа

Полукруглый диск, устанавливаемый в круглый паз вала, который можно обработать только фрезой для шпонок Вудруффа. Применяются в станках и автомобильных валах диаметром ¼–2½" (6–60 мм). Прочность сильно отличается от длинных параллельных шпонок — не выдерживают тех же нагрузок.

Накладные шпонки

Не впаиваются в вал, а только в втулку. Лежат на плоскости или окружности вала, передача мощности через трение между валом и шпонкой. Два типа: плоские и полые накладные шпонки. Только для легких нагрузок, чтобы избежать скольжения по валу.

Плоская накладная шпонка

Конусная сверху, плоская снизу. Входит в конический паз втулки, опираясь на плоскую грань вала.

Полая накладная шпонка

Конусная сверху, изогнутая снизу. Входит в конический паз втулки, опираясь на окружностную поверхность вала.

Касательные шпонки

Также называют тангенциальными. Устанавливаются парой под прямым углом, каждая воспринимает кручение только в одном направлении. Для крупных тяжелых валов.

Круглые / цилиндрические шпонки

Круглые в сечении, устанавливаются в отверстия, сверленные в валу и втулке. Легко изготавливаются, пазы можно сверлить/растачивать после сборки. Для низкомощных передач.

Принцип работы

Работа шпонки и паза несложна. Поскольку существует множество типов и конструкций, принцип работы некоторых будет отличаться. Видео ниже покажет работу обычного шпоночного соединения.

Преимущества и недостатки шпоночных соединений

Преимущества

• Низкая себестоимость производства
• Передача средних и высоких крутящих моментов
• Простой монтаж и демонтаж
• Многократное использование или установка на аналогичные компоненты
• Стандартизированный метод (ISO, BS, DIN, ANSI)

Недостатки

• Не подходят для чередующихся направлений нагрузок и ударов
• Слишком плотно зафиксированное соединение может быть трудно разобрать
• Вызывают дисбаланс вала
• Создают концентраторы напряжений (щелевой эффект) и снижают прочность вала
• Возможное осевое смещение втулки, если не зафиксирована дополнительным элементом ( стопорное кольцо, зажимной винт)
• Сложно рассчитать и объединить несущую способность и анализ допусков

Заключение

Шпоночные соединения — один из отличных механических способов передачи мощности. Преимущественно используются на моторных валах. В статье рассмотрены определение, функции, применение, компоненты, типы и принцип работы шпонок и шпоночных пазов, образующих шпоночные соединения, а также их преимущества и недостатки.