Шпонка

Шпонка — это деталь машиностроения, преимущественно в форме призматического или клиновидного бруска, устанавливаемая в пазах (шпоночных канавках) сопрягаемых деталей — вала и насаживаемой на него ступицы (зубчатого колеса, шкива, муфты и других). Основное назначение шпонки — передача крутящего момента от вала к ступице или наоборот, а также фиксация деталей на валу в определённом угловом положении. Шпоночные соединения относятся к разъёмным соединениям и широко применяются в машиностроении, приборостроении и других отраслях техники.

История

Принцип соединения деталей с помощью вставных элементов, препятствующих взаимному проворачиванию, известен с древних времён. В механизмах водяных мельниц, ветряных двигателей и простейших станков использовались деревянные клинья, вбиваемые в зазоры между валом и колесом. С развитием металлообработки в XVIII—XIX веках, в эпоху промышленной революции, шпонки стали изготавливать из металла. Первые стандарты на шпоночные соединения появились в конце XIX века, когда возникла необходимость в унификации деталей для массового производства машин. В России (СССР) первые государственные стандарты (ГОСТ) на шпонки и шпоночные пазы были разработаны в 1930-х годах. Современная нормативная база (ГОСТ 23360-78, ГОСТ 24071-97 и другие) базируется на международных стандартах ISO.

Классификация

Шпонки классифицируются по нескольким признакам: форме, конструкции, способу установки и условиям работы.

По форме и конструкции

• Призматические шпонки — наиболее распространённый тип. Имеют прямоугольное поперечное сечение. Рабочими являются боковые грани. Устанавливаются в паз вала и паз ступицы. Различают:
• Обыкновенные призматические шпонки (ГОСТ 23360-78) — с плоскими торцами.
• Направляющие шпонки (ГОСТ 8790-79) — длинные, позволяют ступице перемещаться вдоль вала (например, в коробках передач).
• Скользящие шпонки — вариант направляющих, крепятся к валу винтами.
• Сегментные шпонки — имеют форму сегмента круга. Устанавливаются в паз вала, выполненный фрезой. Обеспечивают хорошее центрирование и простоту монтажа, но ослабляют вал большей глубиной паза. Нормируются ГОСТ 24071-97.
• Клиновые шпонки — имеют уклон верхней грани (обычно 1:100). Забиваются в паз, создавая натяг и передавая крутящий момент как боковыми гранями, так и силами трения. Вызывают смещение оси ступицы относительно вала (эксцентриситет). Применяются в тихоходных, неответственных передачах.
• Тангенциальные шпонки — состоят из двух клиньев, расположенных симметрично. Передают большие крутящие моменты, работают на сжатие. Используются в тяжёлом машиностроении (прокатные станы, прессы).
• Цилиндрические шпонки (штифты) — представляют собой вставной цилиндрический стержень. Применяются для фиксации деталей на концах валов при малых нагрузках.

По способу передачи нагрузки

• Ненапряжённые (с зазором) — призматические и сегментные. Работают за счёт смятия боковых граней.
• Напряжённые (с натягом) — клиновые и тангенциальные. Создают радиальное усилие, работают за счёт трения и смятия.

Устройство и характеристики

Шпоночное соединение состоит из трёх элементов: шпонки, паза на валу и паза в ступице. Основные геометрические параметры шпонки — ширина b, высота h и длина l. Размеры стандартизированы в зависимости от диаметра вала. Например, для вала диаметром 30 мм стандартная призматическая шпонка имеет размеры 8×7 мм (ширина × высота).

Материал шпонок — обычно конструкционная сталь с пределом прочности не менее 590 МПа (стали 45, 40Х, Ст5). Для ответственных соединений применяют легированные стали. Допуски и посадки шпоночных соединений регламентируются стандартами. Обычно шпонка устанавливается в паз вала по посадке с натягом (например, P9/h9), а в паз ступицы — по посадке с зазором (например, D10/h9) для обеспечения сборки.

Применение

Шпоночные соединения используются в подавляющем большинстве вращающихся механизмов:

• Редукторы и коробки передач — для крепления зубчатых колёс, шестерён, муфт на валах.
• Электродвигатели и генераторы — для соединения ротора с валом, крепления шкивов.
• Станки и промышленное оборудование — для передачи крутящего момента от привода к рабочим органам.
• Автомобилестроение — в трансмиссии (карданные валы, полуоси), рулевом управлении.
• Сельскохозяйственная техника — в редукторах, насосах, измельчителях.

Преимущества шпоночных соединений: простота конструкции, низкая стоимость, технологичность изготовления, возможность сборки и разборки. Недостатки: ослабление вала и ступицы пазами (концентрация напряжений), невозможность передачи больших крутящих моментов при высоких динамических нагрузках, ограниченная точность центрирования (особенно у клиновых шпонок).

Расчёт шпоночного соединения

Основные критерии работоспособности — прочность на смятие боковых граней и прочность на срез (для призматических шпонок). Расчётное напряжение смятия σсм определяется по формуле:

σсм = 2T / (d (h - t1) l)

где T — передаваемый крутящий момент, d — диаметр вала, h — высота шпонки, t1 — глубина паза на валу, l — рабочая длина шпонки. Полученное значение сравнивается с допускаемым напряжением смятия (для стальных шпонок обычно 100…150 МПа). При невыполнении условия прочности увеличивают длину шпонки или устанавливают две шпонки под углом 180° (для призматических) или 120° (для клиновых).

Интересные факты

• В авиастроении и высокоскоростных приводах шпоночные соединения часто заменяются шлицевыми (зубчатыми) соединениями, которые обеспечивают большую нагрузочную способность и лучшее центрирование.
• Для передачи момента в условиях частых реверсов и ударных нагрузок применяют шпонки с закруглёнными торцами (тип «А» по ГОСТ), снижающие концентрацию напряжений.
• В деревообрабатывающих станках до сих пор встречаются деревянные шпонки, используемые в тихоходных механизмах для снижения шума.
• Существуют «шпонки-вставки» из полимерных материалов (капрон, фторопласт), применяемые в пищевом и химическом машиностроении для работы в агрессивных средах.

Источники

• ГОСТ 23360-78 «Соединения шпоночные с призматическими шпонками. Размеры, допуски и посадки».
• ГОСТ 24071-97 «Шпонки сегментные. Размеры, допуски и посадки».
• Орлов П. И. «Основы конструирования: Справочно-методическое пособие». — М.: Машиностроение, 1988.
• Детали машин: Учебник для вузов / Под ред. О. А. Ряховского. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.
• Решетов Д. Н. «Детали машин». — М.: Машиностроение, 1989.