Шпонка что это в двигателе

Шпонки – это детали машин и механизмов, которые фиксируют вращающиеся узлы относительно друг друга, предотвращают проворачивание ступицы и вала и передают крутящий момент. С их помощью на валах и осях крепятся шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки, вентиляторы и другие детали.

Несмотря на очень простую форму и конструкцию (в большинстве случаев шпонки представляют собой обычный стальной брусок), они настолько широко используются во всех сферах машиностроения, что поставщики металлопроката регулярно получают запросы от желающих купить шпонки оптом в больших количествах.

Классификация

Она напрямую зависит от формы применяемых соединителей. Форма делится на виды:

Сегментные.
Призматические.
Круглые.
Тангенциальные.
Клиновые.

По своей классификации соединения могут быть:

Напряженными.
Не напряженными.

Не напряженное соединение получается, если применяются призматические, круглые или сегментные соединители. Они исключают монтажное напряжение. Установка их на валы проводится с натягиванием. Это обеспечивает плотное крепление, центрирование и исключает появление коррозии.

При установке клинового или тангенциального вкладыша возникает напряженное или монтажное соединение. Тангенциальная вкладка похожа на клиновую и является ее подвидом. При их установке появляется радиальное напряжение, что ведет к разбалансированной работе механизма.

Призматическая шпонка может иметь плоскую или округленную торцевую часть. Округленная часть проще устанавливается. Наличие соединителя с плоским торцевой частью исключает его движение по валу.

Сегментный соединитель устанавливается на редукторы, которые работают с низкой частотой вращения влаов. Это обусловлено тем, что под вкладыш делается глубокий паз, который снижает прочность вала. Они легко устанавливаются в паз и просто вынимаются. Глубокая посадка в пазу обеспечивает устойчивость соединителя, исключает необходимость дополнительного крепежа.

Виды шпонок

Основные виды шпонок делят на два типа: напряженные и ненапряженные. Среди которых выделяются такие типы шпонок:

1. Клиновые. Особый тип, который отличаются углом наклона верхней грани. В общем разделение на виды происходит исходя из классификации шпоночных соединений. Устанавливается в паз с помощью физической силы, ударным методом. Применение такого типа соединения позволяет добиться необходимого напряжения. Нарезанный клин, находясь в пазе, распирает его изнутри. За счет силы прижатия, вал и ступица совместно вращаются.Используется довольно редко, так как ее использование предусматривает индивидуальный подгон. Это можно считать недостатком для массового производства механизмов. Основное назначение — применение в тихоходных передачах и узлах неподвижного соединения.Среди клиновых шпонок выделяют:
  - врезные;
  - на лыске;
  - фрикционные;
  - без головки и с головкой.
2. Сегментные. Производятся в виде сегментной пластины, загоняемой в паз. Производиться методом фрезерования. Широко применяются в производстве, так как просты в изготовлении, не требуют особой точности при нарезании и легко устанавливается. Отличается установкой в боле глубокий паз, в сравнении с аналогами. Глубокий паз не подходит для больших нагрузок, так как значительно снижает прочность вала, поэтому используется при небольших крутящих моментов.На длинных ступицах может устанавливаться несколько шпонок, так как они имеют фиксированную длину. Выполняют предохранительную функцию на срез и смятие.
3. Призматические. Отличаются параллельными гранями, которые устанавливаются в паз и фиксируют ступицу. Рабочими гранями в таки случаях являются боковые. Относятся к ненапряженному типу шпоночных соединений, поэтому существует вероятность возникновения коррозии в месте соединения. Для исключения коррозии, муфта и вал соединяются с натягом. Концы производятся обычно со скругленными или плоскими концами. Для скругленного типа рабочей поверхностью считается длина прямых краев. Паз нарезается с помощью фрезы.Передача усилия происходит путем давления поверхности паза на шпонку, которая передает крутящий момент на паз ступицы. Данный тип соединения призматической шпонкой часто используется для подвижных соединений, поэтому используют дополнительное крепление с помощью винтов. Как и многие другие типы выполняет функцию предохранителя при смятии и срезе.
4. Цилиндрические. Штифты в таких шпонках изготавливаются в виде цилиндров. Работаю в натяжении с отверстием на торце вала, которое высверливается под соответствующие размеры шпонок. Используется в тех случаях, когда ступица устанавливается на конце вала. Требует особого подхода к монтажу шпоночных соединений.Позволяют работать на срез и смятие. Поэтому выбор шпонки производят исходя из прочности на смятие.

Исходя из типа посадки выделяются:

Свободная – применяется в случаях, когда выполнять сварочные работы довольно сложно и есть необходимость подвижного сцепления деталей во время работы.
Плотная – нужна для создания сцеплений, движение которых во время работы выполняется в одном пространственном положении.

Шпонка. Шпоночный паз. Виды, размеры и предельные отклонения.

Призматические шпонки по ГОСТ 23360-78.

Рис 1. Основные обозначения призматических шпонок и шпоночных пазов.

Таблица 1. Размеры и предельные отклонения призматических шпонок и шпоночных пазов по ГОСТ 23360-78.

Высота шпонок	Предельное отклонение размеров
Высота шпонок	d + t₁	d + t₂
От 2 до 6	0 -0,1	+0,1 0
Св. 6 до 18	0 -0,2	+0,2 0
Св. 18 до 50	0 -0,3	+0,3 0

Призматические шпонки с креплением на валу по ГОСТ 8790-79.

Рис 2. Основные обозначения призматических шпонок с креплением на валу и шпоночных пазов.

Таблица 3. Размеры призматических шпонок с креплением на валу по ГОСТ 8790-79.

Ширина b (h9)	Высота h (h11)	Радиус закругления r или фаска s₁ x 45°		Диаметр d0	Длина l2	Длина l (h14)		Винты по ГОСТ 1491-80
		не менее	не более			от	до
8	7	0 25	0,40	М3	7	25	90	М3×8
10	8	0,40	0,60		8	25	110	М3×10
12				М4	10	28	140	М4×10
14	9			М5		36	160	М5×12
16	10			М6	11	45	180	М6×14
18	11					50	200
20	12	0,60	0,80			56	220
22	14			М8	16	63	250	М8×20
25						70	280
28	16					80	320
32	18			М10	18	90	360	М10×25
36	20	1,00	1,20			100	400
40	22			М12	22	100	400	М12×30
45	25					125	450

Сегментные шпонки по ГОСТ 8786-68.

Рис 3. Основные обозначения сегментных шпонок и шпоночных пазов.

Таблица 4. Размеры и предельные отклонения сегментных шпонок и шпоночных пазов по ГОСТ 8786-68.

Клиновые шпонки по ГОСТ 24068-80.

Рис 4. Основные обозначения клиновых шпонок и шпоночных пазов.

Таблица 5.1 Размеры и предельные отклонения клиновых шпонок и шпоночных пазов по ГОСТ 24068-80.

Читать еще: Toyota caldina не заводится двигатель

Таблица 5.2 Размеры и предельные отклонения клиновых шпонок и шпоночных пазов по ГОСТ 24068-80.

Детали машин

Характеристика шпоночных соединений

Шпоночное соединение образуют вал, шпонка и ступица колеса (шкива, звездочки и т. п.) .
Шпонка представляет собой стальной брус, устанавливаемый в пазы вала и ступицы. Она служит для передачи вращающего момента от вала к ступице и наоборот.
Основные типы шпонок стандартизированы.

Шпоночные пазы на валах получают фрезерованием дисковыми или концевыми фрезами, в ступицах – протягиванием (см. рис. 1) .

Достоинства шпоночных соединений – простота конструкции, вследствие чего их широко применяют во всех областях машиностроения.

Недостатки – шпоночные пазы ослабляют вал и ступицу насаживаемой на вал детали. Ослабление вала обусловлено не только уменьшением его сечения, но, главное, значительной концентрацией напряжений изгиба и кручения, вызываемой шпоночным пазом.

Шпоночное соединение трудоемко в изготовлении: при изготовлении паза концевой фрезой, требуется ручная пригонка шпонки по пазу; при изготовлении дисковой фрезой – крепление шпонки в пазу винтами от возможных осевых перемещений.

Классификация шпоночных соединений

Шпоночные соединения подразделяют на ненапряженные и напряженные.
Ненапряженные соединения получают при использовании призматических и сегментных шпонок. При сборке этих соединений в деталях не возникает монтажных напряжений. Для обеспечения центрирования и исключения контактной коррозии (фретинг-коррозии) ступицы устанавливают на валы с натягом.

Напряженные соединения получают при применении клиновых и тангенциальных шпонок (рис. 2) . При сборке таких соединений возникают предварительные (монтажные) напряжения. Тангенциальные шпонки являются разновидностью клиновых шпонок. При запрессовке клиновых шпонок в соединении возникают распорные радиальные силы, что приводит к появлению дисбаланса.
Клиновые шпонки в настоящее время применяются редко, поэтому их методика расчета на прочность здесь не рассматривается.

По форме различают три основных типа шпонок (кроме клиновых и тангенциальных, рис. 2) – призматические , сегментные и круглые .

Призматические шпонки (рис. 3) изготавливают в нескольких исполнениях – с плоскими и скругленными торцами. Округление торцов шпонки облегчает монтаж конструкции.
Шпонки с плоскими торцами устанавливают вблизи деталей (концевых шайб, колец и т. п.) , препятствующих ее осевому перемещению, поскольку призматическая шпонка не препятствует осевому перемещению деталей вдоль вала.
Иногда для фиксации от осевого смещения призматические шпонки фиксируют распорными втулками или установочными винтами.

Сегментные шпонки (рис. 3) , как и призматические, работают только боковыми гранями. Их применяют при передаче относительно небольших вращающих моментов, так как глубокий паз значительно ослабляет вал.
Сегментные шпонки и пазы для них просты в изготовлении и удобны для монтажа и демонтажа. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей устойчивое положение.
В отличие от призматических шпонок, сегментные шпонки не нуждаются в дополнительной фиксации от осевого перемещения.

Материал шпонок и допускаемые напряжения

Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с σ_в ≥ 600 МПа – чаще всего из сталей марок Ст6, 45, 50.

Допускаемые напряжения смятия [σ]_см для шпоночных соединений зависят от материала ступицы (вал, как правило, изготовляют из стали) , типа посадки ступицы и характера нагрузки.

Так, неподвижное соединение при стальной ступице допускает напряжение 140…200 МПа, при чугунной ступице – 80…110 МПа. Большие напряжения допускаются при постоянной нагрузке, меньшие – при переменной.

Допускаемое напряжение при срезе шпонок [τ]_ср = 70…100 МПа (Н/мм2). Большие допускаемые напряжения принимают для постоянной нагрузки.

Расчет шпоночных соединений

Основным критерием работоспособности шпоночных соединений является прочность.
Шпонки выбирают по таблицам ГОСТов в зависимости от диаметра вала, а затем соединения проверяют расчетом на прочность.
Характер напряжений, возникающих в шпоночном соединении во время работы, показан на рис. 4 . Шпонки работают на смятие и срез, а боковые стенки пазов на валах и в ступицах — на смятие.

Размеры шпонок и пазов подобраны так, что прочность их на срез и изгиб обеспечивается, если выполняется условие прочности на смятие, поэтому основной расчет шпоночных соединений – расчет на смятие шпонки. Проверку шпонок на срез в большинстве случаев не производят.

При расчете условно принимают, что напряжение σ_см смятия распределяются равномерно по площади контакта боковых граней шпонок и шпоночных пазов, а прочность материала, характер соединения, режим работы учитываются при выборе допускаемого напряжения [σ]_см .

Проверочный расчет соединения призматической шпонкой выполняют по условию прочности на смятие (см. рис. 4):

где: F₁ – окружная сила, передаваемая шпонкой, А_см – площадь смятия шпонки (мм 2 ).

где: T = передаваемый момент (Нм); d – диаметр вала (мм).

На смятие рассчитывают выступающую из вала часть шпонки, которая имеет меньшую площадь смятия.
При определении площади смятия А_см учитывают размер фаски f , который для стандартных шпонок примерно равен 0,06h (здесь h – общая высота шпонки) .

Шпонка с фаской f = 0,06h имеет расчетную площадь А_см смятия:

где: t₁ – глубина шпоночного паза на валу (мм); lр – расчетная длина шпонки (мм).
Для шпонок с плоскими торцами l_p = l , со скругленными торцами l_p = l – b .

Подставив значения F₁ и А_см в формулу проверочного расчета, получим:

В проектировочном расчете соединения, после выбора размеров b и h поперечного сечения шпонки по стандарту, определяют расчетную рабочую длину l_p :

Длину ступицы l_ст принимают на 8…10 мм больше длины шпонки. Если длина ступицы больше величины 1,5d , то шпоночное соединение целесообразно заменить на шлицевое или соединение с натягом, чтобы избежать значительной неравномерности распределения напряжений по длине шпонки.

Проверочный расчет соединения сегментной шпонкой выполняют на смятие:

где: l_p ≈ l – рабочая длина шпонки (мм); (h – t) — рабочая глубина паза в ступице (мм).

Поскольку сегментные шпонки выполняются узкими, их, в отличие от призматических, проверяют на срез.
Условие прочности при срезе:

где: b – ширина шпонки (мм); [τ]_сp – допускаемое напряжение на срез.

Пример проектировочного расчета шпонки

Задача Выбрать тип стандартного шпоночного соединения стального зубчатого колеса со стальным валом и подобрать размеры шпонки.
Диаметр вала d = 45 мм .
Соединение передает вращающий момент Т = 210 Нм при спокойной нагрузке.

Решение
Выполняем проектировочный расчет, на основании которого подбираем нужную шпонку.

Выбор соединения:

Для соединения вала с колесом принимаем широко распространенную призматическую шпонку со скругленными торцами ( исполнение I) .

Расчетные размеры шпонки и паза на валу:

По таблице стандарта, устанавливающей зависимость между диаметром вала, размером сечения шпонки и глубиной паза, принимаем для d = 45 мм :

b = 14 мм ; h = 9 мм , глубина паза на валу t₁ = 5,5 мм .

Допускаемые напряжения:

По таблице стандарта, устанавливающей зависимость допускаемого напряжения от типа шпоночного соединения и материала ступицы, принимаем для стальной ступицы, неподвижного соединения и спокойной нагрузки:

Расчетная длина шпонки:

l_p = 2×10 3 Т / d(0,94h – t₁) [σ]_см = (2000×210) / 45(0,94×9 – 5,5)190 = 16,6 мм .

5. Длина шпонки с закругленным торцом: l = l_p + b = 16,6 + 14 = 30,6 мм .
В соответствии со стандартом принимаем длину шпонки l = 32 мм .

6. Длина ступицы колеса: l_ст = l + 10 мм = 32 + 10 = 42 мм , что допустимо.

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