Для чего применяются шпонки в столярных соединениях
Формы стальных шпонок
Прежде чем определять разновидности шпонок стоит отметить, что при изготовлении данного продукта используют следующие виды марок металла:
Итак, выделяют 5 разновидностей шпонок:
Далее, уже продолжим рассматривать конструкцию, назначение и применение вышеуказанных разновидностей стального материала.
Клиновая
Этот вид шпонки в своем строении имеет небольшой угол наклона. Чтобы установить ее в шпоночное соединение нужно воспользоваться ударным способом. А применяют ее для того, что создать и подойти к определенному напряжению. Также она предназначены в оборудовании, где имеются тихоходные передачи.
Призматическая
Как мы видим по картинке, такой вид шпонки выглядит отличительно от всех, имея овальную форму. Если рассматривать ее технические особенности, то она имеет высокую степень к ржавчине. Чтобы этого не происходило, необходимо натянуть муфту и вал. Такой металлический продукт применяется в подвижных устройствах, где требуется дополнительное крепление.
Сегментная
Рассматривое стальное изделие изготавливается путем фрезирования. Данный вид шпонки применяется в случае массивных валов, когда размеры могут быть небольшими. Если сравнивать этот тип детали с другими, то он включает в свою конструкцию глубокий паз.
Цилиндрическая
Этот крепежное металлическое изделие эксплуатируется только в натяжении. Данное состояние характерно и для отверстия, которое расположено на торце вала. Его отличает то, что стальной продукт можно легко просверлить. Цилиндрическая деталь используется лишь тогда, когда ступицу нужно поставить на край вала.
Тангенциальная
Материалом выполнения данной шпонки является призматический клин прямоугольной формы. Также данная деталь является хорошим элементом стального паза к интенсивности и напряжения.
Отдельно отметим еще то, что все формы шпонок производятся по техническим документам.
Для чего нужны шпонки
Среди большого количества разнообразных видов соединений очень часто встречается именно такой вид, как шпоночное соединение. Исходя из такого названия, можно понять, что выполняется оно, непосредственно, с помощью шпонок. Но для чего нужны шпонки в этом виде соединения? Насколько важную роль они играют в механизмах? Какие характеристики и свойства имеют шпонки, и что вообще это изделие представляет из себя?
Обычно под шпонкой подразумевается стальная продолговатая деталь в форме бруска. В более редких случаях упоминают деревянные шпонки, использующиеся при изготовлении разной мебели и фурнитуры. Мы же рассмотрим изделия, материалом изготовления которых служит сталь чистотянутая для шпонок из разных марок стали, например, Ст45, Ст50, Ст55. Это сырье так же называют шпоночный материал ГОСТ 8787-68.
Шпонка предназначена для установки в паз на валу и поверхности детали. При этом со стороны такое соединение может напоминать небольшой клин. Кстати говоря, с польского языка шпонка переводится именно как клин. Такое название она получила благодаря тому, что попросту не позволяет валу и ступице проворачиваться, надежно фиксируя вращающиеся по отношению друг к другу детали механизма, и передавая момент силы.
Сферой применения шпонок являются практически все отрасли машиностроения, а также станкостроения. Шпоночные соединения используют в разной технике, автомобилях, а также в механизмах, станках и различном оборудовании благодаря очень высокой степени надежности этих изделий. Одной из наиболее отличительных особенностей шпонок является возможность их функционирования как некого предохранителя узлов.
Заключается подобная возможность, в том, что если предел крутящего момента будет превышен, то шпонка под нагрузкой попросту срежется в месте разграничения вала и детали. Замена испорченной шпонки для опытного мастера не составит никакого труда, да и цена на новую деталь совсем не высока. При чем под большой нагрузкой срезается только шпонка, а вот другие дорогостоящие части конструкции остаются в целости.
Таким образом, шпонка является достаточно дешевым и эффективным изделием, что крайне важно для производств в промышленных масштабах и для частных владельцев разной техники, в том числе тракторов, комбайнов и подборщиков сена, так как заменить шпонку в разгар уборочного сезона можно в кратчайшие сроки. Подводя итоги, можно выделить пару-тройку важных пунктов, объясняющих для чего нужны шпонки:
Какие есть шпонки
С тем, зачем нужна шпонка, мы уже разобрались, однако очень важно будет отметить тот факт, что существуют различные варианты исполнения шпонок, каждый из которых будет иметь свои стандарты изготовления, следовательно, уникальные параметры, характеристики и предназначение для применения. Именно по этой причине мы так же рассмотрим, какие есть шпонки и какие у них эксплуатационные свойства.
Обратите внимание, что шпонки одной и той же формы и конструкции могут обладать различными размерами. Основные параметры и допуски изготовления, само собой, написаны в соответствующих нормативах ГОСТ, но зачастую очень многие предприятия осуществляют изготовление шпонок на заказ по чертежам заказчика. А в некоторых случаях, заказчик может сделать шпонку из шпоночной стали самостоятельно.
Таким образом, у потенциального клиента всегда есть возможность купить шпонку в соответствии с представленным модельным рядом или же заказать индивидуальный образец. Как правило, при изготовлении шпонки проходят процесс термообработки, позволяющий им выдерживать прочность в 600МПа, после чего им придается определенная конструкционная форма, подразделяющая их по виду соединения на:
Призматические шпонки, в свою очередь, так же подразделяют на 3 дополнительных вида исходя из их принципа действия: на закладные, на направляющие и на скользящие. Так как установка данного типа шпонок достаточно проблематична в плане их индивидуального подгона в пазы, а при полном износе они могут опрокидываться, то в большом производстве этот вид продукции используется достаточно редко.
В отличии от предыдущего варианта конструкции, сегментные шпонки не требуют в момент установки никакой подгонки, и не имеют свойства опрокидываться, что сказывается на их достаточно частом использовании. Однако применение такого типа шпонок ограничено на деталях с большим сечением вала, поэтому сегментную разновидность невозможно будет встретить на участках со множеством изгибов вала.
Цилиндрические шпонки по принципу работы схожи с призматическими. Они тоже редкий гость в крупномасштабном производстве из-за того, что они требуют одинаковой степени плотности и твердости соединяемых изделий. Во многом именно эта особенность и мешает их частому применению. Собственно, основным местом установки цилиндрических шпонок являются именно концевые участки вала.
Тангенциальная шпонка представляет собой конструкцию из двух элементов, которые напоминают призматический клин с сечением прямоугольного поперечного типа. Такой вид шпонок монтируется попарно под наклоном от 120° до 180°. Одним из главных достоинств у такого типа изделия является то, что их материал осуществляет работу на сжатие. Основной их сферой применения является тяжелое машиностроение.
Наконец, разбирая то, какие есть шпонки, мы подошли к последней разновидности, а именно к клиновым шпонкам. Такой тип по праву считается наиболее эффективным и очень распространенным ввиду множества своих неоспоримых преимуществ. Например, изделия клинового вида могут выдерживать незначительную осевую нагрузку, и при этом отлично функционировать при нагрузках переменного типа.
Где используются шпоночные соединения?
При выполнении сборочных работ применяются различные способы скрепления деталей. Самым востребованным является резьбовое соединение, которое формируется с помощью болта (шпильки, винта) и гайки. Оно надежно фиксирует детали конструкции, а при необходимости легко разбирается. Также встречается шпоночное соединение. Оно имеет некоторые особенности, и очень востребовано в отдельных сферах.
Особенности соединения
Шпонка — крепежный элемент в виде бруска, который вставляется в пазы деталей. Сам шпоночный паз выполняется на фрезерном станке с помощью концевой или дисковой фрезы, и напоминает клин. Такая особенность препятствует проворачиванию деталей относительно друг друга. В некоторых узлах крепеж выполняет функцию предохранителя.
Главное преимущество соединения — простая конструкция шпонки, быстрый и легкий монтаж, а также устойчивость к высоким нагрузкам. В случае износа можно оперативно заменить крепеж. Если произошло превышение допустимой нагрузки, срезается только часть шпонки без повреждения важных дорогостоящих узлов. Также изделия отличаются низкой стоимостью. Встречаются призматические, цилиндрические, сегментные, клиновые шпонки.
Большинство крепежных элементов изготовлены из прочной и твердой стали 45. Иногда для производства используется сталь 50. Это практикуется, когда необходимо добиться повышенной прочности изделий. Для обеспечения высоких показателей твердости детали подвергаются термической обработке. Заказать шпонки можно, перейдя по этой ссылке: https://krepsila.com/g23459071-shponki-din-6885.
Сфера применения
Шпоночное соединение часто встречается в машиностроении. Особенно оно востребовано в сфере производства станков и другого оборудования, где есть вращающиеся валы. Шпонка обеспечивает передачу крутящего момента от вала к ступице. Также данный вид скрепления деталей применяется при сборке автомобилей, сельскохозяйственной техники и других приборов, где важна надежная фиксация.
Использование шпонки в процессе сборки решает следующие задачи:
В целом, данный способ можно применять для любых сложных конструкций. Очень редко встречаются деревянные шпонки. Они используются преимущественно для сборки мебели.
Детали машин
Шпоночные соединения
Характеристика шпоночных соединений
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.
Материал шпонок и допускаемые напряжения
Стандартные шпонки изготовляют из специального сортамента среднеуглеродистой чистотянутой стали с σв ≥ 600 МПа – чаще всего из сталей марок Ст6, 45, 50.
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
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.
Проверочный расчет соединения призматической шпонкой выполняют по условию прочности на смятие (см. рис. 4):
где: F1 – окружная сила, передаваемая шпонкой, Асм – площадь смятия шпонки (мм 2 ).
где: T = передаваемый момент (Нм); d – диаметр вала (мм).
Шпонка с фаской f = 0,06h имеет расчетную площадь Асм смятия:
Подставив значения F1 и Асм в формулу проверочного расчета, получим:
В проектировочном расчете соединения, после выбора размеров b и h поперечного сечения шпонки по стандарту, определяют расчетную рабочую длину lp :
Проверочный расчет соединения сегментной шпонкой выполняют на смятие:
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.
Рекомендации по конструированию шпоночных соединений
При проектировании и конструировании шпоночных соединений следует придерживаться следующих рекомендаций, основанных на опыте эксплуатации и аналитических выводах:
Пример проектировочного расчета шпонки
Решение
Выполняем проектировочный расчет, на основании которого подбираем нужную шпонку.
Выбор соединения:
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 :
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:
Шпонка и шпоночное соединение
Шпоночное соединение – разновидность соединения, состоящего из шпонки на валу и ступицы. Шпонкой называется деталь, которая соединяет узлы путем установки в пазы. Основной ее функцией является передача вращающего момента между узлами. Существует определенная стандартизация их разновидностей. Шпонка имеет специальные пазы, вырезанные путем фрезерования.
Применение
Основным применением шпоночных соединений является монтаж на вал с помощью пазового соединения. В большинстве своем шпоночный паз напоминает клин. Такой тип соединения деталей позволяет валу и ступице не проворачиваться относительно оси друг друга. Фиксированное положение ступицы к валу со шпонкой позволяет добиться высокого КПД при передаче усилия.
Наиболее часто шпоночное соединение можно встретить в машиностроении, при строительстве станков. Часто она используется при производстве автомобилей и других механизмов, где требуется повышенная надежность фиксации деталей машин. Высокая надежность достигается благодаря функции предохранительного узла вала со шпоночным пазом.
Шпонка выступает предохранителем в случаях превышения максимального уровня крутящего момента. В подобных случаях происходит срез шпонки, поглощая чрезмерную нагрузку она снимает ее из вала и ступицы.
Благодаря своим свойствам она стала широко распространенной в машиностроении, она отличается высокой эффективностью, простотой изготовления и монтажа, а также низкой стоимостью. Подобные характеристики особо важны в промышленном производстве, особенно в сельском хозяйстве. В разгар сезона часто возникают случаи поломок отдельных узлов, которые нужно заменить максимально быстро. Чаще всего можно встретить в узлах пресс-подборщиков.
Учитывая все вышесказанное, выделяются основные позиции, для чего нужна шпонка:
В общем, встретить шпоночное соединение можно практически в любом сложном механизме, что обусловлено его техническими характеристиками.
Виды шпонок
Основные виды шпонок делят на два типа: напряженные и ненапряженные. Среди которых выделяются такие типы шпонок:
Исходя из типа посадки выделяются:
Обозначения на чертежах
На чертежах обозначение призматических шпонок происходит исходя из нормативного документа ГОСТ. Они делятся на шпоночные пазы: высокие, нормальной высоты и направляющие. Рабочими гранями у них являются боковые.
На сборочном чертеже обозначение выполняется с учетом диаметра вала, крутящего момента, сечения и длины.
Шпонка 3–20Х12Х120 ГОСТ 23360-78;
Где 3 – исполнение, 20Х12 – сечение, 120 – длина.
Обозначение остальных типов шпонок на изображениях выполняется таким же образом, исходя из соответствующих ГОСТов, разработанных для каждой отдельной модели.
Указанное обозначение должно четко характеризировать деталь, что очень важно для получения надежного соединение. Ведь даже малейший зазор может стать причиной быстрого износа рабочих узлов и потери эффективности во время работы.
Достоинства и недостатки
Как и любой тип соединений, шпоночные имеют ряд достоинств и недостатков. К достоинствам шпоночных соединений можно отнести простоту большинства типов шпонки. При этом монтаж и замена такой детали выполняется легко и быстро. Благодаря чему они получили широкое применение в машиностроении. Также обеспечивает функцию предохранения.
К недостаткам относиться ослабление ступицы и вала. Оно возникает исходя из повышенного напряжения и уменьшения поперечного сечения. Также ослабление деталей вызвано из-за нарезанного паза, который снижает осевую прочность вала.
Чтобы минимизировать недостатки, нужно добиться отсутствия перекоса шпонки в пазе. Для этого нужно обеспечить отсутствие зазора, что делается путем индивидуального изготовления и подгона шпонки. Из-за этого в крупносерийном производстве редко применяют любые разновидности шпоночных соединений. Если добиться отсутствия перекоса не удалось, площадь рабочего контакта уменьшается, в следствие чего степень максимальной нагрузки уменьшается.
Также наличие зазора вызывает эффект биения, особенно на высоких скоростях. Это приведет к быстрому износу рабочих деталей. Из-за этого подобное соединение редко применяется для быстровращающихся валов. Для подбора подходящей шпонки лучше использовать таблицу шпоночных соединений.
Материал шпонок
Для изготовления шпоночного соединения применяют калибровочный металлопрокат. Чаще всего используется сталь марки 45. Она относиться к углеродистым сталям обычного типа, которая часто применяется для производства деталей высокой прочности. Сталь используется в виде бруска длиной 1 м.
В некоторых случаях может применять углеродистая сталь марки 50. Она необходима, когда требуется повышенные прочностные свойства полученных шпонок. Реже применяются легированные стали, например, марки 40х, для которой характерен высокий показатель твердости, достигаемый путем термической обработки.
Стальные заготовки обрабатываются с помощью фрезы, сверлильных станков, станков для рубки, шлифовальных машин и других инструментов. Используемые станки имеют блок управление, который позволяет с помощью числовых программ изготовить деталь необходимых параметров.
Цена полученной шпонки довольно низка, поэтому приобрести необходимую деталь довольно легко. Но в некоторых случаях, когда есть необходимость срочного получения шпонки, изготовить ее можно самостоятельно. Чаще всего подобная необходимость возникает в сельском хозяйстве, где во время сезонных работ часто возникают поломки, которые нужно отстранить. При этом ближайшие точки продажи необходимых деталей находиться на расстоянии в несколько десятков километров.
Имея небольшое количеству инструмента под рукой и заготовку из соответствующего материала, можно быстро изготовить временную замену. При соблюдении технических характеристик, полученная деталь сможет полноценно заменить заводскую, но лучше всего при первой возможности приобрести шпонку нужной прочности и геометрических параметров. Это необходимо для избежание преждевременного износа механизмов.
Иногда для производства могут использовать другие материалы, например, пластик высокого качества. В качестве материала может использоваться дерево, чаще всего при изготовлении мебели.
В качестве материала лучше использовать разные породы дерева, для шпонки подойдет более мягкий материал чем основной. Это позволит обезопасить основную конструкцию от повреждений в случае повышенной нагрузки. Легче заменить шпонку чем большой конструкционный узел.
Для предотвращения проникания влаги в железобетонные конструкции используются специальные шпонки – ватерстоп. Изготавливают их из резины высокого качества и ПВХ. Это позволяет добиться необходимой степени водонепроницаемости и стойкости к растворам агрессивных химических веществ.
Заключение
Такой тип соединения отличается простотой и достаточно высокой надежностью, из-за чего получил высокую популярность в промышленности. Разнообразие видов позволяет подобрать оптимальный тип соединения, что позволит добиться высокой эффективности, надежности готовой конструкции и страховку узлов от повреждений при повышении допустимых нагрузок. Подобрав шпонку исходя из соответствующих ГОСТов, можно добиться высокой эффективности работы соединения.
На сегодняшний день можно легко подобрать необходимую деталь, что позволяет быстро сделать монтаж и замену в случае необходимости.