Шпоночные соединения

Шпоночное соединение – один из видов соединений вала со втулкой с использованием дополнительного конструктивного элемента (шпонки), предназначенной для предотвращения их взаимного поворота. Чаще всего шпонка используется для передачи крутящего момента в соединениях вращающегося вала с зубчатым колесом или со шкивом, но возможны и другие решения, например – защита от поворота кронштейна тяжелой стойки при его продольном перемещении относительно неподвижной колонки (направляющее шпоночное соединение).

По форме шпонки разделяются на призматические, сегментные, клиновые и тангенциальные. В стандартах предусмотрены разные исполнения шпонок: например, призматических шпонк с двумя закругленными торцами, с одним закругленным торцом, с незакругленными торцами, сегментные полной формы и со срезанным краем сегмента.

Наиболее часто применяются призматические шпонки. Они дают возможность получать как подвижные, так и неподвижные соединения. Длины шпонок l выбирают из ряда: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 40, 45, 50, 56, 63 и далее до 500 мм с полем допуска h 14. Для длины L глухого шпоночного паза установлено поле допуска Н 15.

Значения размеров предельных отклонений глубин пазов на валу t 1 и во втулке t 2 в зависимости от высоты шпонки h приведены в таблицах 28, 29.

По высоте шпонки в сопряжении предусмотрено образование зазора по номиналу, для чего сумма глубин пазов превышает высоту шпонки.

Таблица 28

Предельные отклонения глубин пазов на валу t 1 и во втулке t 2

Высота шпонки h, мм	Глубина паза на валу t 1, мм	Предельные отклонения размеров, мм
t 1 или (d – t 1)	d + t 1
От 2 до 6	От 1,2 до 3,5	+0,1 или (-0,1)	+0,1
Св. 6 до 8	Св. 3,5 до 11	+0,2 или (-0,2)	+0,2
Св. 18 до 50	Св. 11 до 31	+0,3 или (-0,3)	+0,3

Таблица 29

Размеры призматических шпонок и шпоночных пазов

d	b	h	t1	t2	l
От 6 до 8			1,2	1,0	6…20
Св. 8 до 10			1,8	1,4	6…36
Св. 10 до 12			2,5	1,8	8…45
Св. 12 до 17			3,0	2,3	10…56
Св. 17 до 22			3,5	2,8	14…70
Св. 22 до 30			4,0	3,3	16…63
Св. 22 до 30			4,0	3,3	18…90

Для образования неподвижных соединений можно использовать сегментные и клиновые шпонки. Форма и размеры сечений шпонок и пазов стандартизованы и выбираются в зависимости от диаметра вала, а вид шпоночного соединения определяется условиями работы соединения.

В отличие от соединений вал-втулка с натягом, которые обеспечивают взаимную неподвижность деталей без дополнительных конструктивных элементов, шпоночные соединения – разъемные. Они позволяют осуществлять разборку и повторную сборку конструкции с обеспечением того же эффекта, что и при первичной сборке (рис. 3.107)

а

б

Рис. 3.107. Сечение шпоночного соединения с призматической шпонкой;

а) геометрические размеры элементов шпоночного соединения;

б) образуемые посадки

Из рис. 3.107 видно, что шпоночное соединение предполагает создание трех посадок: вал-втулка (центрирующее сопряжение) шпонка-паз вала и шпонка-паз втулки. В шпоночном соединении возможно и еще одно сопряжение – по длине шпонки, если призматическую шпонку с закругленными торцами закладывают в глухой (закрытый с двух сторон) паз на валу.

Точность центрирования деталей в шпоночном соединении обеспечивается посадкой втулки на вал. Это обычное гладкое цилиндрическое сопряжение, которое можно назначить с очень малыми зазорами или натягами.

Однако правильное назначение посадки для этого соединения существенно влияет на условия работы шпоночного сопряжения. Для повышения точности центрирования предпочтительно применение переходных посадок или даже посадок с небольшим натягом.

По высоте как и по «глубине» призматической шпонки сопряжение практически отсутствует, поскольку специально предусмотрен зазор по номиналу (суммарная глубина пазов втулки и вала больше высоты шпонки). В клиновых шпоночных соединениях зазор по высоте обычно выбирают, продольным перемещением шпонки, но при этом зазор в центрирующем сопряжении (если он есть) также выбирают в одну сторону, что приводит к относительному смещению осей вала и отверстия.

По высоте призматических и сегментных шпонок сопряжения отсутствуют, поскольку специально предусмотрены зазоры по номиналу (суммарная глубина пазов втулки и вала больше высоты шпонки) и на точность центрирования эти элементы не влияют.

Рекомендуемые поля допусков для соединений вал-втулка приведены в таблице 30.

Таблица 30

Рекомендуемые поля допусков для соединения вал - втулка

Условия работы пары вал – втулка	Характер сопряжения	Рекомендуемые поля допусков
отверстия	вала
Возможность осевого перемещения втулки по валу	С зазором	H 6, H 7	h 6, g 6, f 6
Обеспечение высокой точности центрирования, минимальное радиальное биение	Переходные	H 7	js 6, k 6, m 6,
Наличие больших динамических нагрузок, возможность реверсивного движения	С натягом	H 6	s 7
H 7	s 8

В клиновых шпоночных соединениях зазор по высоте обычно выбирают, продольным перемещением шпонки, но при этом зазор в центрирующем сопряжении (если он есть) также выбирают в одну сторону, что приводит к относительному смещению осей вала и отверстия.

Шпоночные соединения могут быть подвижными или неподвижными в осевом направлении. Вдоль вала с направляющей шпонкой обычно перемещается зубчатое колесо, блок зубчатых колес, полумуфта или другая деталь (здесь направляющей является вал со шпонкой). В подвижных соединениях часто используют направляющие шпонки с креплением к валу винтами. Шпонки могут быть также закреплены на втулке и служить для передачи крутящего момента или для предотвращения поворота втулки в процессе ее перемещения вдоль неподвижного вала. Так шпонка, закрепленная на кронштейне тяжелой стойки для установки измерительных головок типа микрокаторов, предназначена для предотвращения поворота кронштейна при его продольном перемещении по колонке стойки. В этом случае направляющей является колонка – вал со шпоночным пазом.

Работоспособность шпоночных соединений определяется в основном точностью посадок по ширине шпонки b. Остальные размеры задаются так, чтобы максимально облегчить процесс сборки при сохранении необходимой надежности соединения. Допуски других элементов в шпоночных соединениях приведены в таблице 31.

Таблица 31

№ п/п	Наименование элемента детали шпоночного сопряжения	Условное обозначение	Поле допуска
	Высота шпонки: до 6 мм свыше 6 мм	h	h 9 h 11
	Длина шпонки	l	h 14
	Длина паза на валу	L паз	H 15
	Длина паза во втулке	L вт	H 15
	Исполнительная глубина паза: вала втулки	t 1 t 2	H 12 H 12
	Диаметр сегментной шпонки	d	h 12

По сопрягаемому размеру (ширина шпонки и пазов вала и втулки) для призматических шпонок предусмотрено три варианта соединения: свободное, нормальное и плотное (таблица 32).

Таблица 32

Поля допусков ширины пазов вала и втулки для разных соединений

Вид шпоночного соединения	Поле допуска ширины паза
на валу	во втулке
Свободное Нормальное Плотное	Н 9 N 9 Р 9	D 10 Js 9 Р 9

Наибольшее распространение в общем машиностроении имеет нормальное соединение; свободное соединение применяют главным образом для направляющих шпонок, иногда при наличии объемной термообработки; плотное соединение – в случае реверсивного или старт-стопного режима вращения вала.

Для обеспечения собираемости шпоночного соединения к шпоночным пазам вала и втулки предъявляются определенные требования точности расположения. Устанавливаются допуски параллельности шпоночного паза относительно оси соответствующей ступени детали и его симметричности. Допуск параллельности определяется по классу относительной геометрической точности А и составляет около 60 % от допуска на ширину шпоночного паза, а допуск симметричности, заданный в диаметральном выражении, составляет примерно четыре допуска ширины шпоночного паза:

Т_// = 0,6 IT, Т = 4 IT.

Расчетные значения округляются до стандартных по ГОСТ 24643-81.

Шероховатость поверхностей шпоночного паза выбирается в зависимости от полей допусков размеров шпоночного соединения

Ra = (3,2 …6,3) мкм.

Условные обозначения на чертежах.

Условное обозначение призматических шпонок включает следующие элементы:

· слово «Шпонка»;

· обозначение исполнения (исполнение 1 не указывают);

· размеры сечения b × h и длины шпонки l;

· обозначение стандарта.

Пример условного обозначения призматической шпонки исполнения 2 с размерами b = 4 мм, h = 4 мм, l = 12 мм

Шпонка 2 – 4 × 4 × 12 ГОСТ 23360 –78.

Пример условного обозначения призматической направляющей шпонка исполнения 3 с размерами b = 12 мм, h = 8 мм, l = 100 мм

Шпонка 3 – 12 × 8 × 100 ГОСТ 8790 –79.

Сегментные шпонки обычно применяют для передачи небольших крутящих моментов. Размеры сегментных шпонок и шпоночных пазов (ГОСТ 24071-80) выбирают в зависимости от диаметра вала.

Виды полей допусков ширины пазов для сегментных шпоночных соединений зависят от характера шпоночного соединения (таблица 33).

Таблица 33

Шпоночные соединения с сегментными шпонками

Характер шпоночного соединения	Поле допуска ширины паза
на валу	во втулке
Нормальное	N 9	Js 9
Плотное	Р 9	Р 9

Для термообработанных деталей допускаются предельные отклонения ширины паза вала по Н 11, ширины паза втулки – D 10 (соединение свободного типа).

Стандарт устанавливает следующие поля допусков размеров шпонок:

· ширины b – h9;

· высоты h (h1) – h 11;

· диаметра D – h 12.

Условное обозначение сегментных шпонок состоит из слова «Шпонка»; обозначения исполнения (исполнение 1 не указывают); размеров сечения b × h (h 1); обозначения стандарта. Пример условного обозначения сегментной шпонки исполнения 2 с размерами b = 4 мм и h = 6,5 мм:

Шпонка 2 – 4 × 6,5 ГОСТ 24701 –80.

Клиновые шпонки применяют в неподвижных шпоночных соединениях, когда требования к соосности соединяемых деталей невысоки. Размеры клиновых шпонок и шпоночных пазов нормированы ГОСТ 24068 – 80. Длину паза на валу для клиновой шпонки исполнения 1 выполняют равной 2 l, для остальных исполнений длина паза равна длине l закладной шпонки.

Предельные отклонения размеров b, h, l для клиновых шпонок такие же, как и для призматических (ГОСТ 23360 – 78).

По ширине шпонки b стандарт устанавливает соединения по ширине паза вала и втулки с использованием полей допуска D 10. Длина паза вала L – с полем Н 15. Предельные отклонения глубины пазов t 1 и t 2 соответствуют отклонениям для призматических шпонок.

Предельные отклонения угла наклона верхней грани шпонки и паза ± АТ10/2 по ГОСТ 8908-81.

Пример условного обозначения клиновой шпонки исполнения 2 с номинальными размерами b = 8 мм, h = 7 мм, l = 25 мм:

Шпонка 2 – 8 × 7 × 25 ГОСТ 24068 – 80.