Как сделать сегментную шпонку

Обновлено: 04.07.2024

Чтобы изготовить шпонку необходимо знать, что это довольно сложная операция, если вы хотите это делать в одиночку. Но современные технологии и оснащение производства новым оборудованием поможет быстро и эффективно добиться изделия высокого качества.

Чаще всего основным продуктом, из которого изготавливают шпонки, является конструкционная углеродистая сталь 45. Выбирают эту марку неспроста, так как у нее имеются высокие физико-химические особенности.

Итак, разберем пошагово как проходит процесс производства шпонки. В пример возьмем металлическое кольцо и сделаем из него материал с одним из популярных размеров 5x5.

1.) Для изготовления рассматриваемого изделия нам понадобится токарный станок. Берем наше кольцо из толстостенной трубы.

2.) Закрепляем на станке стальной предмет и, с помощью, болгарки добиваемся обрезки стенки изделия.

3.) Для изменения формы и превращения металлического круга в квадратный стержень, молотком и пассатижами ровняем данное кольцо.

4.) Процесс может быть длительным, но в любом случае к шпонке можно прийти.

Шпоночные соединения передают вращающий момент от вала к колесу и служат для закрепления на валах и осях различных деталей машин — зубчатых колёс, муфт, шкивов. Образуются посредством шпонки, установленной в сопряжённые пазы вала и колеса.

Шпонка имеет вид призмы, клина или сегмента, реже применяются шпонки других форм. Шпоночные соединения:

просты;
надёжны;
удобны в сборке и разборке;
дёшевы.

ослабляют сечение валов и ступиц колёс;
концентрируют напряжения в углах пазов;
нарушают центрирование колеса на валу (для этого приходится применять две противоположные шпонки).

Виды шпоночных соединений:

ненапряжённые — призматические или сегментные шпонки, передают момент боковыми гранями;
напряжённые — клиновые шпонки, передают момент за счёт сил трения по верхним и нижним граням;
тангенциальные — состоят из двух клиньев с одинаковым уклоном, составленных так, что рабочие грани их взаимнопараллельны.

Шпонки всех основных типов стандартизованы.

Для призматических шпонок стандарт указывает ширину и высоту сечения. Глубина шпоночного паза в валу принимается как 0,6 от высоты шпонки. Призматические и сегментные шпонки всех форм испытывают смятие боковых поверхностей и срез по средней продольной плоскости:

σ_смят = 2 × M_вращ / (0,4 × h × d × l ≤ [σ]_смят;
τ_срез = 2 × M_вращ / (b × d × l ≤ [τ]_срез,

где h — высота сечения шпонки, d — диаметр вала, b — ширина сечения шпонки, l — рабочая длина шпонки (участок, передающий момент).

Исходя из статистики поломок, расчёт на смятие проводится как проектный. По известному диаметру вала задаются стандартным сечением призматической шпонки и рассчитывают рабочую длину. Расчёт на срез — проверочный. При невыполнении условий прочности увеличивают рабочую длину шпонки.

Сборка шпоночных соединений

Призматические шпонки подлежат замене при:

смятии боковых граней;
ослаблении посадки;
смятии шпоночной канавки.

Разборку шпоночного соединения можно вести различными способами, в зависимости от конструкции соединения. Для разборки в средней части шпонки выполняют резьбовое отверстие и ввёртывают в него винт. При подгонке и сборке призматических шпонок рекомендуется выполнить скос на поверхности шпонки со стороны вала, на длину не более высоты шпонки, с обратной стороны сделать пометку. Непременное условие процесса разборки шпоночного соединения — сохранение чистоты и точности посадочных мест.

При небольшой выработке стенки канавки необходимо выровнять стенки шпоночной канавки до получения правильной формы и изготовить новую шпонку, с увеличенным сечением. Расширение шпоночной канавки допускается на величину, не превышающую 10-15% от первоначального размера. При изготовлении новой шпонки и ремонте шпоночной канавки обработку следует вести соответствующим инструментом. Засверливание шпоночных канавок должно проводиться фрезой.

Перед сборкой детали очищают и проверяют посадочные размеры, наличие на сопрягаемых поверхностях забоин, заусенцев и других дефектов. Измерение глубины пазов, высоты и правильности установки шпонок проводится с использованием щупов, шаблонов, индикаторов перемещения часового типа и специальных подставок.

Посадку шпонки в паз вала проводят лёгкими ударами медного молотка (или молотка из мягкого металла), под прессом или с помощью струбцин. Перекос шпонки и врезание в тело паза не допускаются. Отсутствие бокового зазора между шпонкой и пазом проверяют щупом, затем насаживают охватывающую деталь (колесо, шкив) и проверяют наличие радиального зазора.

При сборке клиновых шпонок необходимо следить за тем, чтобы шпонка плотно прилегала к дну паза вала и втулки и имела зазоры по своим боковым стенкам. Верхняя грань клиновых шпонок должна быть выполнена с уклоном по длине 1:100. Уклоны на рабочей поверхности шпонки и в пазе втулки должны совпадать, иначе деталь будет сидеть на валу с перекосом. Точность посадки шпонки проверяется щупом с обеих сторон втулки. При сборке пазы вала или поверхности шпонки припиливают или пришабривают для исключения перекоса и смещения. В собранном соединении головка клиновой шпонки не должна доходить до торца ступицы на величину, равную высоте шпонки. Во избежание выпадения клиновых и тангециальных шпонок (при их ослаблении) у головок устанавливают упоры на винтах. Следует отметить неопределённость возникающих усилий при запрессовке клиновых шпонок. Это может привести к повреждению ступиц охватываемых деталей.

Шпонки размером сечения более 28×16 мм необходимо проверять на краску по посадочным местам до получения пяти и более отпечатков на квадратный сантиметр поверхности. Перед установкой шпонки необходимо зачистить и смазать маслом шпонку и шпоночную канавку. Не допускается во всех видах шпоночных соединений устанавливать какие-либо подкладки для достижения плотной посадки шпонок.

Сегментные шпонки в меньшей мере подвержены перекосу и не требуют ручной пригонки (так как шпоночный паз получают фрезой, соответствующей размеру шпонки); паз под сегментную шпонку более глубокий, что ослабляет сечение вала.

В собранном соединении между верхней гранью призматической шпонки и основанием паза ступицы (рисунок 4.1) радиальный зазор должен соответствовать приведенным в таблице 4.1 данным. В соединениях с клиновой шпонкой (рисунок 4.2) боковой зазор между пазом и шпонкой не должен превышать величин, указанных в таблице 4.2.

Рисунок 4.1 — Зазор при установке призматических шпонок

Таблица 4.1 — Значения радиального зазора для призматических шпонок в зависимости от диаметра вала

Диаметр вала, мм	Радиальный зазор, мм
от 25 до 90	0,3
от 90 до 170	0,4
свыше 170	0,5

Рисунок 4.2 — Зазоры при установке клиновых шпонок

Таблица 4.2 — Значения бокового зазора для клиновых шпонок в зависимости от размера шпонок

Нормальные размеры шпонок, мм	Боковой зазор, мм
b = 12…18; h = 5…11	0,35
b = 20…28; h = 8…16	0,4
b = 32…50; h = 11…28	0,5
b = 60…100; h = 32…50	0,6

Направляющие призматические шпонки устанавливают с дополнительным креплением в пазу винтами, в пазу перемещаемых деталей делают более свободную посадку.

Шлицевые соединения

Шлицевые соединения образуются выступами на валу, входящими в сопряжённые пазы ступицы колеса. По внешнему виду и по динамическим условиям работы шлицы можно считать многошпоночными соединениями. Некоторые авторы называют их зубчатыми соединениями. В основном используются прямобочные шлицы, реже — эвольвентные и треугольные профили шлицев. Число шлицев принимают чётным (6, 8, 10).

Прямобочные шлицы могут центрировать колесо по боковым поверхностям, по наружным и внутренним поверхностям (рисунок 4.3). Точные соединения центруют по наружному или внутреннему диаметру, а соединения, передающие большой крутящий момент, — по боковым поверхностям.

Рисунок 4.3 — Виды центрирования прямобочных шлицевых соединений: а) по наружному диаметру; б) по боковым поверхностям; в) по внутреннему диаметру

В сравнении со шпонками, шлицы:

имеют большую несущую способность;
передают больший крутящий момент;
лучше центрируют колесо на валу;
усиливают сечение вала за счёт большего момента инерции ребристого сечения по сравнению с круглым;
требуют специального оборудования для изготовления отверстий.

Основными критериями работоспособности шлицев являются:

сопротивление боковых поверхностей смятию (расчёт аналогичен шпонкам);
сопротивление износу при фреттинг-коррозии (малые взаимные вибрационные перемещения).

Смятие и износ связаны с одним параметром — контактным напряжением σ_см. Это позволяет рассчитывать шлицы по обобщённому критерию — одновременно на смятие и контактный износ. Допускаемые напряжения [σ]_см назначают на основе опыта эксплуатации подобных конструкций. Для расчёта учитывается неравномерность распределения нагрузки по зубьям:

где Z — число шлицев, h — рабочая высота шлицев, l — рабочая длина шлицев, d_ср — средний диаметр шлицевого соединения.

Для эвольвентных шлицев рабочая высота принимается равной модулю профиля, за d_ср принимают делительный диаметр. Условные обозначения прямобочного шлицевого соединения составляют из обозначения поверхности центрирования D, d или b, числа зубьев Z, номинальных размеров d×D (а также обозначения полей допусков по центрирующему диаметру и по боковым сторонам зубьев). Например, D-8×36 H7/q6×40 означает восьмишлицевое соединение с центрированием по наружному диаметру с размерами d = 36 мм, D = 40 мм и посадкой по центрирующему диаметру H7/q6.

При центрировании по наружному диаметру с посадкой по диаметру центрирования H8/h7:

D-8×36×42 H8/h7×7 D10/d10.

Сборка шлицевых соединений

При шлицевом соединении охватывающая деталь может центрироваться по поверхностям впадин, выступов или по поверхности шлицев. Шлицевые соединения бывают жёсткие и подвижные. Подвижные соединения имеют обычно посадку с зазором и собираются от руки, перед сборкой детали смазывают. Жёсткие соединения могут иметь переходную посадку или посадку с натягом и собираются путём нагрева до температуры 80-120 °С и прессования охватывающей детали на вал.

Жёсткие шлицевые соединения после сборки проверяют на биения, а подвижные соединения — на равномерность проворачивания относительно неподвижного вала в четырёх диаметральных сечениях. При сборке ответственных шлицевых соединений прилегание сопрягаемых поверхностей проверяют на краску.

Сегментная шпонка является разновидностью призматической шпонки, так как принцип работы этой шпонки подобен принципу работы призматической шпонки. Конструкция соединения с помощью сегментной шпонки показана на рис. Глубокая посадка шпонки обеспечивает ей более устойчивое положение, чем у простой призматической шпонки. Однако глубокий паз значительно ослабляет вал, поэтому сегментные шпонки применяют главным образом для закрепления деталей на малонагруженных участках валах, например на концах валов. Аналогично соединению с призматической шпонкой для сегментной шпонки получим

При длинных ступицах можно ставить в ряд по оси вала две сегментные шпонки.

Бывает, что такие шпонки считают еще и на срез .

Шлицевые соединения. Назначение и типы шлицевых (зубчатых) соединений, их сравнительная оценка. Область применения. Способы центрирования деталей шлицевых соединений, обоснование выбора способа центрирования.

Шлицевые соединения валов со ступицами (зубчатых колес, шкивов и т. п.) применяют для передачи вращающего момента. На валу изготовляют выступы (зубья), входящие во впадины (шлицы) ступицы.

Достоинства шлицевых соединений: высокая несущая способность благодаря значительно большей рабочей поверхности шлицев; высокая усталостная прочность вала вследствие незначительной концентрации напряжений; возможность применения точных и производительных методов обработки шлицев в ступицах (протягиванием) и зубьев на валах (фрезерованием червячными фрезами, шлифованием, как при нарезании зубьев зубчатых колес). Этим достигается высокая точность центрирования шлицевых соединений.

Недостатки: высокая стоимость соединений из-за сложности технологического оборудования (зубофрезерные, протяжные и шлифовальные станки); изготовление шлицевых соединений становится экономически целесообразным лишь при крупносерийном и серийном производствах.

Различают шлицевые соединения неподвижные и подвижные с возможностью перемещения деталей вдоль оси под нагрузкой или без нагрузки. (Например, шлицевые соединения сверлильных шпинделей станков, карданных валов автомобилей и др.) Шлицевые (зубчатые) соединения стандартизованы. При данном диаметре соединения стандартами установлено число и размеры шлицев (зубьев), а также допуски на их размеры.

В машиностроении применяют прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицы.

В настоящее время наиболее распространены давно применяемые прямобочные шлицевые соединения (около 80%) по ГОСТу 1139-80. В поперечном сечении профиль прямобочных шлицев очерчивается окружностью выступов зубьев D, окружностью впадин d, и прямыми, определяющими постоянную толщину зубьев b. Стандартом предусмотрены три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая. С переходом от легкой к средней и тяжелой сериям при одном и том же внутреннем диаметре d, увеличивают наружный диаметр D и число зубьев z, что повышает несущую способность соединений. Соединения с прямобочными шлицами выполняют с центрированием по наружному диаметру D, по внутреннему диаметру d, и по боковым граням b.

При выборе способа центрирования руководствуются величиной и характером нагрузки на соединение, требованиями по точности центрирования деталей соединения. Несущую способность шлицевых соединений и износостойкость шлицев можно значительно увеличить повышением твердости рабочей поверхности (боковых граней) шлицев путем закалки их до высокой твердости. Однако после закалки происходит искажение сопрягаемых поверхностей, которое можно устранить лишь последующим шлифованием, которое не всегда можно выполнить. Наружное шлифование шлицевых валов по диаметру D выполняется легко; сложнее шлифовать отверстия в ступицах по диаметру d и боковые грани зубьев шлицевых валов; невозможно шлифовать боковые грани шлицев и впадины между шлицами по диаметру D у ступиц.

Наиболее надежным (но и более сложным в изготовлении) является соединение, в котором вал и ступица закалены до высокой твердости после нарезки зубьев. В этом случае для получения необходимой точности сопряжения ступицу и вал центрируют по диаметру d. Менее надежным, но и более простым в изготовлении является соединение, в котором отверстие ступицы не закалено и поэтому может быть окончательно получено протягиванием, а вал с предварительно нарезанными зубьями закаливается и шлифуется по наружному диаметру D. В этом случае центрирование осуществляют по D. И, наконец, самое простое в изготовлении, но и менее надежное центрирование по боковым поверхностям зубьев применяют в тихоходных механизмах при больших вращающих моментах. Вал и ступица в этом случае не закалены и зубья на них окончательно нарезают (протягивают) без шлифования.

Более перспективны соединения с эвольвентными зубьями (шлицами). Их выполняют с центрированием по боковым, рабочим поверхностям или по наружному диаметру; наиболее распространен первый способ центрирования из-за простоты его получения. Профиль эвольвентных шлицев очерчивается, как и профиль зубьев эвольвентных зубчатых колес, окружностью вершин, окружностью впадин и эвольвентами с углом зацепления 30° (у зубчатых колес 20°) при уменьшенной высоте зуба h = m (у зубчатых колес h = 2,25m). Размеры эвольвентных шлицев определяются по ГОСТу 6033-88.

Достоинства эвольвентных шлицевых соединений по сравнению с прямобочными: выше прочность на изгиб благодаря утолщению зубьев у основания; меньше концентрация напряжений, поэтому выше сопротивление усталости; выше прочность на смятие благодаря увеличенному числу зубьев; при производстве требуется меньшая номенклатура фрез, так как эвольвентные шлицы одинакового модуля можно нарезать одной фрезой или долбяком, в то время как при изготовлении прямобочных шлицев для каждого размера и числа зубьев требуется отдельная фреза; при обработке зубьев (шлицев) могут быть использованы совершенные технологические процессы, применяемые для изготовления зубьев зубчатых колес.

Недостатки: более дорогие эвольвентные протяжки для малых диаметров ступиц, шлифование эвольвентных шлицев более сложно, чем прямобочных.

Шлицевые соединения треугольного профиля применяют редко при стесненных габаритах в радиальном направлении. Эти соединения центрируют по боковым сторонам зубьев. Размеры шлицев треугольного профиля установлены отраслевыми стандартами (ОСТ) и нормалями. В основном их применяют в кинематических (приборных) механизмах. При необходимости беззазорного соединения применяют конические соединения треугольного профиля с конусностью 1 : 16 на валу.

Шпоночные соединения образуются шпонкой — металлическим стержнем, находящимся одновременно в пазах вала и устанавливаемой на него детали (ступицы). Шпонки служат для передачи крутящего момента от вала к ступице или, наоборот, от ступицы к валу. Кроме того, шпонки обеспечивают фиксацию ступицы на валу в осевом положении. По условиям эксплуатации шпоночные соединения подразделяются на напряженные и ненапряженные. Напряженными называют соединения, в которых при отсутствии внешних сил и моментов постоянно действуют внутренние силы упругости, возникающие в результате предварительного затягивания.

В зависимости от конструкции различают шпоночные соединения с призматическими, сегментными, направляющими, скользящими и клиновыми шпонками, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Призматические шпонки имеют прямоугольное сечение, противоположные грани у них параллельны. Работают эти шпонки боковыми сторонами. Призматические шпонки изготавливаются в двух исполнениях: с закругленными и плоскими торцами. Соединение шпонки с валом неподвижное напряженное. В паз ступицы шпонка входит с зазором.

Сегментные шпонки подобно призматическим работают боковыми гранями. При необходимости по длине вала могут устанавливаться две, а иногда и три шпонки. К достоинствам сегментных шпонок относится простота изготовления как самих шпонок, так и пазов под них, к недостаткам — необходимость изготовления глубоких пазов в валах, что снижает прочность последних. В связи с этим сегментные шпонки применяют только для передачи сравнительно небольших моментов.

Направляющие шпонки применяют в тех случаях, когда ступица должна иметь возможность перемещаться вдоль вала. Такие шпонки крепят к валу при помощи винтов. Для крепления шпонки к валу в ней выполняют два отверстия, имеющих углубления под головки винтов. Еще одно отверстие выполняется в шпонке для подвода смазки. Соединение шпонки с пазом вала неподвижное плотное, а с пазом ступицы — свободное с зазором,

Скользящие шпонки применяют вместо направляющих в тех случаях, когда требуется значительное перемещение ступицы вдоль вала. Шпонка имеет цапфу, которая входит в отверстие, выполненное в ступице, перемещаемой вдоль вала. При изменении положения ступицы на валу шпонка перемещается вместе со ступицей по пазу вала.

Клиновые шпонки в совокупности с валом и ступицей образуют напряженное соединение. Они представляют собой клин прямоугольного сечения с уклоном 1:100, Работают такие шпонки широкими гранями и обеспечивают неподвижное крепление детали на валу. Клиновые шпонки плохо центрируются, поэтому применяются только для неответственных тихоходных передач.

При сборке шпоночного соединения большое значением имеет строгое соблюдение посадок в соединении шпонки с валом и ступицей. Одной из основных причин неправильного распределения нагрузки и смятия шпонки является увеличение зазора в соединении. К смятию может также привести неправильное расположение паза на валу нередко наблюдается и перекос осей пазов относительно оси вала, что значительно затрудняет сборку шпоночного соединения и вызывает перекос охватывающей детали на валу.

Прежде чем приступить к сборке шпоночных соединений, особенно ответственных, необходимо произвести контроль размеров шпоночного паза на валу и его расположения относительно оси вала.

Контроль глубины паза (рис. 1, а) осуществляется при помощи шаблона и щупа.

Проверку положения боковых сторон шпоночного паза относительно его оси осуществляют при помощи клиновых плиток (рис. 1, б), которые укладывают в паз, а затем щупом контролируют зазоры в точках I и II. При отсутствии перекоса боковых стенок паза зазор должен быть одинаковым.

Отклонение от параллельности стенок шпоночного паза относительно оси вала может быть определен индикаторным прибором (рис. 1, в). При отсутствии отклонения от параллельности показания индикатора на одном и другом конце паза должны быть одинаковы.

Рис. 1. Схемы контроля ответственных соединений со шпонками:
а — глубины шпоночного паза; б — положения стенок паза относительно его оси; в — перекоса паза относительно его оси; I, II — точки установки измерительных призм; S — измерительная ножка индикатора; l — расстояние от боковой поверхности шпоночного паза до точки контакта измерительной ножки индикатора с поверхностью вала

Сборка шпоночного соединения.

Сборку шпоночного соединения начинают с пригонки шпонки по пазу вала, предварительно притупив острые кромки пазов и шпонок. После пригонки шпонку устанавливают в пазу вала, обеспечивая указанную на чертеже посадку. Поскольку, в большинстве случаев, шпонка устанавливается в пазу вала по посадке с натягом, то для ее установки следует использовать медный молоток, струбцину или пресс.

При установке направляющих шпонок следует, используя отверстия под винты, выполненные в шпонке, в качестве кондуктора просверлить отверстия в пазу вала и нарезать в них резьбу для крепежных винтов и после этого закрепить шпонку в пазу вала.

После установки шпонки в паз вала необходимо проверить высоту выступающей части при помощи микрометрической головки и мостика (рис. 2, а). В тех случаях когда на валу устанавливают несколько шпонок, их взаимное положение проверяют так, как это показано на рис. 2, б). На шпонки устанавливают приспособление с раздвижными ножками 2, снабженными цилиндрическими валиками 3, и фиксируют положение ножек винтом 4. По показаниям индикатора часового типа 1 при перемещении приспособления вдоль оси вала по поверхностям шпонок определяют взаимное положение последних (при перемещении приспособления показания индикатора не должны изменяться, т.е, стрелка отсчетного устройства должна оставаться неподвижной).

Рис. 2. Схемы контроля положения шпонок на валу:
а — высоты выступающей части; б — взаимного расположения шпонок на валу: 1 — индикатор: 2 — раздвижные ножки; 3 — цилиндрический валик; 4 — винт

Таблица 1. Типичные дефекты при выполнении пригоночных работ

Дефект	Причина	Способ предупреждения или исправления
Ступица устанавливается на вал слишком туго	Мала ширина паза ступицы или его глубина	Пригнать более точно паз по шпонке
Для установки шпонки в паз вала требуется слишком большое усилие	Плохо пригнана шпонка	Повторить пригонку шпонки по пазу вала
Шпонка не удерживается на валу	Снят слишком большой слой материала с поверхности шпонки	Заменить шпонку и вновь пригнать ее по пазу вала

Сборка соединений со скользящими шпонками начинается с пригонки шпонки по пазу ступицы и ее установки в этом пазу, после чего осуществляется пригонка паза вала по шпонке. После сборки при перемещении ступицы не должно наблюдаться ее качания относительно вала.

В процессе выполнения пригоночных работ при сборке шпоночных соединений могут появиться различные дефекты, причины появления которых и способы предупреждения приведены в табл. 1.

Читайте также: