Шероховатости поверхностей шпоночного соединения

Шпоночное соединение – один из видов соединений вала со втулкой, в котором использован дополнительный конструктивный элемент (шпонка), предназначенный для предотвращения их взаимного поворота. Чаще всего шпонка используется для передачи крутящего момента в соединении вала с зубчатым колесом или со шкивом, неподвижных по отношению друг к другу.

Однако возможны и другие соединения (подвижные), например, такие, в которых зубчатое колесо (блок зубчатых колес), полумуфта или другая деталь могут перемещаться в осевом направлении, а шпонка вместе с валом служит направляющей продольного перемещения и передает крутящий момент. Длинные направляющие шпонки обычно крепят к валу винтами.

Шпонки в подвижных соединениях могут быть закреплены на втулке и служат для передачи крутящего момента или для предотвращения поворота втулки в процессе ее перемещения вдоль неподвижного вала, как это сделано у кронштейна тяжелой стойки для измерительных головок типа микрокаторов. В этом случае направляющей является вал со шпоночным пазом.

В отличие от соединений «вал – втулка» с натягом, которые обеспечивают взаимную неподвижность деталей без дополнительных конструктивных элементов, шпоночные соединения являются разъемными. Они позволяют осуществлять разборку и повторную сборку конструкции с обеспечением того же эффекта, что и при первичной сборке. Поперечное сечение шпоночного соединения с призматической шпонкой представлено на рис. 20.

Рис. 20. Сечение шпоночного соединения с призматической шпонкой

Из рис. 20 видно, что для размещения шпонки необходимы соответствующие конструктивные элементы (в данном случае – пазы) на валу и во втулке. На поперечном сечении шпоночного соединения показаны три посадки: центрирующее соединение вал – втулка (Ø20 Н7/j_s6) и два соединения по ширине шпонки: шпонка – паз вала (6 N9/h9) и шпонка – паз втулки (6 J_s9/h9).

В размерной цепи по высоте шпонки специально предусмотрен зазор по номиналу (суммарная глубина пазов втулки и вала больше высоты шпонки). Если призматическую шпонку с закругленными торцами закладывают в глухой паз на валу, по длине шпонки образуется соединение с нулевым гарантированным зазором Н15/h14 (на рисунке не показано).

Точность центрирования деталей в шпоночном соединении обеспечивается посадкой втулки на вал. Это гладкое цилиндрическое соединение, которое можно назначить с очень малыми зазорами или с небольшими натягами, следовательно, предпочтительно использование переходных посадок.

По форме шпонки разделяются на призматические, сегментные, клиновые и тангенциальные. Сегментные и клиновые шпонки обычно используют в неподвижных соединениях. Призматические шпонки дают возможность получать как подвижные, так и неподвижные соединения. Основные размеры, характеризующие призматическое шпоночное соединение, показаны на рис. 21.

Размеры сечений шпонок и пазов стандартизованы и выбираются по соответствующим стандартам в зависимости от диаметра вала, а вид шпоночного соединения определяется условиями его работы. В стандартах на шпонки некоторых видов предусмотрены разные исполнения, например, призматические шпонки с двумя закругленными торцами, с одним закругленным торцом и с незакругленными торцами, сегментные шпонки «полные» и со срезанным краем сегмента.

Рис. 21. Основные размеры соединения c призматической шпонкой, где

h – высота шпонки; t₁ – глубина паза вала; t₂ – глубина паза втулки;

b – ширина шпонки и пазов втулки; d – диаметр сопряжения;

l – длина шпонки и паза вала

Длины призматических шпонок l по ГОСТ 23360-78 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шпоночные с призматическими шпонками. Размеры шпонок и сечений пазов. Допуски и посадки» выбирают из ряда: 6, 8, 10, 12, 14, 16,

18 и далее до 500 мм с полем допуска h14. Для длины L шпоночного паза установлено поле допуска Н15.

Предельные отклонения глубин пазов на валу t₁ и во втулке t₂ приведены в табл. 19.

Таблица 19

Предельные отклонения глубин шпоночных пазов

Высота шпонки h, мм	Предельные отклонения t1 и t2, мм
От 2 до 6	ЕI = 0; ES = + 0,1
Св. 6 до 18	EI = 0; ЕS = + 0,2
Св.18 до 50	ЕI = 0; ES = + 0,3

Стандарт устанавливает следующие поля допусков размеров шпонок:

· ширины b h9;

· высоты h h9, а при высоте h свыше 6 мм h11.

Стандартом установлены три вида шпоночных соединений (нормальное, свободное и плотное) и соответствующие поля допусков ширины шпоночных пазов (табл. 20).

Таблица 20

Поля допусков ширины пазов в шпоночных соединениях

с призматическими шпонками

Вид шпоночного соединения	Поле допуска ширины паза
на валу	во втулке
Свободное Нормальное Плотное	Н9 N9 Р9	D10 Js9 Р9

Свободное соединение используют для обеспечения неответственных конструкций, а также для подвижных соединений со шпоночными соединениями, работающими как направляющие продольного перемещения. Нормальные шпоночные соединения применяют в большинстве изделий, если к ним не предъявляются особые функциональные требования. Плотное соединение назначают для предотвращения больших динамических нагрузок при выборке зазоров в соединениях по ширине шпонки с ударами. Такие условия работы встречаются в изделиях со старт-стопными режимами или с частым реверсированием направления вращения валов.

Для обеспечения качества шпоночного соединения, которое зависит от точности расположения пазов вала и втулки, назначают допуски симметричности и параллельности плоскости симметрии паза относительно плоскости, проходящей через ось посадочной цилиндрической поверхности. Допуски указывают в соответствии с ГОСТ 2.308-79 «Единая система конструкторской документации. Указание на чертежах допусков формы и расположения поверхностей».

Числовые значения допусков расположения определяют из соотношений:

Т_парал = 0,6 Т_шп;

Т_сим = 4,0 Т_шп,

где Т_шп – допуск ширины шпоночного паза b;

Т_парал – допуск параллельности;

Т_сим – допуск симметричности в диаметральном выражении.

Полученные расчетные значения допусков расположения округляют до стандартных по ГОСТ 24643.

Сегментные шпонки применяют, как правило, для передачи небольших крутящих моментов. Поля допусков ширины паза сегментного шпоночного соединения в зависимости от характера шпоночного соединения представлены в табл. 21.

Таблица 21

Поля допусков ширины пазов в шпоночных соединениях

с сегментными шпонками.

Характер шпоночного соединения	Поле допуска ширины паза
на валу	во втулке
Нормальное	N9	Js9
Плотное	Р9	Р9

Для термообработанных деталей допускаются предельные отклонения ширины паза вала по Н11, ширины паза втулки по D10.

Стандарт устанавливает поля допусков размеров шпонки по ширине b h9, по высоте h h11 и по диаметру D h12.

Шероховатость поверхностей шпоночного паза выбирается в зависимости от полей допусков размеров шпоночного соединения. Рекомендуемые значения параметров шероховатости поверхностей шпоночных пазов (Ra 3,2 или 6,3 мкм, не более) представлены в табл. 22.

Таблица 22

Параметры шероховатости поверхности элементов

шпоночного соединения

Допуск размера по квалитетам	Номинальные размеры (мм)
до 18	св. 18 до 50	св. 50 до 120	св. 120 до 500
Rа, мкм, не более
IT 9	3,2	3,2	6,3	6,3
IT 10	3,2	6,3	6,3	6,3

При назначении высотных параметров шероховатости поверхностей следует обратить внимание на согласованность их с наиболее жесткими допусками макрогеометрии (см. п. 2.2.7).

Пример расчёта посадок шпоночного соединения.

Условия могут быть представлены в виде задачи с указанием основных параметров и вида соединения. Если параметры шпоночного соединения представлены на чертеже общего вида, там же в технических требованиях может быть указан вид соединения. При отсутствии таких указаний вид шпоночного соединения разработчик чертежей выбирает самостоятельно, исходя из функционирования изделия.

Рассмотрим пример расчета соединения зубчатого колеса и вала (см. рис. 15) с использованием призматической шпонки по ГОСТ 23360 (для вала Ø34 мм b × h = 10 × 8 мм, длина шпонки l = 25 мм). Условное обозначение:

Шпонка 10×8×25 ГОСТ 23360-78.

Так как к заданному узлу не предъявляются особые требования, выбираем для посадки шпонки нормальное соединение.

По размеру b:

· паз вала B₁ = 10N9

ES = 0,

EI = – 36 мкм,

B_1max = 10,000 + 0 = 10,000 мм,

B_1min = 10,000 – 0,036 = 9,964 мм;

· ширина шпонки b₂ = 10h9

es = 0,

ei = – 36 мкм,

b_2max= 10,000 + 0 = 10,000 мм,

b_2min = 10,000 – 0,036 = 9,964 мм;

· паз втулки B₃ = 10J_s9

ES = + 18 мкм,

EI = – 18 мкм,

B_3max = 10,000 + 0,018 = 10,018 мм,

B_3min = 10,000 – 0,018 = 9,982 мм.

Рис. 22. Схема расположения полей допусков шпоночного соединения

Рассчитываем табличные зазоры (натяги) по размеру b:

· соединение шпонки b₂ = 10h9 с пазом вала B₁ = 10N9:

S_1max = B_1max – b_2min = 10,000 – 9,964 = 0,036 мм,

N_1max = b_2max – B_1min = 10,000 – 9,964 = 0,036 мм;

Рис. 23. Схема расположения полей допусков ширины шпонки

и ширины паза вала

· соединение шпонки b₂ = 10h9 с пазом втулки B₃ = 10J_s9

S_2max = B_3max – b_2min = 10,018 – 9,964 = 0,054 мм,

N_2max = b_2max – B_3min = 10,000 – 9,982 = 0,018 мм.

Рис. 24. Схема расположения полей допусков ширины шпонки

и ширины паза втулки

По высоте шпонке h:

· глубина паза вала

t₁ = 5^+0,2 мм (ГОСТ 23360),

t_1max = 5,200 мм,

t_1min= 5,000 мм;

· высота шпонки

h = 8 h11,

h_max = 8,000 мм,

h_min= 7,910 мм;

· глубина паза втулки

t₂ = 3,3^+0,2 мм (ГОСТ 23360),

t_2max = 3,500 мм,

t_2min = 3,300 мм.

Тогда

S_max = t_1max + t_2max – h_min = 5,200 + 3,500 – 7,910 = 0,790 мм,

S_min = t_1min + t_2min – h_max = 5,000 + 3,300 – 8,000 = 0,300 мм.

По длине шпонки l = 25 мм:

· длина шпонки

l₁ = 25h14 (ГОСТ 23360),

l_1max = 25,000 мм,

l_1min = 24,480 мм (ГОСТ 25346);

· длина паза вала

L₂ = 25 Н15 (ГОСТ 23360),

L_2max= 25,840 мм,

L_2min= 25,000 мм (ГОСТ 25346);

S_max = L_2max – l_1max = 25,840 – 24,480 = 1,360 мм,

S_min = L_2min – l_1min = 25,000 – 25,000 = 0,000 мм.

Рис. 25. Схема расположения полей допусков по длине шпоночного паза

На чертежах деталей проставляются следующие точностные требования, относящиеся к шпоночным соединениям:

· номинальный размер вала d и номинальный размер отверстия втулки D с предельными отклонениями;

· для паза вала – размер t₁ (предпочтительный вариант) или d – t₁ с предельными отклонениями;

· для паза втулки – размер d + t₂ с предельным отклонением;

· номинальные размеры ширины паза вала и паза втулки с соответствующими отклонениями;

· допуски расположения плоскости симметрии паза относительно оси посадочной цилиндрической поверхности (Т_парали Т_сим);

· параметры шероховатости поверхности элементов шпоночного соединения, устанавливаемые в зависимости от номинального размера и допуска (см. табл.22).

Шероховатость дна шпоночного паза рекомендуется нормировать параметром Ra не более 6,3 мкм.