В машиностроении шпонка — это элемент машины, используемый для соединения вращающегося элемента машины с валом . Шпонка предотвращает относительное вращение между двумя частями и может обеспечивать передачу крутящего момента . Для функционирования шпонки вал и вращающийся элемент машины должны иметь шпоночный паз и шпоночное гнездо , представляющее собой прорезь и карман, в который помещается шпонка. Вся система называется шпоночным соединением . [1] [2] Шпоночное соединение может допускать относительное осевое перемещение между частями.
К обычно защищаемым компонентам относятся шестерни , шкивы , муфты и шайбы .
Существует пять основных типов шпонок: утопленные , седловые , касательные , круглые и шлицевые .
Типы утопленных шпонок: прямоугольные , квадратные , параллельно-утопленные , клиновидные , перьевые и сегментные .
Наиболее широко используются параллельные шпонки . Они имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение. Квадратные шпонки используются для меньших валов, а прямоугольные шпонки используются для валов диаметром более 6,5 дюймов (170 мм) или когда толщина стенки сопряженной ступицы является проблемой. Установочные винты часто сопровождают параллельные шпонки, чтобы зафиксировать сопряженные детали на месте. [3] Шпоночный паз представляет собой продольный паз как в валу, так и в сопряженной части.
где
Шпонки Woodruff полукруглые , частично вставляются в шпоночный паз круглого сегмента , а остальная часть вставляется в шпоночный паз продольного паза в сопрягаемой части. Круглый сегмент можно вырезать непосредственно путем врезной резки круглой фрезой Woodruff без каких-либо рельефов. Основным преимуществом шпонки Woodruff является устранение фрезерования вблизи заплечиков вала, где могут быть затронуты концентрации напряжений [4] и концентричность . [3] Последнее особенно важно для высокоскоростной работы. Более точная посадка шпонки и шпоночного паза также уменьшает люфт и концентрацию напряжений и повышает надежность шпонки. Дополнительным преимуществом является то, что застрявшую шпонку можно удалить из вала ударом молотка, круглый профиль вытолкнет шпонку из паза, в отличие от стандартной шпонки, которую нужно будет выталкивать в осевом направлении или вытаскивать из ее паза. Обычные области применения включают станки , автомобильные приложения, снегоочистители и морские винты .
Этот тип ключа был разработан Уильямом Н. Вудраффом из Хартфорда, штат Коннектикут . В 1888 году он был награжден медалью Джона Скотта Институтом Франклина за свое изобретение. [5]
Конусная шпонка имеет конусность только на стороне, которая входит в зацепление со ступицей. Шпоночный паз в ступице имеет конусность, которая совпадает с конусностью конической шпонки. Некоторые конические шпонки имеют клин или язычок для легкого снятия во время разборки. Цель конусности — закрепить саму шпонку, а также надежно закрепить вал на ступице без необходимости использования установочного винта. Проблема с коническими шпонками заключается в том, что они могут привести к тому, что центр вращения вала будет немного смещен относительно сопрягаемой детали. [3] Он отличается от замка с коническим валом тем, что конические шпонки имеют соответствующую конусность на шпоночной канавке, в то время как замки с коническим валом этого не делают.
Шотландский ключ или голландский ключ имеет круглое отверстие под шпонку (вместо прямоугольного), полученное путем сверления в осевом направлении в собранной ступице и валу, с металлическим штифтом, служащим в качестве ключа. Если отверстие и ключ конические, ключ называется голландским штифтом , который вбивается и, по желанию, обрабатывается путем резки или шлифовки заподлицо с концом вала. Если прямое отверстие под шпонку голландского типа, по желанию, нарезается резьбой, то обычный винт служит в качестве голландского ключа с резьбой.
Пружинные штифты являются альтернативным компонентом Dutch key вместо сплошных штифтов. Пружинный штифт является самозакрепляющимся и не ослабевает под воздействием вибрации. Полые пружинные штифты обеспечивают более слабую прочность на сдвиг, чем сплошной штифт, и прочность может варьироваться за счет изменения толщины стенки. Эта ограниченная спецификация прочности на сдвиг предназначена для поддержания нормальной работы, но затем выходит из строя в случае чрезмерного крутящего момента вала, тем самым защищая остальную часть машины от повреждения.
Введение дополнительного компонента втулки между ступицей и валом улучшает производительность и удобство шпоночных соединений. Втулки Taper-Lock представляют собой шпоночные фитинги ступицы, которые обеспечивают три резьбовых голландских шпоночных паза и два установочных винта в качестве голландских шпонок в дополнение к прямоугольному шпоночному пазу. Голландские шпоночные пазы имеют резьбу только на альтернативной стороне ступицы или стороне вала, с отверстием с зазором резьбы на противоположной стороне. Просто вбивая установочные винты в выбранные отверстия, механизм ступицы удобно работает для жесткой фиксации или окончательного освобождения от вала, без ударов молотком или вытягивания ступицы. Быстроразъемные ( QD ) втулки работают аналогично, но размещают круговой рисунок из трех нерезьбовых и трех полностью резьбовых отверстий дальше от оси вала на фланце втулки, а не поперек интерфейса втулки со ступицей.
Соединение Хирта похоже на шлицевое соединение , но зубья расположены на конце вала, а не на поверхности.
Эти типы шпонок обычно крепятся к ведущему элементу (например, валам). Эти типы шпонок имеют меньшую прочность по сравнению с утопленными шпонками. Они редко используются для передачи меньшей мощности ведомым элементам (например, муфтам)
Тангенциальные шпонки используются в приложениях с высоким крутящим моментом и большой нагрузкой. То, что было бы стороной каждого шпоночного паза, образует пятки, на которые опирается шпонка, и передает усилие сжатием. Последнее означает, что для реверсивного движения вала необходима другая шпонка по касательной наружу в противоположном направлении. Обычно это будет смещено на 90° или 180° на валу. Шпонка может быть клиновой, прямоугольной или квадратной формы, но в основном используются прямоугольные двухконусные шпонки.
Этот тип ключа использует несколько шпоночных пазов в ступице для передачи высокой мощности.
Прорезание шпоночных канавок — это создание пазов в сопрягаемых деталях. Прорезание шпоночных канавок может быть выполнено на различных станках, включая протяжку, пазовый станок, электроэрозионный вырезной станок, строгальный станок или вертикальный долбёжный станок, вертикальную или горизонтальную фрезу или с помощью зубила и напильника.
Протяжка в основном используется для вырезания внутренних шпоночных пазов с квадратными углами. Для каждого заданного сечения шпоночного паза используются специальные протяжка, втулка и направляющая, что делает этот процесс более дорогим, чем большинство альтернатив. Однако он может производить наиболее точный шпоночный паз из всех процессов. Существует три основных этапа протяжки шпоночного паза: во-первых, заготовка устанавливается на оправочный пресс , а втулка помещается в отверстие заготовки. Затем протяжка вставляется и проталкивается, вырезая шпоночный паз. Наконец, между втулкой и протяжкой помещаются прокладки , чтобы достичь правильной глубины, необходимой для ключа. [6]
Фрезы для пазования , также известные как машины для пазования и фрезы для шпоночных пазов , являются специализированными машинами, предназначенными для вырезания шпоночных пазов. Они очень похожи на вертикальные фрезерные станки ; разница в том, что режущий инструмент на фрезерном станке входит в заготовку снизу и режет при движении вниз, в то время как инструмент на фрезерном станке входит в заготовку сверху и режет вниз. Другое отличие заключается в том, что у фрезерного станка есть направляющая система над заготовкой для минимизации прогиба, что приводит к более жесткому резу с допуском. Процесс начинается с зажима заготовки на столе с помощью приспособления или тисков . Заготовка правильно размещается, а затем запускается возвратно-поступательный рычаг. Некоторые модели имеют неподвижный стол, поэтому фреза подается горизонтально в заготовку, в то время как другие имеют подвижный стол, который подает заготовку в неподвижную фрезу. Эти станки могут вырезать другие прямосторонние элементы, отличные от шпоночных пазов (см. рисунок). Они также могут делать глухие пазы, которые представляют собой пазы, которые не проходят через всю заготовку. [7] [8]
Электроэрозионная обработка проволочной резкой (EDM) в основном используется для небольших производственных партий, где требуется либо предельная точность, либо другие технологии резки недоступны. Электроэрозионная обработка проволочной резкой вырезает шпоночные пазы, удаляя материал с заготовки посредством серии быстрых разрядов электрического тока между намотанной проволокой и заготовкой через диэлектрическую жидкость. Электроэрозионные вырезные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) позволяют вырезать широкий выбор шпоночных пазов, включая несколько шпоночных пазов на одной ступице. Основными ограничениями электроэрозионной обработки проволочной резкой с ЧПУ являются время, необходимое для вырезания шпоночного паза, а также размер деталей, которые может обработать данный электроэрозионный вырезной станок. [9]
Формовка или прорезка пазов в основном используется для вырезания шпоночных пазов, которые не проходят через всю длину детали. Как и прорезка шпоночных пазов, прорезка использует одноточечный режущий инструмент для вырезания, однако формовщики не направляются через вырез на фиксированном столбе. Таким образом, формовочные разрезы, как правило, более подвержены прогибу , чем разрезы шпоночных пазов. [9]
Параллельные, конические и шпоночные пазы Вудрафа могут быть изготовлены на фрезерном станке . Концевые фрезы или долбёжные фрезы используются для параллельных и конических шпоночных пазов, в то время как фреза Вудрафа используется для шпоночных пазов Вудрафа. [10]
Внутренние шпоночные пазы, которые не слишком длинные, можно фрезеровать, если радиус приемлемый.
Одной из самых ранних форм обработки замков была обработка зубилом . Замочный паз грубо обрабатывается зубилом, а затем подпиливается до нужного размера; ключ часто примеряется, чтобы избежать перепиливания. Этот метод долгий, утомительный и теперь используется редко. [11]
Срезная шпонка — это элемент, предназначенный для отказа и предотвращения дальнейшего повреждения, если оборудование будет случайно работать с превышением его проектных пределов. Срезные шпонки могут быть любой из конструкций, описанных выше, но сделаны из более слабого материала, чем вал. Срезная шпонка легко и недорого заменяется и позволяет избежать более серьезных повреждений механизма, которые были бы дорогостоящими или сложными для ремонта. Например, стальной вал и шкив могут использовать латунную шпонку. Когда к соединению прикладывается чрезмерный крутящий момент, стальные края разрезают латунную шпонку на две части, заставляя шкив свободно вращаться на валу и освобождая остальную часть машины от возможного повреждения.
Если соединение вала требует более высокого крутящего момента, можно использовать две параллельные шпонки. [3]
Неправильно обработанные шпоночные пазы, в которых произошло отклонение или смещение фрезы, могут оказаться недостаточно прочными для требуемого применения. [12]
.jpg/1280px-Spieverbinding_(2).jpg)
