Типы шпонок вала, таблица размеров, марки материалов, расчетная формула и расчет

Шпоночные соединения достигаются путем вырезания шпоночных пазов на валу и ступице и вставки компонента, называемого «шпонкой». Несмотря на небольшой размер, шпонка вала играет важную роль в механической трансмиссии. Шпонка — это механический элемент, используемый для фиксации вращающихся валов и шестерен. Она в основном используется для передачи крутящего момента путем закрепления компонентов по окружности на валу. Некоторые шпонки также обеспечивают осевую фиксацию или допускают осевое перемещение, например, соединение между шестернями и валами в редукторах. Хотя шпонки не являются заметной частью, они играют решающую роль в передаче мощности. Поэтому сегодня давайте подробно рассмотрим шпонку вала, обсудив ее типы, размеры, материалы и конструкцию!

Что такое шпонка вала?

Шпонка вала, также известная как моторная шпонка, представляет собой короткий стержень, соединяющий две вращающиеся части (обычно вал и ступицу), изготовленный из высокопрочных материалов для передачи крутящего момента. Его функция заключается в объединении двух частей в единое вращающееся тело, допуская при этом вращение вдоль оси без проскальзывания или смещения, что обеспечивает точность и надежность передачи. Шпонки вала обычно используются в механических системах, таких как автомобили, мотоциклы, сельскохозяйственная техника и строительное оборудование.

Типы шпонок вала (схема, характеристики и применение)

В различных типах механической трансмиссии различные типы шпонок играют важную роль в конструкции и применении машины. Основные концепции шпоночных соединений включают плоские шпонки, шпонки Вудраффа, конические шпонки и тангенциальные шпонки, каждая из которых имеет свои собственные характеристики и область применения. Ниже мы подробно рассмотрим их, представив схему, характеристики и применение каждого типа шпонки вала:

1. Плоский ключ (параллельный утопленный ключ)

Стандартная плоская шпонка, также известная как параллельная шпонка, представляет собой тип утопленной шпонки, используемой для фиксированных соединений, без относительного осевого перемещения между валом и ступицей. Обе боковые поверхности являются рабочими поверхностями, в то время как между верхней поверхностью и нижней частью шпоночного паза ступицы имеется зазор. Во время работы крутящий момент передается путем сжатия шпоночного паза вала, шпонки и боковых поверхностей шпоночного паза ступицы. Это бесконусная прямоугольная или квадратная шпонка, используемая там, где ступица должна скользить вдоль вала. Плоская шпонка вала проста в изготовлении, удобна для сборки и разборки, хорошо выравнивается между валом и компонентами, установленными на валу, но не может зафиксировать осевое перемещение компонента, установленного на валу

Стандартные плоские ключи можно разделить на три типа в зависимости от утопленного конца: с закругленным концом (A), квадратным концом (B), прямоугольным концом, с одним закругленным концом (C):

Прямоугольный плоский утопленный ключ

Квадратный утопленный ключ

Круглый утопленный ключ (двухсторонний или односторонний)

2. Ключ Вудраффа (полумесяц утопленный ключ)

Шпонка Вудраффа имеет форму полумесяца, подходит для любого конуса в ступице. Ее дополнительная глубина в валу предотвращает любую тенденцию к проворачиванию в шпоночном пазу, но глубина шпоночного паза ослабляет вал. Шпонка Вудраффа обычно используется в сочетании с конической шейкой вала для передачи крутящего момента. Шпоночный паз обрабатывается фрезой той же формы, что и шпонка полумесяца, что позволяет ей вращаться вокруг своего геометрического центра в пазу. Боковые поверхности шпонки являются рабочими поверхностями, передающими крутящий момент посредством бокового сжатия. Шпоночный паз фрезеруется дисковой фрезой, а сама шпонка полукруглая. Шпонка полукруглой формы хороша для технологичности, легкой сборки и особенно подходит для конических соединений концов вала. Но паз вала значительно снижает прочность вала; подходит только для соединений с небольшой нагрузкой.

3. Седловые ключи (конусные ключи)

Рабочие поверхности конусной шпонки находятся на ее верхней и нижней поверхностях. Ее верхняя поверхность имеет конусность 1:100, а нижняя поверхность шпоночного паза ступицы также спроектирована с этой конусностью. Когда конусная шпонка вставляется в шпоночные пазы вала и ступицы, на ее поверхностях создается значительное усилие предварительной затяжки. Во время работы конусная шпонка в основном полагается на трение для передачи крутящего момента и может выдерживать однонаправленную осевую силу. Однако это может вызвать эксцентриситет между валом и ступицей, что делает ее более подходящей для соединений, где точность центрирования не является критической, нагрузка стабильна, а скорость низкая.

Кроме того, конусные ключи можно разделить на стандартные конусные ключи, полые седловые ключи и конусные ключи с клиновой головкой.

Плоский седловой ключ – устанавливается на валу ровно

Полый седловой ключ – нижняя часть ключа подходит к изогнутой поверхности вала.

Ключ с седловой головкой Gib-Head — имеет крючок для легкого извлечения

4. Ключ с клиновидной головкой (утопленный ключ)

Конусная шпонка с клиновой головкой — это особый тип конической шпонки с крючкообразной головкой, предназначенной для более эффективного закрепления ее в шпоночных пазах вала и ступицы. Головка клина облегчает снятие шпонки. Такая конструкция не только повышает устойчивость соединения, но и в определенной степени снижает эксцентриситет между валом и ступицей, тем самым повышая точность соединения. Поэтому конические шпонки с клиновой головкой особенно подходят для применений, требующих высокой точности центрирования и надежных соединений, таких как механические узлы при высокоскоростном вращении и в тяжелых условиях.

5. Перьевой ключ (утопленный ключ)

Feather Key устанавливается либо на вал, либо на ступицу и также допускает осевое перемещение. Боковые поверхности ключа являются рабочими поверхностями; он передает усилие через стороны, обеспечивает хорошее выравнивание и легко собирается и разбирается. Он не обеспечивает осевой фиксации. Ключ крепится к валу с помощью болтов, а центральное резьбовое отверстие используется для снятия ключа. Он используется в ситуациях, когда компонент вала слегка перемещается вдоль вала, например, скользящие шестерни в коробках передач.

6. Шпонка (круглый вал)

Дюбельный ключ с цилиндрическим корпусом, подходит для отверстий, просверленных как в ступице, так и в валу; наиболее подходит для маломощных приводов. Цилиндрический ключ — это распространенная форма ключа вала двигателя. Он цилиндрический и соответствует канавкам на валу двигателя и компоненте трансмиссии. Он прост в установке и может выдерживать значительный крутящий момент. Дюбельные ключи также могут быть спроектированы как прямые или конические штифты для удовлетворения различных требований.

Прямой штифтовой ключ

Конический штифтовой ключ

7. Тангенциальный ключ

Касательная шпонка вала вставляется в шпоночные пазы как ступицы, так и вала; она используется парами под прямым углом друг к другу. Каждая шпонка выдерживает крутящий момент только в одном направлении и используется в больших, мощных валах. Состоит из двух клиновых шпонок с конусностью 1:100, верхняя и нижняя поверхности вместе образуют рабочую поверхность, способную передавать большой крутящий момент. Одна пара касательных шпонок может передавать крутящий момент только в одном направлении, в то время как две пары, расположенные под углом 120°–135°, используются для двунаправленного крутящего момента. Они используются в приложениях с высокой нагрузкой, где центрирование не имеет решающего значения. Касательные шпонки создают крутящий момент посредством тангенциального давления и также могут выдерживать небольшие однонаправленные осевые силы.

Они в основном используются в ситуациях, где требуется только однонаправленная передача крутящего момента, или в двунаправленных случаях две пары тангенциальных шпонок располагаются на определенном расстоянии. Благодаря своей способности передавать большой крутящий момент тангенциальные шпонки обычно используются в тяжелой технике.

8. Шлицевые ключи

Вал + Интегрированная шпонка = Шлицевой вал, который допускает осевое перемещение (обычно используется в скользящих зубчатых передачах). Шлицевое соединение состоит из нескольких равномерно распределенных шпоночных зубьев вокруг вала и отверстия ступицы, при этом стороны зубьев действуют как рабочие поверхности. Этот тип соединения обеспечивает высокую грузоподъемность, хорошее центрирование и направляющие характеристики с минимальным ослаблением прочности вала и ступицы. Он особенно подходит для высоконагруженных, высокоточных центрирующих соединений, которые часто требуют скольжения, таких как скользящие шестерни в трансмиссиях. Шлицы можно классифицировать на прямоугольные шлицы, треугольные шлицы и эвольвентные шлицы в зависимости от формы зуба.

Прямоугольный шлиц: Легко изготавливается с помощью фрезерования, зубофрезерования, протяжки или формовки. После шлифования достигается высокая точность. Стандарты определяют две серии: легкие (для низких нагрузок) и средние (для умеренных нагрузок). Широко используется в авиации, автомобилестроении, тракторах, станках, сельскохозяйственной технике и общих механических трансмиссионных устройствах.

Эвольвентный шлиц: имеет эвольвентный профиль зуба. Под нагрузкой радиальные силы обеспечивают самоцентрирование, гарантируя равномерное напряжение зубьев, высокую прочность и длительный срок службы. Изготовление такое же, как у шестерен, что обеспечивает высокую точность и взаимозаменяемость. Стандартные углы давления αD составляют 30°, 37.5° и 45°, используются в соединениях с высокой нагрузкой, высокоточной центровкой и в соединениях большого размера.

Таблицы размеров шпонок и пазов валов (размеры, допуски)

Для обеспечения плотного прилегания шпонок вала к другим компонентам они должны соответствовать стандартным размерам:

Диаметр: должен быть равен или быть немного меньше соответствующего диаметра отверстия, обычно на 0.01–0.05 мм меньше.
Длина: Должна быть немного больше расстояния между соединяемыми частями. Обычно длина ключа равна толщине соединяемой части плюс 1–2 мм
Радиус скругления: чтобы предотвратить повреждение или растрескивание из-за острых краев, на обоих концах следует использовать радиусы 0.5–1 мм.
Допуски: Для обеспечения плотной посадки производственные допуски контролируются в пределах классов h6, h7 или h8.

Чтобы помочь вам лучше понять размеры шпонок вала и быстро получить некоторые общие спецификации размеров, ниже мы приводим таблицы размеров для распространенных типов шпонок вала:

Таблица размеров плоских шпонок (размеры шпонок и пазов для параллельного вала)

Диаметр вала d	Номинальный размер ключа				Глубина паза вала t₁		Глубина паза для ключа t₂		Угловой радиус
Диаметр вала d	б (h9)	ч (ч11)	с или р	Л (h14)	Nom.	Отказоустойчивость	Nom.	Отказоустойчивость	Мин.	Max
6-8	2	2	0.16-0.25	6-20	1.2	+	1.0	+0.1	0.08	0.16
>8–10	3	3		6-36	1.8	0	1.4	0
>10–12	4	4		6-36	2.0	0	1.8	0
>12–17	5	5	0.25-0.4	14-56	2.8	0	2.3	0	0.16	0.25
>17–22	6	6		14-70	3.5	0	2.8	0
>22–30	8	7		18-90	4.0	+	3.3	+0.2
>30–38	10	8	0.4-0.6	22-100	5.0	0.2	3.9	0	0.25	0.4
>38–44	12	8		28-140	5.0	0	3.3	0
>44–50	14	9		36-160	5.5	0	3.8	0
>50–58	16	10		45-180	6.3	0	4.3	0
>58–65	18	11		50-200	7.0	0	4.4	0
>65–75	20	12	0.6-0.8	56-250	7.5	0	5.4	0	0.4	0.6
>75–85	22	14		63-250	9.0	0	5.4	0
>85–95	25	14		70-280	9.0	0	5.4	0
>95–110	28	16		80-320	10.0	0	6.4	0
>110–130	32	18		90-360	11.0	0	7.4	0
>130–150	36	20	1.0-1.2	100-400	12.0	+	8.4	+0.3	0.7	1.0
>150–170	40	22		100-400	13.0	0.3	9.4	0
>170–200	45	25		110-450	15.0	0	10.4	0
>200–230	50	28		125-500	17.0		11.4
>230–260	56	28	1.6-2.0	140-500	20.0		12.4		1.2	1.6
>260–290	63	32		160-500	20.0		12.4
>290–330	70	36		180-500	22.0		14.4
>330–380	80	40	2.5-3.0	200-500	25.0		15.4		2.0	2.5
>380–440	90	45		220-500	28.0		17.4
>440–500	100	50		250-500	31.0		19.5

L-серия: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, NUMX 360, 400, 450, 500, XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX

Таблица размеров шпонок Woodruff (размеры полукруглой шпонки и шпоночного паза)

Размер ключа (ш×в×Г)	Ширина б		Высота ч		Диаметр D		Фаска или радиус s
Размер ключа (ш×в×Г)	номинальный	Отказоустойчивость	номинальный	h12	номинальный	h12	Мин.	Max
1 × 1.4 × 4	1	-	1.4	0	4	-0.120	-	-
1.5 × 2.6 × 7	1.5	-	2.6	-0.10	7	0	-	-
2 × 2.6 × 7	2	-	2.6	0	7	0	-	-
2 × 3.7 × 10	2	-	3.7	0	10	-0.150	-	-
2.5 × 3.7 × 10	2.5	-	3.7	-0.12	10	0	-	-
3 × 5 × 13	3	-	5	0	13	0	-	-
3 × 6.5 × 16	3	-	6.5	0	16	-0.180	-	-
4 × 6.5 × 16	4	0	6.5	0	16	0	0.16	0.25
4 × 7.5 × 19	4	-0.025	7.5	0	19	-0.210	0.25	0.40
5 × 6.5 × 16	5	-	6.5	0	16	0	0.25	0.40
5 × 7.5 × 19	5	-	7.5	-0.15	19	0	0.25	0.40
5 × 9 × 22	5	-	9	0	22	0	0.25	0.40
6 × 9 × 22	6	-	9	0	22	0	0.25	0.40
6 × 10 × 25	6	-	10	0	25	-0.210	0.40	0.60
8 × 11 × 28	8	-	11	0	28	0	0.40	0.60
10 × 13 × 32	10	-	13	-0.18	32	0	0.60	0.90

Таблица размеров седловых шпонок (стандартные размеры шпонки и паза для конического вала)

Ширина б	б Допуск (h8)		Высота ч	h Допуск (h11)		Фаска или радиус c или r
Ширина б	Основной размер	Верхний предел	Высота ч	Основной размер	Верхний предел	Фаска или радиус c или r
2	0	-0.014	2	0	-0.090	0.16-0.25
3	0	-0.014	3	0	-0.090
4	0	-0.018	4	0	-0.090
5	0	-0.018	5	0	-0.090	0.25-0.40
6	0	-0.022	6	0	-0.090
8	0	-0.027	7	0	-0.090
10	0	-0.027	8	0	-0.090	0.40-0.60
12	0	-0.033	9	0	-0.090
14	0	-0.033	10	0	-0.090
15	0	-0.033	10	0	-0.090	0.60-0.80
16	0	-0.033	10	0	-0.110
18	0	-0.033	12	0	-0.110
20	0	-0.033	14	0	-0.110	1.60-2.00
22	0	-0.033	14	0	-0.110	1.60-2.00
25	0	-0.040	16	0	-0.130	2.50-3.00
28	0	-0.040	16	0	-0.130	2.50-3.00
30	0	-0.046	18	0	-0.130
32	0	-0.046	20	0	-0.130
36	0	-0.046	22	0	-0.130
40	0	-0.054	25	0	-0.160
45	0	-0.054	28	0	-0.160
50	0	-0.054	32	0	-0.160

Длина L (допуск h14):
18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280,. 315, 355, 400, 450, 500

Таблица размеров шпонки с клиновой головкой (размеры шпонки и паза конического вала с клиновой головкой)

Ширина b	Толерантность (h8)		Высота h	Толерантность (h11)		Высота головы ч₁	Фаска или радиус с или р
Ширина b	Базовый	Ограничивать	Высота h	Базовый	Ограничивать	Высота головы ч₁	Фаска или радиус с или р
4	4	-0.018	4	0	-0.075	10	0.16-0.25
5	5	-0.018	5	0	-0.075	12
6	6	-0.022	6	0	-0.090	14
8	8	-0.022	7	0	-0.090	16	0.25-0.40
10	10	-0.027	8	0	-0.090	18
12	12	-0.027	9	0	-0.090	20
14	14	-0.027	10	0	-0.090	22	0.40-0.60
16	16	-0.033	10	0	-0.110	25
18	18	-0.033	12	0	-0.110	28
20	20	-0.033	14	0	-0.110	32	0.60-0.80
22	22	-0.033	14	0	-0.110	36	0.60-0.80
25	25	-0.040	16	0	-0.130	40	1.60-2.00
28	28	-0.040	16	0	-0.130	45	1.60-2.00
30	30	-0.046	18	0	-0.130	50
32	32	-0.046	20	0	-0.130	56
36	36	-0.046	22	0	-0.130	63
40	40	-0.054	25	0	-0.160	70	2.50-3.00
45	45	-0.054	28	0	-0.160	80

Стандартная длина L (h14):
18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500

Таблица размеров тангенциальной шпонки (стандартные размеры тангенциальной шпонки вала и шпоночного паза)

Диаметр вала d	Основные		Глубина шпоночного паза		Ширина шпоночного паза		фаска C		Радиус r
Диаметр вала d	Толщина h	Ширина б (±h11)	Вал t1	хаб t2	Вал b1	хаб b2	Мин.	Max	Мин.	Max
60	18	-0.090	7.0	7.3	19.3	19.6	0.6	0.8	-	-
65	20	-0.090	8.0	8.3	20.1	20.4	0.6	0.8	-	-
70	22	-0.110	8.0	8.3	21.0	21.3	0.6	0.8	-	-
75	25	-0.110	9.0	9.3	23.2	23.5	0.6	0.8	-	-
80	28	-0.090	10.0	10.3	24.0	24.4	0.8	1.0	-	-
85	28	-0.090	10.0	10.3	24.8	25.2	0.8	1.0	-	-
90	30	-0.090	10.0	10.3	26.7	27.0	0.8	1.0	-	-
100	32	-0.110	11.0	11.4	28.0	28.4	1.0	1.2	-	-
110	36	-0.110	12.0	12.4	31.0	31.4	1.0	1.2	-	-
120	40	0	14.0	14.4	34.6	35.1	1.6	2.0	1.0	1.2
140	45	0	16.0	16.4	37.7	38.3	1.6	2.0	1.0	1.2
160	50	0	18.0	18.4	42.0	42.8	1.6	2.0	1.0	1.2
200	56	0	20.0	20.4	49.6	50.3	2.0	2.5	1.6	2.0
250	63	-0.130	22.0	22.4	59.9	60.6	2.5	3.0	2.0	2.5
315	70	0	28.0	28.4	72.1	72.8	3.0	4.0	-	-
400	80	-0.160	36.0	36.4	93.2	94.0	3.0	4.0	3.0	4.0
500	100	-0.220	50.0	50.5	125.9	126.6	5.0	7.0	-	-
630	140	-0.190	63.0	63.5	189.0	189.7	5.0	7.0	3.0	4.0
800	180	0	80.0	80.5	240.0	240.7	7.0	9.0	-	-
1000	200	-0.220	100.0	100.5	300.0	300.7	7.0	9.0	-	-

Таблица размеров шпоночных пазов (размеры шпонок и пазов для прямоугольных шлицев)

Диаметр вала d	Легкая серия					Средняя серия
Диаметр вала d	Характеристики Н × д × Д × В	фаска c	Радиус r	d₁мин	αмин	Характеристики Н × д × Д × В	фаска c	Радиус r	d₁мин	αмин
11						6 × 11 × 14 × 3	0.2	0.1	-	-
13						6 × 13 × 16 × 3.5			14.4	1.0
16						6 × 16 × 20 × 4			16.6	1.0
18						6 × 18 × 22 × 5	0.3	0.2	19.5	2.0
21						6 × 21 × 25 × 5			21.2	2.0
23	6 × 23 × 26 × 6	0.2	0.1	22	3.5	6 × 23 × 28 × 6			21.2	1.2
26	6 × 26 × 30 × 6			24.5	3.8	6 × 26 × 32 × 6			23.6	1.2
28	6 × 28 × 32 × 7			26.6	4.0	6 × 28 × 34 × 7			25.8	1.4
32	6 × 32 × 36 × 6	0.3	0.2	30.2	2.7	8 × 32 × 38 × 6			29.4	1.0
36	8 × 36 × 40 × 7			34.4	3.5	8 × 36 × 42 × 7	0.4	0.3	33.4	1.0
42	8 × 42 × 46 × 8			40.5	5.0	8 × 42 × 48 × 8			39.4	2.5
46	8 × 46 × 50 × 9			44.6	5.7	8 × 46 × 54 × 9			42.6	1.4
52	8 × 52 × 58 × 10			49.6	4.8	8 × 52 × 60 × 10			48.6	2.5
56	8 × 56 × 62 × 10	0.4	0.3	53.6	6.5	8 × 56 × 65 × 10			52.0	2.5
62	8 × 62 × 68 × 12			59.7	7.3	8 × 62 × 72 × 12	0.5	0.4	57.7	2.4
72	10 × 72 × 78 × 12			69.6	7.3	10 × 72 × 82 × 12			67.7	1.0
82	10 × 82 × 98 × 12			79.3	8.5	10 × 82 × 92 × 12			77.0	2.9
92	10 × 92 × 98 × 11	0.5	0.4	99.6	9.9	10 × 92 × 102 × 14			87.3	4.5
102	10 × 102 × 108 × 16			99.6	11.3	10 × 102 × 112 × 16	0.6	0.5	97.7	6.2
112	10 × 112 × 120 × 16			108.8	10.5	10 × 112 × 125 × 18			106.2	4.1

Материалы шпонки вала

Как важный компонент механической трансмиссии, выбор материала шпонки вала напрямую связан с производительностью и надежностью механической системы. Обычные материалы шпонки вала следующие:

1. Ключ из углеродистой стали

Углеродистая сталь является одним из наиболее часто используемых материалов для шпонок вала. Она обладает высокой прочностью и износостойкостью и может выдерживать большие нагрузки и ударные нагрузки. Шпонки из углеродистой стали являются первым выбором в тяжелой технике и сценариях, где необходимо выдерживать высокие нагрузки. Кроме того, стоимость углеродистой стали относительно низкая, что также делает ее экономически выгодной.

2. Ключ из нержавеющей стали

Ключи из нержавеющей стали хорошо работают во влажных или коррозионных средах. Его превосходная коррозионная стойкость позволяет ему сохранять стабильную работу в течение длительного времени в суровых условиях. Хотя стоимость ключей из нержавеющей стали выше, чем у ключей из углеродистой стали, ключи из нержавеющей стали являются более подходящим выбором в приложениях, где требуется долговременная стабильность и коррозионная стойкость.

3. Ключи из цветных металлов

Ключи из цветных металлов, такие как медные ключи или алюминиевые ключи, имеют преимущества в определенных конкретных приложениях. Например, в сценариях, где требуется проводимость, медные ключи используются из-за их хорошей проводимости. В погоне за легкой конструкцией предпочтение отдается алюминиевым ключам из-за их меньшей плотности и веса.

Сорта материалов шпонки вала

Сталь 45# — это широко используемый материал для изготовления шпонок валов, обладающий высокой прочностью и износостойкостью, а также выгодными ценовыми показателями.
Сталь 40Cr обладает высокой прочностью и твердостью, подходит для выдерживания высоких крутящих моментов и трения.
Сталь 42CrMo обладает высокой прочностью и вязкостью, а также хорошими механическими свойствами при высокой прочности.
Нержавеющая сталь устойчива к коррозии и ржавчине, подходит для некоторых шпонок вала, которые должны работать во влажных или коррозионных средах.
Для изготовления шпонок вала, которые должны быть герметизированы или поглощать удары, используются такие материалы, как резина или полиуретан.

Принципы выбора материала для шпонок вала

Выбор материала шпонок вала должен основываться на таких факторах, как мощность передачи, скорость, крутящий момент, рабочая среда и срок службы.

1. Высокие требования к прочности: шпонки вала обычно должны выдерживать большие крутящие моменты и обычно изготавливаются из высокопрочных материалов, таких как сталь 45#, 40Cr, 42CrMo и т. д.
2. Высокие требования к износостойкости: шпонки вала должны выдерживать трение и износ при высокоскоростном вращении, поэтому твердость и прочность материала должны быть высокими, например 40Cr.
3. Высокие требования к коррозионной стойкости: шпонки вала, работающие во влажных или коррозионных средах, должны быть устойчивы к коррозии, поэтому их часто изготавливают из нержавеющей стали.
4. Высокие требования к герметизации: некоторые шпонки вала должны выполнять функцию уплотнений во время вращения, обычно они изготавливаются из таких материалов, как резина или полиуретан.

Проектирование шпонки вала (ключевые факторы, формулы и расчеты)

Проектирование шпонок вала требует всестороннего рассмотрения различных факторов и должно быть рассчитано с использованием специальных формул, чтобы гарантировать, что шпонка сохраняет хорошие рабочие условия и срок службы во время эксплуатации. Проектирование шпонки вала в первую очередь включает два аспекта: проектирование размеров и проектирование формы. Проектирование размеров определяется размером вала и шпоночного паза, в то время как проектирование формы должно учитывать рабочие условия, окружающую среду и нагрузку. Ниже мы подробно объясняем с точки зрения теоретических формул, этапов расчета, основных положений проектирования и ключевых соображений, чтобы помочь вам полностью понять проектирование шпонок вала.

Ключевые факторы, которые следует учитывать при проектировании шпонки вала

Конструктивное проектирование ключей

Анализ нагрузки: Сначала проанализируйте типы нагрузок, которые будет выдерживать шпонка, включая осевые нагрузки и крутящие нагрузки, чтобы определить расчетную нагрузку.
Выбор материала: выберите подходящий материал на основе проектной нагрузки, условий работы и стоимости. Распространенные материалы включают сталь, алюминий и медь.
Расчет размеров: на основе выбранного материала и расчетной нагрузки определите геометрические размеры ключа, включая ширину, высоту и длину.
Конструкция шпоночного паза: рассмотрите соответствие между шпонкой и сопряженными деталями, включая форму, размеры и зазор шпоночного паза.

Расчет прочности

Анализ нагрузки на шпонку: анализ сил, действующих на шпонку, на основе нагрузки и конструкции конструкции, включая осевую силу и силу сдвига.
Анализ напряжений: рассчитайте распределение напряжений на ключе, учитывая как статические, так и динамические нагрузки.
Анализ деформации: Рассчитайте деформацию ключа под нагрузкой, включая осевую деформацию и деформацию изгиба.

Проверка прочности

Оценка прочности: оценка соответствия рассчитанных напряжений и деформаций проектным требованиям и коэффициенту запаса прочности.
Оценка усталостной долговечности: Оцените усталостную долговечность ключа при циклической нагрузке, учитывая возникновение и распространение усталостных трещин.
Проверка и оптимизация: на основе оценок прочности и усталости выполните структурную проверку и оптимизацию, чтобы гарантировать безопасность и надежность ключа во время использования.

Формулы расчета размеров шпонки вала

а) Когда известна ширина ключа:

Глубина (h), высота (t), и верхняя ширина (b) можно рассчитать по следующим формулам:

h = d / 2
t = d / 2
b = S × d

Где:

d = диаметр вала
S = отношение ширины шпонки к диаметру вала, обычно от 0.1 до 0.3

б) Когда известна высота ключа:

Ширину, глубину и верхнюю ширину можно рассчитать следующим образом:

b = S × d
h = 2 × t
B = S × d + k

Где:

k = коэффициент безопасности, обычно около 0.1

Формула и расчет прочности шпонок вала

Шпоночные соединения являются важным методом передачи крутящего момента в механических системах. Их конструкция должна учитывать два основных аспекта прочности: прочность на сдвиг и прочность на изгиб.

Формула прочности на изгиб

При работе вала шпонка испытывает изгибающие нагрузки. Поэтому необходимо учитывать прочность шпонки на изгиб.

Изгибающий момент:
M = F × b / 2Где:
- F = сила нажатия на клавишу
- b = ширина ключа
Напряжение изгиба:
σ_b = 4M / (π × d³)Где:
- d = диаметр вала
- π = 3.1416

Формула прочности на сдвиг

Прочность ключа на сдвиг должна соответствовать требованиям рабочих условий:

τ = F / (b × h)

Где:

F = сила нажатия на клавишу
b = ширина ключа
h = высота ключа

Основные формулы проверки прочности

Проверка прочности на сдвиг

τ = F / A ≤ [τ]

Где:

τ = фактическое напряжение сдвига (МПа)
F = сила сдвига = 2 × M / d
A = площадь сдвига = b × l
[τ] = допустимое напряжение сдвига (МПа)

Проверка прочности на сжатие

σ_jy = F / A_jy ≤ [σ_jy]

Где:

σ_jy = фактическое напряжение сжатия (МПа)
A_jy = площадь сжатия = l × (h / 2)
[σ_jy] = допустимое напряжение сжатия (МПа)

Этапы расчета и анализ случая

Случай 1: Проверка надежности существующего ключа

Данный:

Диаметр вала d = 70 мм
Крутящий момент М = 600 Н·м
Основные размеры: b = 16 мм, h = 10 мм, l = 50 мм
Допустимые напряжения: [τ] = 60 МПа, [σ_jy] = 100 МПа.

Шаг 1: Рассчитайте силу сдвига (F)
F = 2 × M / d = 2 × 600 × 1000 / 70 = 17142.86 Н

Шаг 2: Напряжение сдвига (τ)
τ = 17142.86 / (16 × 50) = 21.43 МПа < 60 МПа → Выполнено

Шаг 3: Напряжение сжатия (σ_jy)
σ_jy = 17142.86 / (50 × 5) = 68.57 МПа < 100 МПа → Пройдено

Случай 2: Проектирование минимальной длины ключа

Данный:

Диаметр вала d = 50 мм
Крутящий момент М = 1600 Н·м
Допустимые напряжения: [τ] = 80 МПа, [σ_jy] = 240 МПа.

Шаг 1: Сила сдвига (F)
F = 2 × 1600 × 1000 / 50 = 64000 Н

Шаг 2: Длина ключа из условия сдвига
l ≥ 64000 / (16 × 80) = 50 мм

Шаг 3: Длина ключа из условия сжатия
l ≥ 64000 / (5 × 240) ≈ 53.3 мм

Окончательный выбор: на основе стандартной серии выбираем l = 56 мм.

Типы шпонок вала, таблица размеров, марки материалов, расчетная формула и расчет

Что такое шпонка вала?

Типы шпонок вала (схема, характеристики и применение)

1. Плоский ключ (параллельный утопленный ключ)