ШПОНОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области машиностроения, в разъемных соединениях, передающих крутящий момент, и может быть использовано в соединениях вала со шкивом, зубчатым колесом, маховиком и другими деталями, вращающимися совместно с валом.
Уровень техники
Известно шпоночное соединение, состоящее из ступицы и установленной в шпоночном пазу шпонки с отогнутыми на торец фиксаторами, причем шпонка выполнена в виде комплекта установленных перпендикулярно оси шпоночного паза цилиндрических элементов, при этом крайние элементы выполнены с кольцевой проточкой, а фиксаторы установлены в проточках (см. патент на изобретение SU №1199992, МПК F16В 3/00, 1985 г.).
К недостаткам следует отнести сравнительно небольшую площадь контакта шпонки с соединяемыми деталями, истирание цилиндрических элементов друг об друга, приводящее к увеличению зазора в соединении, который в значительной мере влияет на работоспособность соединения.
Известно шпоночное соединение, содержащее вал с продольным пазом, охватывающую деталь и призматическую шпонку, представляющую собой призматический брусок прямоугольного или квадратного сечения (Анурьев В.И. Справочник инженера машиностроителя. 6-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1982. - в 3-х томах.).
Недостатком такого соединения является то, что при вращении наличие зазора в паре «вал-ступица» приводит к относительному перемещению и увеличению амплитуды колебаний сопрягаемых деталей и шпонки, приводящее к уменьшению площади контакта боковой грани шпонки и увеличению динамических нагрузок на шпонку. Также данное соединение не обеспечивает надежного крепления при передаче больших нагрузок, так как фиксация детали от радиального перемещения осуществляется только силой трения, создаваемой при соприкосновении торца шпонки со шпоночным пазом, а от проворота - боковыми гранями шпонки, которые вставляются в шпоночный паз с определенным зазором, что приводит к разбалтыванию соединения, особенно при передаче больших знакопеременных нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемой полезной модели является сборная конструкция для заполнения проема в стене, содержащая стыкуемые деревянные детали, одна из пары которых выполнена с торцевым пазом, обращенным полостью к полости торцевого паза, образованного на второй стыкуемой деревянной детали, и размещенную в полостях шпонку, причем торцевые пазы выполнены сужающегося к поверхности стыка деталей сечения, а шпонка имеет уменьшающееся к ее продольной оси не менее чем на 0,1 ее максимальной высоты преимущественно Х-образное поперечное сечение, высота которого, по крайней мере, на части длины шпонки не менее соответствующего размера торцевого паза, причем твердость материала шпонки превышает твердость стыкуемых деревянных деталей расположенных друг к другу под углом, отличным от 180°, а торцевые пазы в деревянных деталях выполнены глухими со стороны внешнего периметра конструкции, причем ширина паза, по крайней мере, одной деревянной детали превышает половину ширины шпонки, причем в поперечном сечении конструкции по шпонке величина угла между наклонно расположенными друг к другу и ограничивающими паз одноименными противолежащими плоскостями, по крайней мере, одной деревянной детали не превышает величины угла между противолежащими наклонными поверхностями шпонки.
Шпонка выполнена заостренной с расположенными в плане под углом к друг другу 70-100° гранями, а с торца противоположно заострению стороны имеет треугольный в плане вырез с центральным углом не менее 90°, вершина которого обращена в сторону заострения шпонки, размещенная в глухом пазу шпонка обращена наружу заостренным концом или торцом с заостренным вырезом.
Шпонка выполнена из полимерного материала преимущественно на основе полиамида и имеет продольные рифления, которые выполнены на глубину не менее величины деформирования в пазу стыкуемых деревянных деталей, продольная ось шпонки расположена в пазу на расстоянии от внешней боковой поверхности собранной конструкции не меньшем, чем ширина шпонки (см. патент на изобретение SU №2154144, МПК Е06В 3/96, 2000 г.).
К недостаткам такого соединения следует отнести ограниченность функциональных возможностей.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть, достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению надежности фиксации от радиального смещения и проворота при динамических нагрузках, не снижая трудоемкость сборки и разборки соединения, путем изменения формы шпонки.
Технический результат достигается с помощью шпоночного соединения, содержащего шпонку, имеющую уменьшающееся к ее продольной оси не менее чем на 0,1 ее максимальной высоты преимущественно Х-образное поперечное сечение, причем оно дополнительно снабжено валом и ступицей, при этом ступица охватывает вал и шпонку, которую устанавливают в шпоночный паз вала, выполненный сужающимся к поверхности стыка вала и ступицы сечением, с последующей установкой ступицы на вал со шпонкой, которая имеет такое же сечение, с возможностью обеспечения конусности 1 к 3,5.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 - изображено шпоночное соединение, общий вид. На фиг.2 - тоже, разрез А-А на фиг.1. На фиг.3 - тоже, шпонка, вид сбоку. На фиг.4 - тоже, конусность.
Осуществление полезной модели
Шпоночное соединение (фиг.1) содержит вал 1, охватывающую вал ступицу 2 и шпонку 3.
Шпонка 3 имеет уменьшающееся к ее продольной оси не менее чем на 0,1 ее максимальной высоты преимущественно Х-образное поперечное сечение, именуемое «двойной ласточкин хвост», которую устанавливают в шпоночный паз (на фигуре не показан) вала 1, выполненный сужающимся к поверхности стыка деталей сечением. Далее запрессовывается ступица 2, имеющая такое же сечение. Обеспечивается конусность 1 к 3,5. Имеется также поясок 4, позволяющий компенсировать зазор в паре вал 1 ступица 2.
Шпоночное соединение работает следующим образом:
На ступицу 2 через внешний источник (например, ременная передача) передается крутящий момент Т. От ступицы 2 на шпонку 3 действует сила вращения F. Так как шпонка 3 жестко запрессована в вал 1, то на вал 1 действует эта же сила. Соединение приводится во вращательное движение.
При передаче крутящего момента боковые стороны шпонки 3, воспринимающие усилия крутящего момента, работают на смятие, а центральная зона шпонки 3 - поясок 4 работает на срез.
При вращении наличие зазора в соединении предусматривает изменение площади контакта, в зависимости от угла поворота ступицы 2 и вала 1, и увеличение динамических нагрузок. В данной конструкции площадь контакта постоянна за счет конусности 1 к 3,5. Данная конусность позволяет надежно стопорить соединение, исключает относительные радиальные перемещения соединяемых деталей даже при наличии зазора в соединении вал 1-ступица 2, а также достичь необходимого запаса прочности на срез и на смятие шпонки 3 [по общепринятым правилам расчета на смятие и на срез (Анурьев В.И. Справочник инженера машиностроителя. 6-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1982. - в 3-х томах.)]. Твердость материала шпонки превышает твердость сопряженных деталей. Благодаря тому, что шпонка выполнена из материала более твердого, чем остальные детали соединения, при запрессовке в шпоночный паз, она надежно стопорит соединение от радиального перемещения и от проворота.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- повышает надежность фиксации от радиального смещения;
- исключает проворот при динамических нагрузках, с возможностью сборки и разборки соединения;
- обеспечивает постоянство площади контакта, при передаче нагрузки;
- увеличивает ресурс соединения;
- устраняет возможность относительного перемещения ступицы по поверхности вала с ограничением амплитуды смещения величиной имеющегося зазора;
- стягивает ступицу и вал, не создавая эксцентриситет.