Шип-паз: правило трети, длина шипа и что показали испытания

Шиповое соединение держится не клеем, а геометрией: клей только не даёт деталям разъехаться, а работу на изгиб выполняет площадь щёк шипа, упирающихся в стенки паза. Отсюда все пропорции — они не традиция, а следствие того, как узел ломается.

Три размера, а не один

Толщина шипа

≈ 1/3 толщины детали. Для царги 40 мм это 12–14 мм: округляйте не к точной трети, а к ширине имеющейся долбёжной стамески

Длина шипа (глухого)

2/3–3/4 ширины ответной детали; в ножке 50 × 50 мм это 32–38 мм, глубже уходить некуда — с другой стороны такой же паз

Ширина шипа

ширина детали минус заплечики; заплечик снизу и сверху обычно 6–10 мм

Заплечики по щекам

оставшиеся 2/3 толщины детали, поровну на две стороны; они принимают боковую нагрузку и закрывают неровности устья паза

Потемок (haunch)

занимает примерно треть ширины детали, оставляя шипу две трети, а в паз уходит примерно на треть длины шипа; ставится там, где паз выходит на торец детали

Запас глубины паза

+2–3 мм к длине шипа, под излишек клея

Правило трети касается только толщины. Про длину и ширину народная мудрость молчит, и зря — именно они определяют, сколько узел выдержит.

Что показали испытания

Здесь удобно опереться не на предания, а на цифры. Группа Kasal, Eckelman, Haviarova и Erdil испытала 360 угловых шиповых соединений — 72 конфигурации по пять образцов (Kasal et al., BioResources 10(4), 2015, с. 7009–7020; те же данные полностью приведены в Wood and Fiber Science 49(2), 2017, с. 219–230). Условия эксперимента:

• царга 21 мм толщиной и 60 мм шириной;
• шип толщиной 7 мм — ровно треть толщины царги;
• ширина шипа 30, 40 или 50 мм; длина шипа 30, 40 или 50 мм — все девять комбинаций;
• породы: сосна обыкновенная и бук европейский;
• клеи: ПВА и полиуретан;
• нагружение на сжатие и на растяжение, по пять образцов на конфигурацию.

Момент, который узел выдерживал до разрушения (нагружение на сжатие, средние значения):

Читается таблица так. Переход от самого маленького шипа к самому большому даёт рост в 2,6 раза на сосне и в 1,8 раза на буке. Смена породы при прочих равных (шип 50 × 50, ПВА) даёт +21 %. Смена клея с ПВА на полиуретан — ещё около 18 %; в регрессионной модели авторов это прямо зашито коэффициентом 0,85 для ПВА против 1,0 для полиуретана. Полезное следствие: геометрия шипа влияет на прочность в разы, а выбор клея — на проценты. Что не отменяет необходимости выбирать клей осознанно — про классы D1–D4 и их реальный смысл написано отдельно.

Ещё одна деталь из той же работы: удлинение шипа с 30 до 50 мм при неизменной ширине 30 мм подняло момент на сосне с 69,9 до 133,4 Н·м — почти вдвое. Расширение шипа с 30 до 50 мм при неизменной длине 30 мм дало 111,5 Н·м, то есть меньше. Если выбирать, куда добавить пять миллиметров, добавляйте в длину.

Разница между самым слабым и самым сильным узлом в этом эксперименте — 4 раза. Смену клея модель авторов оценивает примерно в 18 %. Спорить о марке клея, поставив шип 30 × 30 там, где помещался 50 × 50, — занятие бессмысленное.

Когда шип делят

Ограничение на ширину не имеет отношения к прочности. Шип — это кусок детали, который входит в паз поперёк волокон ответной детали, и обе части сохнут по своим коэффициентам. Пока шип узкий, разница движения укладывается в упругость клеевого шва. Когда ширина шипа превышает его толщину примерно в пять-шесть раз, разница набегает такая, что шов рвётся — обычно у краёв шипа, и снаружи это выглядит как «клей не взял».

Рабочее правило: ширина шипа не больше 5–6 его толщин. Для шипа 12 мм это 60–72 мм. Всё, что шире, делят надвое, оставляя между двумя шипами перемычку. Как считается сама разница движения — в материале про коэффициенты усушки.

Порядок работы

1. Сначала паз. Его размер задаёт инструмент — стамеска, фреза, долбёжник. Ловить произвольный размер в узкой глубокой полости нечем.
2. Замерить паз по факту. Не по номиналу фрезы: фреза 12 мм после биения шпинделя даёт 12,2–12,4 мм.
3. Разметить шип от полученного числа. Рейсмус выставляется по фактической ширине паза, а не по чертежу.
4. Пилить рядом с риской, оставляя её. Толщину доводят стамеской или рубанком-шпунтом.
5. Проверить посадку без клея и без киянки. Правильная посадка — шип входит от усилия ладони и держится трением в вертикальном положении. Если нужна киянка, узел при склейке выдавит клей и получится сухой шов.
6. Подрезать заплечики в последнюю очередь. Именно они задают итоговый габарит рамы, и подгонять их проще, когда посадка уже проверена.

Мелочи, которые решают

• Фаска на кончике шипа. Снятая на 1 × 1 мм по всем четырём рёбрам, она не даёт шипу задирать волокно на входе в паз и упрощает попадание при сборке всей рамы разом.
• Клей на стенки паза, а не на шип. Нанесённый на шип клей стирается о кромку паза и собирается на дне. Тонкий слой по внутренним стенкам расходуется втрое экономнее.
• Плотность породы и усилие струбцины. По данным справочника FPL, лёгкие породы требуют около 0,7 МПа прижима, самые плотные — до 1,7 МПа. Разница в твёрдости пород прямо переводится в число струбцин на узле.
• Сухая сборка всей рамы. Четыре узла по отдельности могут сидеть идеально, а рама собираться с пропеллером — это ловится только сухой сборкой на ровной плите.
• Отделка до сборки там, где это уместно. Внутренние кромки рамы после склейки недоступны, и масло с твёрдым воском туда уже не нанести — но на клеевые поверхности состав попадать не должен.

Пропорции шипа стоит держать в голове как диапазоны, а не как догму: треть толщины, две трети ширины ответной детали, не больше шести толщин по ширине. Остальное решает аккуратность разметки. Смежные узлы и способы сборки разобраны в рубрике «Столярка», а выбор породы под конкретный узел — в рубрике «Породы».