Руководство по проектированию шпоночных пазов вала, расчету и выбору размеров шпоночных пазов

Выбор ключа вала имеет решающее значение для предотвращения преждевременного выхода из строя шпоночных соединений . Шпоночный паз и шпонки вала используются для передачи крутящего момента от валов к элементам механической передачи, таким как шестерни, шкивы и т. д., с помощью шпоночного соединения. Они могут быть изготовлены из стандартного материала, такого как ключ, или изготовлены на заказ в соответствии с применением.

Как правило, номинальный диаметр вала используется для указания размера шпонки в соответствии с различными стандартами, такими как BS4235, а широко доступная прямоугольная шпонка используется в большинстве случаев. Таким образом, шпоночное соединение имеет увеличенный размер, чтобы выдерживать все нагрузки, а в стандартах не указывается материал шпонки или ограничения соединения. Но следует уделить особое внимание, так как иногда даже самая большая шпонка выходит из строя из-за непредвиденного просчета, не говоря уже о том, что более длинная или крупная шпонка также ослабляет вал.

Если предположить, что размер вала и элемент рассчитаны на крутящий момент и прочность на изгиб, то обеспечение того, чтобы выбранная шпонка соответствовала этим спецификациям, имеет решающее значение для безопасной механической передачи. Иногда шпонка вала выбирается так, чтобы она вышла из строя на пределе, защищающем вал, шестерню и другие элементы. В этом случае шпоночное соединение работает как разрыхлитель.

Критерии выбора шпонки

Давайте углубимся в важные критерии выбора, которые следует учитывать при выборе шпоночного соединения. При проектировании и выборе шпонки необходимо учитывать следующие 8 критических факторов.

Ключевой тип или тип соединения обычно выбирают на поздней концептуальной стадии или на ранней стадии проектирования продукта. Но во время конфигурации проекта или на этапах детального проектирования изделия шпоночное соединение должно быть оценено на предмет разрушения при сдвиге и сжимающем напряжении.

Типы ключей

Доступны четыре основные группы шпонок вала, а именно:утопленная шпонка, седловидная шпонка, касательная шпонка и круглая шпонка. . Каждый из них имеет разные характеристики и несущую способность; следовательно, для конкретного применения следует выбирать правильную шпонку вала с учетом ее характеристик и преимуществ.

#productdesigntips

• Иногда диаметр вала определяется другими факторами, такими как сопротивление изгибу, установка подшипника и т. д. В этом случае размер шпонки может быть меньше, чтобы соответствовать крутящему моменту, а не диаметру вала.

Основной материал

Обычно шпонки вала изготавливаются из среднеуглеродистой стали или нержавеющая сталь . Но они могут быть изготовлены из различных материалов, таких как алюминиевый сплав, бронза, медь и латунь, чтобы соответствовать различным условиям применения. Например, латунные или бронзовые шпонки для морских гребных валов и нержавеющая сталь для использования в оборудовании для обслуживания пищевых продуктов.

Как правило, ключевая сталь поставляется в соответствии с BS46 и BS4235 и представляет собой нелегированную среднеуглеродистую сталь с приемлемой прочностью на растяжение. Нелегированные среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,25% до 0,60% используются благодаря идеальному сочетанию прочности, ударной вязкости и хороших характеристик обработки. В следующей таблице приведен список некоторых распространенных материалов шпонок вала с указанием их предельной прочности на растяжение (UTS).

Как правило, во время расчетов допустимая прочность на сжатие и сдвиг рассчитывается из UTS с использованием соответствующего коэффициента запаса прочности и теории разрушения, такой как теория максимального напряжения сдвига.

#productdesigntips

• Самая популярная марка стали — AISI 1045 (эквивалент C45, EN8, 080M40), которую можно закалить, нагрев материал примерно до 820–850°C (1508–1562 F) для увеличения UTS.
• Убедитесь, что гальваническая коррозия учитывается при использовании других материалов.
• Ключи, изготовленные по британским стандартам, должны быть изготовлены из стали, соответствующей стандарту BS 970, с пределом прочности на растяжение не менее 550 МН/м2.

Тип загрузки

Иногда преждевременные отказы случаются, даже если шпонка вала слишком велика для максимального передаваемого крутящего момента. Это происходит из-за непредвиденных типов нагрузки, таких как удар, удар или сила, вызванная двунаправленным вращением. Двигатели с регулируемой скоростью также подвержены колебаниям нагрузки во время фаз разгона и торможения, когда изменяется сила, действующая на шпонку.

Хотя большинство шпонок не подходят для переменных направленных нагрузок (направление вращения изменяется с CW на CCW или наоборот), шпоночные канавки по-прежнему используются в таких приложениях. Если направление не меняется часто, шпоночный паз можно безопасно использовать, но следует уделять особое внимание усталостным нагрузкам и ускоряющим моментам.

\(T_m =(T_L + T_a) \)

\(T_a =JA\)

• \(T_m \) — общий требуемый крутящий момент
• \(T_L \) — момент нагрузки
• \(T_a \) – момент ускорения
• \(J \) – Момент инерции
• \(A \) — Скорость ускорения

Если на присоединяемый элемент воздействуют осевые или радиальные ударные нагрузки, следует позаботиться о том, чтобы выдержать внешние осевые и радиальные ударные нагрузки. Это необходимо для того, чтобы шпонка передавала крутящий момент только в направлении вращения.

#productdesigntips

• • Поместите шпоночный паз на линии с радиальной силой, действующей на элемент.
  • Большинство ключей не подходят для переменных направленных нагрузок и ударов.

Правильно подходит

Очень важно обеспечить правильную посадку между шпоночным пазом вала, шпонкой и шпоночным пазом ступицы. Такие стандарты, как BS 46, ANSI B17.1-1967 или JIS B 1301-1996, определяют размеры и допуски шпонок и шпоночных канавок.

Как правило, для утопленных ключей доступны два класса запасов, в основном параллельные ключи. Все стандарты признают это и определяют допуски для шпоночного паза, поэтому можно иметь от двух до четырех классов посадки.

Четыре класса посадки, рассматриваемые в этом стандарте, предназначены для удовлетворения следующих различных требований:

Зазор/свободная посадка – Это относительно свободная посадка, когда втулка должна скользить по ключу во время использования, и применима только к параллельным ключам. (с использованием шпонок прутка и допусков на шпонки)

Нормальная/боковая посадка – Это относительно плотная посадка, при которой ключ должен быть вставлен в шпоночный паз с минимальной посадкой, как это требуется для сборки массового производства.

Близкое прилегание – Там, где требуется точная посадка ключа. В этом классе фитинг потребуется при максимальных материальных условиях, и если требуется получить эти условия, может потребоваться некоторый выбор компонентов.

Подгонка с пересечением – когда требуется такая посадка, чтобы не было возможности зазора между шпонкой и шпоночным пазом на валу и ступице. В этом классе подгонки потребуется ручная подгонка.

Спецификация ключей и пазов

Подгонка повлияет на срок службы шпоночного паза, и при расчете необходимо учитывать следующий фактор. Фреттинг-коррозия из-за вращательного изгиба и/или крутильных колебаний была подтверждена многочисленными испытаниями на долговечность и обычно является решающим фактором, приводящим к выходу из строя соединения вал-ступица.

Усталость и фактор безопасности жизни

Как и любой другой механический расчет, коэффициент безопасности является ключевым элементом расчета, спецификации и проектирования шпоночного соединения в механической передаче энергии. Соотношение между допустимым напряжением и заданным минимальным пределом текучести в соответствии с кодом AISC представляет собой растяжение