Полное руководство по проектированию шплинтовых пазов и подбору шплинтов: расчеты, выбор и стандарты

Выбор шплинта для вала критически важен для предотвращения преждевременного отказа шплинтовых соединений. Шплинтовые пазы и шплинты используются для передачи крутящего момента от валов к механическим передаточным элементам, таким как шестерни, шкивы и т.д., с использованием шплинтового соединения. Они могут быть изготовлены либо из стандартного заготовленного материала, такого как шплинтовый заготовка, либо индивидуально обработаны для соответствия применению.

Обычно номинальный диаметр вала используется для определения размера шплинта согласно различным стандартам, таким как BS4235, и широко доступный прямоугольный шплинт используется для большинства применений. Таким образом, шплинтовое соединение делается с запасом, чтобы выдерживать все нагрузки, а стандарты не специфицируют материал шплинта или ограничения соединения. Но тщательное внимание должно быть уделено, так как иногда даже самый большой шплинт выходит из строя из-за непредвиденных ошибок расчета, не говоря уже о том, что более длинный или более крупный шплинт также ослабляет вал.

Предполагая, что размер вала и элемент были спроектированы для соответствия крутящему моменту и изгибной прочности, то обеспечение того, что выбранный шплинт соответствует этой спецификации, критически важно для безопасной механической передачи. Иногда шплинт выбирается так, чтобы он ломался на пределе, защищая вал, шестерню и другие элементы. В этом случае шплинтовое соединение работает как пожертвовательный предохранитель.

Критерии выбора шплинта вала

Давайте углубимся в важные критерии выбора, которые нужно учитывать при выборе шплинтового соединения. Следующие 8 критических факторов должны учитываться при проектировании и выборе шплинта вала.

Тип шплинта или типа соединения обычно выбирается на поздней концептуальной стадии или ранней стадии конкретного проектирования продукта. Но на стадиях конфигурации дизайна или детального проектирования продукта шплинтовое соединение должно быть оценено на сдвиговые и сдавильные напряжения.

Типы шплинтов

Существует четыре основные группы шплинтов для валов: впайные шплинты, седловые шплинты, касательные шплинты и круглые шплинты. Каждый имеет разные характеристики и несущие способности; поэтому правильный шплинт должен быть выбран для применения на основе его характеристик и преимуществ.

Тип шплинта		Применение шплинта вала
Впайные шплинты	Прямоугольные шплинты	Прямоугольный шплинт обычно используется для диаметра вала от 1" (25 мм) до 20" (500 мм)
		Обычно они имеют сниженное влияние на вал из-за неглубокого шплинтового паза
	Квадратные шплинты	Квадратный шплинт используется, если требуется более глубокая глубина паза для передачи крутящего момента. Но убедитесь, что ослабленный вал может выдержать нагрузку.
		Квадратный шплинт используется для диаметров вала до 1" (25 мм) включительно
	Параллельные впайные шплинты	Параллельные впайные шплинты широко доступны и являются одними из самых легких в установке
		Если возможно, используйте зажимные винты в втулке, чтобы удерживать ее вниз, предотвращая выхождение в процессе работы
	Шплинты с головкой (Gib head)	Они очень похожи на прямоугольные/параллельные шплинты, но их легче удалять благодаря головке
	Шплинты-перья (Feather keys)	Шплинты-перья позволяют втулке перемещаться осево, передавая вращательный момент
	Сегментные шплинты (Woodruff)	Используйте для низких нагрузок и может адаптироваться к любому коническому соединению вала/втулки.
Седловые шплинты		Используйте только для очень легких однонаправленных нагрузок
Касательные шплинты		Могут использоваться на медленных двунаправленных больших крутящих моментах.
		Не рекомендуются для высокочастотного изменения направления
Круглые / Цилиндрические шплинты		Используются только для очень низких крутящих моментов и скоростей
		Могут быть установлены путем сверления и растачивания вала и втулки вместе
		Диаметр шплинта должен быть примерно шестой частью диаметра вала

#productdesigntips

• Иногда диаметр вала диктуется другими элементами, такими как изгибная стойкость, установка подшипников и т.д. В этом случае шплинт может быть подобраен меньшим, чтобы соответствовать крутящему моменту, а не диаметру вала.

Материал шплинта

Обычно шплинты для валов изготавливаются либо из среднеуглеродистой стали, либо из нержавеющей стали. Но они могут быть изготовлены из многих различных типов материалов, таких как алюминиевый сплав, бронза, медь и латунь, для соответствия различным прикладным средам. Например, латунные или бронзовые шплинты для пропеллерных валов судов и нержавеющая сталь для использования в пищевом оборудовании.

Обычно шплинтовая сталь поставляется согласно BS46 и BS4235 и представляет собой нелегированную среднеуглеродистую сталь с разумной прочностью на разрыв. Нелегированные среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,25% до 0,60% используются из-за их идеального сочетания прочности, вязкости и хороших обрабатывающих характеристик. Следующая таблица предоставляет список некоторых распространенных материалов шплинтов с их пределом прочности на разрыв (UTS).

Материал	Твердость по Бринеллю	Предел прочности на разрыв (МПа)	Примечания
Углеродистая сталь	225 - 275	500	Обеспечивает хорошую прочность и может быть изменена термической обработкой для обеспечения более высокой степени прочности или износостойкости
Высокоуглеродистая сталь
Легированная сталь	300-350	600
Закаленная сталь	650	650
Мартенситная нержавеющая сталь	197	655	Используйте, когда требуется более высокая прочность материала в слабо коррозионных средах
Аустенитная нержавеющая сталь	212	240-250	Используйте в сильно коррозионных применениях
Алюминиевый сплав	30	120-130
Латунь (C36000)	60-80	280-320
Медь	80-110	200 - 360

Обычно при расчетах допускаемые сдавильная и сдвиговая прочность рассчитываются из UTS с использованием соответствующего коэффициента безопасности и теорий отказа, таких как теория максимального сдвигающего напряжения.

#productdesigntips

• Самая популярная марка стали — AISI 1045 (эквивалент C45, EN8, 080M40), которую можно закалить нагревом материала примерно до 820-850°C (1508-1562°F) для увеличения UTS.
• Убедитесь, что гальваническая коррозия учитывается, если вы используете другие материалы.
• Шплинты, изготовленные по британским стандартам, должны быть изготовлены из стали, соответствующей BS 970, с прочностью на разрыв не менее 550 МН/м².

Тип нагрузки

Иногда преждевременные отказы происходят даже когда шплинт переборан для максимального передаваемого крутящего момента. Это связано с непредвиденными типами нагрузок, такими как удар, импульс или сила, вызванная двунаправленным вращением. Переменные скорости моторов также видят флуктуации нагрузки во время их фаз разгона и торможения, в которых силы на шплинт меняются.

Хотя большинство шплинтов не подходят для чередующихся направленных нагрузок (изменение направления вращения по часовой стрелке на против часовой стрелки или наоборот), шплинтовые пазы все еще используются в таких применениях. Если направление не меняется часто, шплинтовый паз может использоваться безопасно, но тщательное внимание должно быть уделено усталостным нагрузкам и ускоряющим крутящим моментам.

\(T_m = (T_L + T_a) \)

\(T_a = JA\)

• \(T_m \) – Общий необходимый крутящий момент
• \(T_L \) – Нагрузочный крутящий момент
• \(T_a \) – Ускоряющий крутящий момент
• \(J \) – Момент инерции
• \(A \) – Ускорение

Если есть какие-либо осевые или радиальные ударные нагрузки на подключаемый элемент, то заботу следует уделить поддержке внешних осевых и радиальных ударных нагрузок. Это для обеспечения того, что шплинт передает только крутящий момент в направлении вращения.

#productdesigntips

• • Разместите шплинтовой паз в линии с радиальной силой, действующей на элемент.
  • Большинство шплинтов не подходят для чередующихся направленных нагрузок и ударов.

Правильная посадка

Жизненно важно иметь правильную посадку между шплинтовым пазом вала, шплинтом и шплинтовым пазом втулки. Стандарты, такие как BS 46, ANSI B17.1-1967 или JIS B 1301-1996, специфицируют размеры и допуски шплинтов и шплинтовых пазов.

Обычно есть два класса запаса для впайных шплинтов, в основном параллельных шплинтов. Все стандарты это признают и специфицируют допуски для шплинтового паза, так что можно иметь от двух до четырех классов посадок.

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

Свободная/зазорная посадка – Это относительно свободная посадка, где втулка должна скользить по шплинту при использовании и применяется только к параллельным шплинтам. (Используя заготовки шплинтов и допуски шплинтовых пазов)

Нормальная/боковая посадка – Это относительно тесная посадка, где шплинт вставляется в паз с минимальной подгонкой, как требуется для массовой сборки.

Плотная посадка – Где требуется точная посадка шплинта. В этом классе подгонка будет требоваться при максимальных материальных условиях, и если требуется получить эти условия, может потребоваться отбор компонентов.

Посадка с натягом – где требуется посадка такая, что нет возможности игры между шплинтом и пазом в валу и втулке. В этом классе посадки потребуется ручная подгонка.

Спецификация шплинтов и шплинтовых пазов

Посадка влияет на срок службы шплинтового паза и следующий фактор должен учитываться при расчете. Фреттинг-коррозия из-за вращательного изгиба и/или торсионных колебаний была доказана в многочисленных испытаниях на выносливость и обычно является решающим фактором, приводящим к отказу соединения вал-втулка.

Усталость и коэффициент безопасности долговечности

Как и любой другой механический расчет, коэффициент безопасности является ключевым элементом расчета, спецификации и проектирования шплинтового соединения в механической передаче мощности. Соотношение между допускаемым напряжением и специфицированным минимальным пределом текучести согласно коду AISC:

Растяжение
– \(0.45Sy < Sa < 0.6Sy \)
Сдвигающее напряжение – \(\tau_s = 0.4Sy \)
Подшипниковое/Сдавильное – \(Sa = 0.9Sy \)
Изгибное – \(0.6Sy < Sa < 0.75 Sy \)

Крутильная прочность вала

Важно помнить, что любой шплинтовый паз снижает крутильную прочность вала из-за концентрации напряжений в углах паза и уменьшения поперечного сечения вала. Хотя предполагается, что прочность сплошного вала снижается на 75%, теоретически это можно рассчитать с помощью уравнения Г. Ф. Мура для коэффициента прочности вала. Это отношение прочности вала с пазом и без него.

\(e =1–0.2(w/d)–1.1(h/d)\)

\(e\) – Коэффициент прочности вала
\(w\) – Ширина шплинтового паза
\(d\) – Диаметр вала
\(h\) – Глубина шплинтового паза (= Толщина шплинта (t)/2)

Коэффициент концентрации усталостных напряжений \(K_ft\) для шплинтовых пазов, как показано на рисунке ниже для распространенных типов шплинтовых пазов: «санки» (a) и профильный паз или фрезерованный на конце (b).

• Тип «санки» – 1.44
• Профильный паз или фрезерованный на конце – 1.68

Отказ шплинта вала

Потенциальные отказы шплинтового соединения включают текучесть, dúктилный разрыв, усталость и фреттинг-усталость шплинта или шплинтового паза вала. Часто выгодно подбирать шплинтовое соединение так, чтобы оно жертвовало собой и сдвигалось дúктилным разрывом в случае перегрузки по крутящему моменту. Использование шплинта как недорогого предохранителя для защиты дорогих машинных элементов.

Размер шплинта

Существует два типа сил, действующих на шплинт из-за установки и передачи мощности. Сдавильная сила (f1), индуцированная плотной посадкой шплинта, очень трудно определить, и если используются правильные допуски согласно стандартам, то она будет сравнительно мала.

Сила F индуцируется на боковой стороне шплинта, как показано, из-за передаваемого крутящего момента и порождает как сдвиговые, так и сдавильные напряжения. Приводит к следующим двум типам механизмов отказа.

• Сдвиговый отказ
• Сдавильные контактные силы

Сдавильное контактное напряжение на контактной плоскости

\(S_c= 4T/dhl\)

Среднее сдвигающее напряжение через сдвиговую плоскость рассчитывается

\( \tau_s= 2T/dwl \)

Где

• \(T\) – Крутящий момент
• \(d \)– диаметр вала
• \(w\) – ширина шплинта
• \(l\) – Длина шплинта
• \(\tau_s\)– Среднее сдвигающее напряжение
• \(S_c\) – Сдавильное контактное напряжение

Необходимая длина шплинта может быть получена либо с использованием теории максимального сдвигающего напряжения, либо путем приравнивания среднего напряжения к допускаемому сдвигающему напряжению.

Расчетный допускаемый крутящий момент может быть вычислен из вышеуказанного уравнения.

\( T_k \) = \(\tau_sdwl/2\)

Где \(\tau_s\) — проектное допускаемое сдвигающее напряжение для применимого режима отказа. Из проектирования вала проектный допускаемый крутящий момент может быть найден с использованием следующей формулы

\(T_s = \pi d^3 \tau_d/16 K_f\)

Если шплинт выбран так, чтобы иметь тот же проектный допускаемый напряжение, что и вал, то длина шплинта может быть найдена с использованием следующей формулы

\( T_k = T_s \)

\( L_e = \pi d^2 / 8wK_f\)

Где

• \(T_k\) – Допускаемый крутящий момент для шплинта
• \(T_s \)– Допускаемый крутящий момент для вала
• \(L_e\) – Эффективная длина шплинта
• \(K_f \)– Коэффициент концентрации усталостных напряжений

Ссылки

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (n.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines.John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements: Bernard J. Hamrock, Steven R. Schmid, Bo O. Jacobson. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.