На відміну від шестерень і валів Lego, показаних нижче, більшість двигунів мають ідеально круглі вали. Це ускладнює кріплення шестерень, шківів і зірочок.
Основними методами кріплення шестерень до валів є клей, запресовка, поперечні просвердлені отвори, стиснення, установчі гвинти, шпонкові канавки, евольвентні шліци та конічні замкові втулки. У більшості промислових застосувань використовуються шпонкові канавки та/або встановлені гвинти. У той час як клеї та прес-фітинги зазвичай використовуються з низьким крутним моментом або для хобі.
Давайте розглянемо кожен метод, зваживши всі за і проти. Я також буду використовувати терміни; шестерні, шківи, зірочки та кулачки, взаємозамінні, оскільки ця стаття стосується того, як пристрій встановлено, а не що він робить.
клеї
Клеї в основному використовуються в хобі з пластиковими механізмами. Не тільки тому, що пластикові шестерні не витримують великого крутного моменту, а й тому, що розміри валу залишаються малими в діаметрі.
Оскільки діаметр вала збільшується, відносна міцність клейового з’єднання та міцність вала дорівнюють приблизно 3/16″ (5 мм) при використанні консервативної міцності клею 1000 psi (7 Н/мм) і валу зі сталі C1018 ( 54 ksi, 370 МПа).
Висновок: використання клею є хорошим вибором для невеликих валів
Як уже згадувалося, більшість виробників клею рекламують міцність на зріз принаймні 1000 psi, а деякі – 3000+ psi. Випробування на зсув на колінах проводиться за допомогою двох довгих тонких брусків, прикріплених разом за допомогою клею на вимірюваній площі. Кінці брусків розтягують до розриву. Сила ділиться на площу, і результатом є міцність на зсув.
Я зазвичай розраховую тут низьку заявлену міцність на зсув, оскільки діє багато факторів, які можуть знизити фактичну міцність. Серед них підготовка поверхні, площа нанесення, температура та вологість.
Перед нанесенням клею вам потрібно буде обробити поверхні шківа та вала наждачним папером (~200–300 зернистість) або дрібним напилком. Це дасть клей невеликі зазубрини, за які можна схопитися. Потім потрібно очистити та знежирити миючим засобом, а потім повністю висушити. Зазвичай я люблю використовувати засіб для очищення гальм, тому що він у мене є.
Щоб визначити, чи ваша програма витримає прикладений крутний момент. Скористайтеся наступними формулами.
Де Площа — площа поверхні між валом і шківом, d — діаметр валу, L — довжина перекриття валу і шківа, F — внутрішня сила зсуву між валом і шківом, Ss– міцність клею на зсув, а Т – прикладений (або максимальний крутний момент).
Використовуючи середню міцність адгезії на зсув 1000 psi, діаметр 0,19 дюйма та довжину перекриття 0,38 дюйма, ми можемо визначити, що наш максимальний крутний момент становить 43,1 фунта.
Є три основні недоліки використання клейового методу для з’єднання шківа з валом
Крутний момент обмежений діаметром і силою адгезії, як уже згадувалося
Є можливість розташувати вал і шків не по центру та/або перпендикулярно. Це можна звести до мінімуму за допомогою допуску між ними, але не настільки щільно, щоб ви стерли весь клей.
Немає способу відрегулювати або замінити компоненти без можливості пошкодження 1 або обох компонентів. Наявність коригування важлива, але цей метод взагалі не допускає цього.
Прес-фітинг
Запресовування – перевірений і надійний метод кріплення шестерень до валів. Це використовується в залізничній галузі як спосіб заощадити гроші, коли колісні вузли зношуються або виходять з ладу.
Основний зварний елемент колеса має точно оброблений діаметр, а потім навколо нього накладається тонка стрічка із загартованої сталі. Смуга або «шина» фактично менша за оброблену поверхню. Це дозволяє час від часу замінювати недорогу стрічку замість усього колеса в зборі.
У наступному відео показано, як за допомогою тепла знімається шина з колеса. Смуга буде розширюватися в діаметрі в міру підвищення температури. Колесо (внутрішній діаметр) залишиться приблизно того самого розміру, оскільки воно має набагато більшу масу та швидше випромінює тепло.
На цьому етапі стрічку можна зняти та встановити нову таким же методом.
Оскільки на цьому немає механічного замка, він на 100% заснований на терті, і він може зісковзнути. Виміряти та визначити пресову посадку складно, і зазвичай потрібно робити припущення.
Де Pr - тиск між поверхнями, δ - величина пресової посадки, d - діаметр валу, do- зовнішній діаметр втулки або шестерні, di– внутрішній діаметр валу (якщо порожнистий), μ – коефіцієнт тертя між матеріалами, а E і ν – модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона матеріалів.
Запресуйте шестерні на вал
Розігрів матеріалу збільшить діаметр; отже, зменшення величини пресової посадки, δ. Це полегшує надягання та зняття спорядження, але кінцевий результат залишається таким же, коли воно охолоне.
Якщо робити це вдома з пластиковими шестернями. Спробуйте розігріти їх у духовці приблизно від 175 градусів до 200 градусів (від 79 градусів до 93 градусів), а потім посуньте їх на вал.
Цей метод регулюється, але нелегко, і вам може знадобитися розібрати кілька компонентів, щоб тепло не зруйнувало їх.
Поперечні просвердлені отвори
Свердління отвору як у втулці шестерні, так і у валу – чудовий спосіб отримати великий крутний момент. Це також запобігає перевантаженню валу, тому що штифт буде зрізатися (зламатися), якщо крутний момент занадто великий. У цій програмі можна використовувати три основні типи шпильок, перерахованих нижче від найслабшого до найсильнішого.
Поперечний отвір із роликовим (пружинним) штифтом
Рулонні (пружинні або прорізні) шпильки – це плоскі бруски, які були розкатані до круглої форми. Вони, як правило, відкриваються пружиною (отже, пружинні шпильки), що забезпечує достатню пресову посадку, щоб шпилька не вислизала. Я рекомендую ці два варіанти.
Зрізні штифти – Ці штифти суцільні та мають виїмку в середині, де штифт розроблений для виходу з ладу під дією певної сили. Важливо отримати штифт там, де виїмка буде в одній площині з діаметром вала.
Дюбельні штифти – це лише міцні штифти. Якщо ваш отвір занадто великий, вам, ймовірно, доведеться приклеїти їх на місце (також зрізні шпильки). Якщо ваша аплікація змінює напрямок або навантаження, ви можете сприяти тому, що клей передчасно зіпсується, а шпилька випаде.
Кожен із штифтів матиме заявлену міцність на розрив, і ви можете вибрати діаметр і тип на основі наведених нижче рівнянь. Фs- сила зсуву, T - прикладений крутний момент і d - діаметр вала.
Цей метод дає вам багато можливостей для обробки більшого крутного моменту, але все одно не дає жодного регулювання після того, як отвір просвердлено. Якщо ви зіпсуєте занадто багато разів, стрижень буде виглядати як швейцарський сир.
Основною перевагою є те, що майже будь-хто може зробити це з’єднання. Вам знадобляться лише дриль, свердла і молоток.Я рекомендую спочатку просвердлити менший діаметр 1/16 – 3/32 і перевірити вирівнювання за допомогою зубочистки.Якщо він хороший, просвердліть його до потрібного діаметру. Якщо ні, поверніть на іншу частину вала та повторіть спробу.
Як прикріпити шестерні, зірочки та шківи до валів
Написав Корі Расмуссен у Gears, Mechanical Design Останнє оновлення 22 серпня 2024 р.
На відміну від шестерень і валів Lego, показаних нижче, більшість двигунів мають ідеально круглі вали. Це ускладнює кріплення шестерень, шківів і зірочок.
Основними методами кріплення шестерень до валів є клей, запресовка, поперечні просвердлені отвори, стиснення, установчі гвинти, шпонкові канавки, евольвентні шліци та конічні замкові втулки. У більшості промислових застосувань використовуються шпонкові канавки та/або встановлені гвинти. У той час як клеї та прес-фітинги зазвичай використовуються з низьким крутним моментом або для хобі.
Давайте розглянемо кожен метод, зваживши всі за і проти. Я також буду використовувати терміни; шестерні, шківи, зірочки та кулачки, взаємозамінні, оскільки ця стаття стосується того, як пристрій встановлено, а не що він робить.
клеї
Клеї в основному використовуються в хобі з пластиковими механізмами. Не тільки тому, що пластикові шестерні не витримують великого крутного моменту, а й тому, що розміри валу залишаються малими в діаметрі.
Зображення надано Creative Commons
Хочете дізнатися більше про Gears?
Підпишіться на БЕЗКОШТОВНИЙ комплексний майстер-клас із проектування передач від інженера-наставника (вартість 500 доларів США), який включає його калькулятор планетарного передач (вартість 250 доларів США) і щотижневий інформаційний бюлетень інженера-наставника
Ім'я:
Найкращий електронний лист:
Майстер-клас Comprehensive Gear Design — це серія із 17 частин відео та тексту, де ви дізнаєтеся:
Як визначити розмір шестерень, щоб вони зчепилися
Розрахувати навантаження на зуби шестерень
Розрахувати передавальні числа в планетарній системі
Після завершення цього курсу ви зможете з першого разу правильно проектувати та специфікувати коробки передач для ваших застосувань.
Загальна вартість курсу та калькулятора становить понад 750 доларів США! БЕЗКОШТОВНО
Ми поважаємо конфіденційність вашої електронної пошти
Оскільки діаметр вала збільшується, відносна міцність клейового з’єднання та міцність вала дорівнюють приблизно 3/16″ (5 мм) при використанні консервативної міцності клею 1000 psi (7 Н/мм) і валу зі сталі C1018 ( 54 ksi, 370 МПа).
Висновок: використання клею є хорошим вибором для невеликих валів
Як уже згадувалося, більшість виробників клею рекламують міцність на зріз принаймні 1000 psi, а деякі – 3000+ psi. Випробування на зсув на колінах проводиться за допомогою двох довгих тонких брусків, прикріплених разом за допомогою клею на вимірюваній площі. Кінці брусків розтягують до розриву. Сила ділиться на площу, і результатом є міцність на зсув.
Я зазвичай розраховую тут низьку заявлену міцність на зсув, оскільки діє багато факторів, які можуть знизити фактичну міцність. Серед них підготовка поверхні, площа нанесення, температура та вологість.
Перед нанесенням клею вам потрібно буде обробити поверхні шківа та вала наждачним папером (~200–300 зернистість) або дрібним напилком. Це дасть клей невеликі зазубрини, за які можна схопитися. Потім потрібно очистити та знежирити миючим засобом, а потім повністю висушити. Зазвичай я люблю використовувати засіб для очищення гальм, тому що він у мене є.
Щоб визначити, чи ваша програма витримає прикладений крутний момент. Скористайтеся наступними формулами.
Де Площа — площа поверхні між валом і шківом, d — діаметр валу, L — довжина перекриття валу і шківа, F — внутрішня сила зсуву між валом і шківом, Ss– міцність клею на зсув, а Т – прикладений (або максимальний крутний момент).
Використовуючи середню міцність адгезії на зсув 1000 psi, діаметр 0,19 дюйма та довжину перекриття 0,38 дюйма, ми можемо визначити, що наш максимальний крутний момент становить 43,1 фунта.
Є три основні недоліки використання клейового методу для з’єднання шківа з валом
Крутний момент обмежений діаметром і силою адгезії, як уже згадувалося
Є можливість розташувати вал і шків не по центру та/або перпендикулярно. Це можна звести до мінімуму за допомогою допуску між ними, але не настільки щільно, щоб ви стерли весь клей.
Немає способу відрегулювати або замінити компоненти без можливості пошкодження 1 або обох компонентів. Наявність коригування важлива, але цей метод взагалі не допускає цього.
З’єднання валів разом? Ознайомтеся з нашим посібником із муфт для валів.
Прес-фітинг
Запресовування – перевірений і надійний метод кріплення шестерень до валів. Це використовується в залізничній галузі як спосіб заощадити гроші, коли колісні вузли зношуються або виходять з ладу.
Основний зварний елемент колеса має точно оброблений діаметр, а потім навколо нього накладається тонка стрічка із загартованої сталі. Смуга або «шина» фактично менша за оброблену поверхню. Це дозволяє час від часу замінювати недорогу стрічку замість усього колеса в зборі.
У наступному відео показано, як за допомогою тепла знімається шина з колеса. Смуга буде розширюватися в діаметрі в міру підвищення температури. Колесо (внутрішній діаметр) залишиться приблизно того самого розміру, оскільки воно має набагато більшу масу та швидше випромінює тепло.
На цьому етапі стрічку можна зняти та встановити нову таким же методом.
Оскільки на цьому немає механічного замка, він на 100% заснований на терті, і він може зісковзнути. Виміряти та визначити пресову посадку складно, і зазвичай потрібно робити припущення.
Супер повільноБезкоштовний онлайн-калькулятор пресування валаабо Go Pro
Де Pr - тиск між поверхнями, δ - величина пресової посадки, d - діаметр валу, do- зовнішній діаметр втулки або шестерні, di– внутрішній діаметр валу (якщо порожнистий), μ – коефіцієнт тертя між матеріалами, а E і ν – модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона матеріалів.
Запресуйте шестерні на вал
Розігрів матеріалу збільшить діаметр; отже, зменшення величини пресової посадки, δ. Це полегшує надягання та зняття спорядження, але кінцевий результат залишається таким же, коли воно охолоне.
Якщо робити це вдома з пластиковими шестернями. Спробуйте розігріти їх у духовці приблизно від 175 градусів до 200 градусів (від 79 градусів до 93 градусів), а потім посуньте їх на вал.
Цей метод регулюється, але нелегко, і вам може знадобитися розібрати кілька компонентів, щоб тепло не зруйнувало їх.
Поперечні просвердлені отвори
Свердління отвору як у втулці шестерні, так і у валу – чудовий спосіб отримати великий крутний момент. Це також запобігає перевантаженню валу, тому що штифт буде зрізатися (зламатися), якщо крутний момент занадто великий. У цій програмі можна використовувати три основні типи шпильок, перерахованих нижче від найслабшого до найсильнішого.
Поперечний отвір із роликовим (пружинним) штифтом
Рулонні (пружинні або прорізні) шпильки – це плоскі бруски, які були розкатані до круглої форми. Вони, як правило, відкриваються пружиною (отже, пружинні шпильки), що забезпечує достатню пресову посадку, щоб шпилька не вислизала. Я рекомендую ці два варіанти.
Зрізні штифти – Ці штифти суцільні та мають виїмку в середині, де штифт розроблений для виходу з ладу під дією певної сили. Важливо отримати штифт там, де виїмка буде в одній площині з діаметром вала.
Дюбельні штифти – це лише міцні штифти. Якщо ваш отвір занадто великий, вам, ймовірно, доведеться приклеїти їх на місце (також зрізні шпильки). Якщо ваша аплікація змінює напрямок або навантаження, ви можете сприяти тому, що клей передчасно зіпсується, а шпилька випаде.
Кожен із штифтів матиме заявлену міцність на розрив, і ви можете вибрати діаметр і тип на основі наведених нижче рівнянь. Фs- сила зсуву, T - прикладений крутний момент і d - діаметр вала.
Цей метод дає вам багато можливостей для обробки більшого крутного моменту, але все одно не дає жодного регулювання після того, як отвір просвердлено. Якщо ви зіпсуєте занадто багато разів, стрижень буде виглядати як швейцарський сир.
Основною перевагою є те, що майже будь-хто може зробити це з’єднання. Вам знадобляться лише дриль, свердла і молоток.Я рекомендую спочатку просвердлити менший діаметр 1/16 – 3/32 і перевірити вирівнювання за допомогою зубочистки.Якщо він хороший, просвердліть його до потрібного діаметру. Якщо ні, поверніть на іншу частину вала та повторіть спробу.
КомпресіяХаби
Хоча це не поширений спосіб кріплення шестерень до валів, він доступний. Коли шестерня ковзає по валу, установчий гвинт затягується, і крутний момент передаватиме тертя. Коефіцієнт може бути ненавмисно зменшений через масляні вали або використання антизаїдань. При використанні цього методу найкраще використовувати різнорідні метали.
Вартість виготовлення рельєфів у компонентах робить цей метод у більшості випадків непомірно високим.
Просто уникайте цього типу суглобів!
Установчі гвинти
Спосіб кріплення до валу за допомогою установочного гвинта (тільки) дуже поширений із зубчастими шківами, шестернями та зірочками.
Важко визначити, який крутний момент можна отримати від такої муфти. Результат може сильно відрізнятися через коефіцієнт тертя, прикладений крутний момент, змащування різьб і тип установочного гвинта. Основне рівняння виглядає наступним чином:
Де T — вихідний крутний момент, μ — коефіцієнт тертя, F — нормальна сила від одного установчого гвинта, d — діаметр тяги.
Більшість людей просто максимально затягують установчий гвинт. Поки шків не прослизає від надмірного крутного моменту, все буде добре. Однак коли це станеться, ви швидко зношите паз у валу. Це робить діаметр вашого валу меншим; тим самим зменшуючи максимальний крутний момент, якого ви можете досягти.
Основна перевага полягає в тому, що цей метод на 100% регулюється для обертання на валу та по його довжині. Як правило, цей метод доступний лише для розмірів валу 1/2″ (13 мм) або менше.
Шпонкові канавки
Для більшості промислових застосувань стандартом є шпонкові вали.Безперечно, будь-яке готове обладнання буде доступне в різних розмірах з отворами для ключів. Ви також можете придбати їх із незакінченими отворами та вирізати власний шпонковий паз, якщо хочете.
Вибираючи розмір отвору, переконайтеся, що ви не вибираєте занадто великий вал для шестерні. Нещодавно я користувався системою, яка використовувала 10-зубчасту зірочку на валу 1 дюйм. У системі були деякі стрибки тиску під час запуску, і зірочка фактично зламалася навпіл.
Це вдалося зробити так легко, тому що матеріал між зовнішньою стороною втулки та шпонковим пазом мав товщину лише 1/8 дюйма. Ми змогли подвоїти це значення до ¼, додавши один зуб. Це ситуація, коли евольвентний шліц бути кращим вибором (про це пізніше).
Більшість шестерень утримуються від ковзання на валу лише одним або двома установчими гвинтами. Як правило, один гвинт знаходиться на шпонці, а інший – під кутом 90 градусів до неї та притискається до валу. Для циліндричних шестерень цього достатньо, але для косозубих шестерень потрібно мати більше позитивного зачеплення на валу, щоб врахувати бічне навантаження. Можливі рішення – упорні підшипники, конічні роликові підшипники або стопорні кільця.
