Конические втулки и зажимные соединения: выбор бесшпоночного

Большинство редукторов по-прежнему собираются на шпоночных пазах, и на то есть причины: шпоночный паз легко задать в чертеже, легко выполнить и легко проконтролировать. Но это также концентратор напряжений, прорезанный в обеих деталях, он удаляет сечение именно там, где вал и так работает с высокой нагрузкой, и оставляет зазор, который приходится выбирать при каждом реверсе нагрузки. Два альтернативных решения полностью обходятся без шпонки, и их часто путают между собой на производстве.

Два компонента, две разные посадки

Коническая втулка — это разрезная гильза с конусом на наружной поверхности. Ступица должна быть обработана с ответным коническим отверстием. Втулка запрессовывается с одной стороны, два или три винта подтягивают её в осевом направлении, конус смыкается, отверстие сжимается, и сборка зажимает вал. Демонтаж выполняется теми же винтами, переставленными в резьбовые отверстия для съёма, которые выталкивают втулку обратно.

Зажимное соединение — также продаваемое как бесшпоночная втулка или power lock — не является частью ступицы. Это набор колец, который устанавливается между гладким отверстием и гладким валом, с ответными конусами между внутренними и наружными элементами. Затяжка винтов продвигает кольца по этим конусам так, что оба элемента расширяются радиально и одновременно прижимаются к валу и отверстию. Ничто в ступице не должно быть коническим.

Это единственное различие определяет, какое решение может принять чертёж. Если ступица уже существует с цилиндрическим отверстием, зажимное соединение — единственный вариант без повторной обработки. Если ступица изготавливается для конкретного применения, коническая втулка дешевле в закупке и быстрее в замене.

Откуда на самом деле берётся крутящий момент

Обе конструкции передают крутящий момент через трение, создаваемое радиальным контактным давлением. Поэтому табличные значения зависят от шероховатости поверхности, посадки, смазки и момента затяжки винтов, а не от прочности шпонки на срез. RINGFEDER указывает для своего зажимного соединения RfN 7012 валы с допуском k9–h9 и ступицы с допуском N9–H9, при этом k11–h11 и N11–H11 допустимы на свободном конце, а шероховатость обеих контактных поверхностей должна быть Ra 3.2 µm или лучше. Винты класса 12.9, и каталог допускает снижение момента затяжки до половины указанного значения, при этом передаваемый крутящий момент, осевое усилие и контактное давление падают примерно пропорционально.

Это последнее соотношение стоит прочитать в обратном направлении. Больший момент затяжки винтов — не то же самое, что больший запас. Перетяжка — это то, как тонкостенные чугунные ступицы раскалываются; недотяжка — это то, как соединение ползёт, полирует конус до блестящего кольца и начинает смещаться под нагрузкой. Динамометрический ключ и записанное значение здесь дают больше для надёжности, чем больший типоразмер.

Эти два семейства также различаются тем, что происходит при затяжке. Симметричная конструкция с двойным конусом удерживает вал и ступицу в заданном положении друг относительно друга при затяжке винтов, что важно, когда зубчатое колесо должно занимать определённое осевое положение. Конструкции с одинарным конусом при затяжке протягивают ступицу вдоль вала, поэтому осевое положение должно задаваться после зажима или учитываться в компоновке.

Как читать таблицу конических втулок

Возьмём втулку 2517 из опубликованного ряда. Её длина 44.5 мм, диаметр по большому концу 85.5 мм, используются два винта 1/2 дюйма BSW с моментом 50 N·m. Без шпонки она передаёт 380 N·m при отверстии 38 мм и 510 N·m при отверстии 48 мм. Минимальный диаметр ступицы — 130 мм для чугуна при 180 N/mm² и 108 мм для стали при 600 N/mm². В том же ряду втулка 1008 при отверстии 12 мм передаёт 29 N·m, а втулка 5050 при отверстии 125 мм передаёт 7370 N·m.

Разброс между этими двумя крайними значениями и есть суть. Подбор — это двусторонний расчёт: отверстие задаёт типоразмер, крутящий момент определяет, достаточно ли этого типоразмера, а диаметр ступицы определяет, выдержит ли ступица контактное давление, которое создаёт этот типоразмер. Если дополнительно установить шпонку, плоскость скольжения смещается от границы вал–втулка к границе втулка–ступица, повышая несущую способность примерно пропорционально отношению диаметра большого конца к диаметру отверстия.

Убираем шпонку и возвращаем её обратно

Частый демонтаж и регулировка фазы — самые очевидные причины перейти на бесшпоночное соединение. Зубчатое колесо на валу серводвигателя имеет определённое угловое положение относительно нуля энкодера; со шпонкой каждая повторная сборка означает поиск этого положения заново, тогда как зажимное соединение освобождается и зажимается снова, не смещая его.

Малые диаметры валов — вторая причина. Шпоночный паз удаляет сечение и добавляет два острых угла на детали, у которой и так мало материала в запасе. Реверсивный режим с требованием к люфту — третья: шпонка перемещается в пределах своего зазора при каждом реверсе, а фрикционное соединение не имеет зазора, который нужно выбирать. Пространство — четвёртая: зажимные соединения можно устанавливать пакетом, и несколько единиц в пределах расстояния 4·L суммируют свои номинальные крутящие моменты, что подходит для узкой ступицы, передающей большой момент.

Шпонка всё ещё остаётся лучшим ответом в некоторых условиях. Тяжёлые ударные нагрузки, быстрые реверсы и участки, где никто не имеет динамометрического ключа, — всё это в пользу шпоночного соединения, потому что зажимное соединение настолько хорошо, насколько хороша процедура его сборки. Тонкие чугунные ступицы ограничены контактным давлением, и как только следующий типоразмер не помещается, фрикционный путь исчерпывает возможности. Стоимость тоже имеет значение при малых объёмах и когда ступица уже выполняется со шпоночным пазом по другим причинам.

Что должен оговаривать чертёж

Бесшпоночные соединения лишают этап сборки возможности поглощать погрешность. Шпоночное соединение скрывает небольшой эксцентриситет в зазоре шпонки; зажимное соединение центрирует жёстко, поэтому любое биение, имеющееся в деталях, напрямую превращается в погрешность зацепления. В бесшпоночной конструкции соосность между отверстием зубчатого колеса и вершинами зубьев — это требование чертежа, а не проблема сборки, которую нужно решать позже.

Для ступицы четыре признака определяют соединение: угол конуса и характер контакта, проверяемые с помощью маркировочной пасты и оцениваемые по всей поверхности; допуск и круглость отверстия, которые определяют распределение давления зажима; торцевое биение, которое становится базой везде, где сборка прилегает к буртику; и симметрия шпоночного паза относительно отверстия на деталях, сочетающих оба типа соединения. На зубчатом колесе шлифование отверстия перед шлифованием зубьев — с базированием по обработанному отверстию — это то, что обеспечивает низкое биение после установки. Поменяйте этот порядок местами, и деталь вернётся на доработку.

PinyiGear обрабатывает зубчатые колёса, звёздочки, зубчатые шкивы и ответные ступицы по чертежу: модули M0.5–M20, точность производства DIN 4–5 со шлифованными зубьями до DIN 3; материалы, включая 20CrMnTi, 20CrMo, 20CrNiMo, 42CrMo, 40Cr, 38CrMoAl и 45#; зубофрезерование, долбление, фрезерование и шлифование в сочетании с цементацией, азотированием, индукционной закалкой и улучшением, а также токарная и фрезерная обработка с ЧПУ и внутреннее и наружное шлифование; контроль на измерительном центре для зубчатых колёс, КИМ, кругломере, твердомере, профилометре шероховатости и проверка зацепления. Для прямозубых колёс, обработанных по этому стандарту, см. ассортимент прямозубых колёс; чертежи и условия работы направляйте на www.dgpinyi.com.