В отличие от шестерен и валов Lego, показанных ниже, большинство двигателей имеют идеально круглые валы. Это затрудняет крепление шестерен, шкивов и звездочек.
Основными способами крепления шестерен к валам являются клеевое соединение, запрессовка, поперечное сверление, сжатие, установочные винты, шпоночные пазы, эвольвентные шлицы и конические стопорные втулки. В большинстве промышленных применений используются шпоночные пазы и/или установочные винты. В то время как клей и прессовая посадка обычно выполняются при низком крутящем моменте или в хобби.
Давайте рассмотрим каждый метод, взвесив все «за» и «против». Я также буду использовать эти термины; шестерни, шкивы, звездочки и кулачки взаимозаменяемы, поскольку в этой статье речь идет о том, как монтируется устройство, а не о том, что оно делает.
Клеи
Клеи в основном используются в хобби с пластиковыми шестернями. Не только потому, что пластиковые шестерни не могут выдерживать большой крутящий момент, но и потому, что размеры вала остаются небольшими в диаметре.
По мере увеличения диаметра вала относительная прочность клеевого соединения и прочность вала равны примерно 3/16 дюйма (5 мм) при использовании консервативной прочности клея 1000 фунтов на квадратный дюйм (7 Н/мм) и вала из стали C1018 ( 54 тыс. фунтов на квадратный дюйм, 370 МПа).
Вывод: использование клея — хороший выбор для небольших валов.
Как уже упоминалось, большинство производителей клеев рекламируют прочность на сдвиг не менее 1000 фунтов на квадратный дюйм, а некоторые - до 3000+ фунтов на квадратный дюйм. Испытание на сдвиг внахлестку проводится путем соединения двух длинных тонких стержней клеем на измеримой площади. Концы брусьев раздвигаются до отказа. Сила делится на площадь, и в результате получается прочность на сдвиг внахлест.
Обычно я рассчитываю здесь на небольшое значение заявленной прочности на сдвиг, поскольку существует множество факторов, которые могут снизить фактическую прочность. К ним относятся подготовка поверхности, нанесение поверхности, температура и влажность.
Перед нанесением клея вам необходимо обработать поверхности шкива и вала наждачной бумагой (зернистостью ~200–300) или мелким напильником. Это позволит клею зацепиться за небольшие зазубрины. Затем вам потребуется очистить и обезжирить моющим средством, а затем полностью высушить. Обычно мне нравится использовать очиститель тормозов, потому что он у меня есть под рукой.
Чтобы выяснить, выдержит ли ваше приложение приложенный крутящий момент. Используйте следующие формулы.
Где Площадь — площадь поверхности между валом и шкивом, d — диаметр вала, L — длина перекрытия вала и шкива, F — внутренняя сила сдвига между валом и шкивом, Ss— прочность клея на сдвиг, а T — приложенный (или максимальный крутящий момент).
Используя среднюю прочность клея на сдвиг 1000 фунтов на квадратный дюйм, диаметр 0,19 дюйма и длину перекрытия 0,38 дюйма, мы можем определить, что наш максимальный крутящий момент составляет 43,1 фунта на квадратный дюйм.
Есть три основных недостатка использования клеевого метода соединения шкива с валом.
Крутящий момент ограничен диаметром и прочностью сцепления, как уже упоминалось.
Существует возможность расположить вал и шкив не по центру и/или перпендикулярно. Это можно свести к минимуму за счет допуска между ними, но не настолько сильно, чтобы можно было стереть весь клей.
Невозможно отрегулировать или заменить компоненты без возможности повреждения одного или обоих компонентов. Наличие регулировки важно, а этот метод вообще ее не допускает.
Пресс-фитинг
Запрессовка – проверенный и надежный метод крепления шестерен к валам. Он использовался в железнодорожной отрасли как метод экономии денег, когда колеса в сборе изнашиваются или теряют круглую форму.
Сварная конструкция основного колеса имеет точно обработанный диаметр, а затем вокруг нее наносится тонкая полоса из закаленной стали. Полоса или «шина» на самом деле меньше обрабатываемой поверхности. Это позволяет время от времени заменять недорогую ленту вместо всего колеса в сборе.
В следующем видео показано, как с помощью тепла снимается шина с колеса. С повышением температуры полоса будет расширяться в диаметре. Колесо (внутренний диаметр) останется примерно того же размера, поскольку оно имеет гораздо большую массу и будет быстрее излучать тепло.
На этом этапе ленту можно снять и установить новую тем же методом.
Поскольку здесь нет механического замка, он на 100% основан на трении и может соскользнуть. Измерение и определение прессовой посадки сложны, и обычно приходится делать предположения.
Где Pr – давление между поверхностями, δ – величина запрессовки, d – диаметр вала, do- внешний диаметр ступицы или шестерни, di— внутренний диаметр вала (если он полый), μ — коэффициент трения между материалами, а E и ν — модуль Юнга и коэффициент Пуассона материалов.
Запрессовка шестерен на валу
Нагрев материала увеличит диаметр; следовательно, уменьшая степень запрессовки δ. Это облегчает надевание и снятие механизма, но конечный результат остается тем же, когда он остынет.
Если делать это дома с пластиковыми шестернями. Попробуйте нагреть их в духовке примерно до 175–200 градусов (от 79 до 93 градусов), а затем надеть на вал.
Этот метод можно настроить, но его нелегко, и вам может потребоваться разобрать несколько компонентов, чтобы тепло не разрушило их.
Перекрестные отверстия
Просверливание отверстия в ступице шестерни и валу — отличный способ получить большой крутящий момент. Это также предотвращает перегрузку вала, поскольку штифт срежется (сломается), если крутящий момент слишком велик. В этом приложении можно использовать три основных типа контактов, перечисленных ниже, от самых слабых до самых сильных.
Крестообразное отверстие с роликовым (пружинным) штифтом
Роликовые штифты (пружинные или с прорезями). Это плоские стержни, которым придали круглую форму. Они имеют тенденцию открываться пружиной (отсюда и пружинные штифты), обеспечивая достаточную запрессовку, чтобы штифт не выскользнул. Я рекомендую их по сравнению с двумя другими вариантами.
Срезные штифты. Эти штифты прочные и имеют выемку в средней точке, где штифт рассчитан на разрушение при определенной силе. Важно получить штифт, у которого выемка будет в той же плоскости, что и диаметр вала.
Дюбельные штифты – это просто высокопрочные цельные штифты. Если отверстие слишком велико, вам, вероятно, придется приклеить их на место (также срезными штифтами). Если ваше приложение меняет направление или нагрузку, вы можете спровоцировать преждевременное разрушение клея и выпадение штифта.
Каждый из штифтов имеет заявленную прочность на разрыв, и вы можете выбрать диаметр и тип на основе приведенных ниже уравнений. Фs— поперечная сила, T — приложенный крутящий момент, а d — диаметр вала.
Этот метод дает вам большую возможность выдерживать больший крутящий момент, но по-прежнему не дает никакой регулировки после того, как отверстие просверлено. Если вы ошибетесь слишком много раз, древко будет похоже на швейцарский сыр.
Главным преимуществом является то, что почти каждый может сделать это соединение. Все, что вам нужно, это дрель, сверла и молоток.Я рекомендую сначала просверлить меньший диаметр 1/16–3/32 и проверить выравнивание зубочисткой.Если все в порядке, рассверлите его до нужного диаметра. Если нет, поверните его к другой части вала и повторите попытку.
Как прикрепить шестерни, звездочки и шкивы к валам
Написано Кори Расмуссеном в книге Gears,Mechanical Design Последнее обновление: 22 августа 2024 г.
В отличие от шестерен и валов Lego, показанных ниже, большинство двигателей имеют идеально круглые валы. Это затрудняет крепление шестерен, шкивов и звездочек.
Основными способами крепления шестерен к валам являются клеевое соединение, запрессовка, поперечное сверление, сжатие, установочные винты, шпоночные пазы, эвольвентные шлицы и конические стопорные втулки. В большинстве промышленных применений используются шпоночные пазы и/или установочные винты. В то время как клей и прессовая посадка обычно выполняются при низком крутящем моменте или в хобби.
Давайте рассмотрим каждый метод, взвесив все «за» и «против». Я также буду использовать эти термины; шестерни, шкивы, звездочки и кулачки взаимозаменяемы, поскольку в этой статье речь идет о том, как монтируется устройство, а не о том, что оно делает.
Клеи
Клеи в основном используются в хобби с пластиковыми шестернями. Не только потому, что пластиковые шестерни не могут выдерживать большой крутящий момент, но и потому, что размеры вала остаются небольшими в диаметре.
Изображение предоставлено Creative Commons
Хотите узнать больше о Gears?
Подпишитесь на БЕСПЛАТНЫЙ комплексный мастер-класс по проектированию зубчатых передач от Mentored Engineer (стоимость 500 долларов США), который включает в себя калькулятор планетарных передач (стоимость 250 долларов США) и еженедельный информационный бюллетень Mentored Engineer.
Имя:
Лучшая электронная почта:
Мастер-класс «Комплексное проектирование шестерен» представляет собой серию видео и текстов из 17 частей, в которых вы узнаете:
Как подобрать размер шестерен, чтобы они зацеплялись
Рассчитать нагрузку на зубья шестерни.
Рассчитать передаточные числа в планетарной системе
После прохождения этого курса вы с первого раза сможете правильно проектировать и настраивать коробки передач для своих применений.
Общая стоимость курса и калькулятора составляет более 750 долларов! БЕСПЛАТНО
Мы уважаем конфиденциальность вашей электронной почты
По мере увеличения диаметра вала относительная прочность клеевого соединения и прочность вала равны примерно 3/16 дюйма (5 мм) при использовании консервативной прочности клея 1000 фунтов на квадратный дюйм (7 Н/мм) и вала из стали C1018 ( 54 тыс. фунтов на квадратный дюйм, 370 МПа).
Вывод: использование клея — хороший выбор для небольших валов.
Как уже упоминалось, большинство производителей клеев рекламируют прочность на сдвиг не менее 1000 фунтов на квадратный дюйм, а некоторые - до 3000+ фунтов на квадратный дюйм. Испытание на сдвиг внахлестку проводится путем соединения двух длинных тонких стержней клеем на измеримой площади. Концы брусьев раздвигаются до отказа. Сила делится на площадь, и в результате получается прочность на сдвиг внахлест.
Обычно я рассчитываю здесь на небольшое значение заявленной прочности на сдвиг, поскольку существует множество факторов, которые могут снизить фактическую прочность. К ним относятся подготовка поверхности, нанесение поверхности, температура и влажность.
Перед нанесением клея вам необходимо обработать поверхности шкива и вала наждачной бумагой (зернистостью ~200–300) или мелким напильником. Это позволит клею зацепиться за небольшие зазубрины. Затем вам потребуется очистить и обезжирить моющим средством, а затем полностью высушить. Обычно мне нравится использовать очиститель тормозов, потому что он у меня есть под рукой.
Чтобы выяснить, выдержит ли ваше приложение приложенный крутящий момент. Используйте следующие формулы.
Где Площадь — площадь поверхности между валом и шкивом, d — диаметр вала, L — длина перекрытия вала и шкива, F — внутренняя сила сдвига между валом и шкивом, Ss— прочность клея на сдвиг, а T — приложенный (или максимальный крутящий момент).
Используя среднюю прочность клея на сдвиг 1000 фунтов на квадратный дюйм, диаметр 0,19 дюйма и длину перекрытия 0,38 дюйма, мы можем определить, что наш максимальный крутящий момент составляет 43,1 фунта на квадратный дюйм.
Есть три основных недостатка использования клеевого метода соединения шкива с валом.
Крутящий момент ограничен диаметром и прочностью сцепления, как уже упоминалось.
Существует возможность расположить вал и шкив не по центру и/или перпендикулярно. Это можно свести к минимуму за счет допуска между ними, но не настолько сильно, чтобы можно было стереть весь клей.
Невозможно отрегулировать или заменить компоненты без возможности повреждения одного или обоих компонентов. Наличие регулировки важно, а этот метод вообще ее не допускает.
Соединить валы вместе? Ознакомьтесь с нашим руководством по муфтам валов.
Пресс-фитинг
Запрессовка – проверенный и надежный метод крепления шестерен к валам. Он использовался в железнодорожной отрасли как метод экономии денег, когда колеса в сборе изнашиваются или теряют круглую форму.
Сварная конструкция основного колеса имеет точно обработанный диаметр, а затем вокруг нее наносится тонкая полоса из закаленной стали. Полоса или «шина» на самом деле меньше обрабатываемой поверхности. Это позволяет время от времени заменять недорогую ленту вместо всего колеса в сборе.
В следующем видео показано, как с помощью тепла снимается шина с колеса. С повышением температуры полоса будет расширяться в диаметре. Колесо (внутренний диаметр) останется примерно того же размера, поскольку оно имеет гораздо большую массу и будет быстрее излучать тепло.
На этом этапе ленту можно снять и установить новую тем же методом.
Поскольку здесь нет механического замка, он на 100% основан на трении и может соскользнуть. Измерение и определение прессовой посадки сложны, и обычно приходится делать предположения.
Супер медленноБесплатный онлайн-калькулятор запрессовки валаили стать профессионалом
Где Pr – давление между поверхностями, δ – величина запрессовки, d – диаметр вала, do- внешний диаметр ступицы или шестерни, di— внутренний диаметр вала (если он полый), μ — коэффициент трения между материалами, а E и ν — модуль Юнга и коэффициент Пуассона материалов.
Запрессовка шестерен на валу
Нагрев материала увеличит диаметр; следовательно, уменьшая степень запрессовки δ. Это облегчает надевание и снятие механизма, но конечный результат остается тем же, когда он остынет.
Если делать это дома с пластиковыми шестернями. Попробуйте нагреть их в духовке примерно до 175–200 градусов (от 79 до 93 градусов), а затем надеть на вал.
Этот метод можно настроить, но его нелегко, и вам может потребоваться разобрать несколько компонентов, чтобы тепло не разрушило их.
Перекрестные отверстия
Просверливание отверстия в ступице шестерни и валу — отличный способ получить большой крутящий момент. Это также предотвращает перегрузку вала, поскольку штифт срежется (сломается), если крутящий момент слишком велик. В этом приложении можно использовать три основных типа контактов, перечисленных ниже, от самых слабых до самых сильных.
Крестообразное отверстие с роликовым (пружинным) штифтом
Роликовые штифты (пружинные или с прорезями). Это плоские стержни, которым придали круглую форму. Они имеют тенденцию открываться пружиной (отсюда и пружинные штифты), обеспечивая достаточную запрессовку, чтобы штифт не выскользнул. Я рекомендую их по сравнению с двумя другими вариантами.
Срезные штифты. Эти штифты прочные и имеют выемку в средней точке, где штифт рассчитан на разрушение при определенной силе. Важно получить штифт, у которого выемка будет в той же плоскости, что и диаметр вала.
Дюбельные штифты – это просто высокопрочные цельные штифты. Если отверстие слишком велико, вам, вероятно, придется приклеить их на место (также срезными штифтами). Если ваше приложение меняет направление или нагрузку, вы можете спровоцировать преждевременное разрушение клея и выпадение штифта.
Каждый из штифтов имеет заявленную прочность на разрыв, и вы можете выбрать диаметр и тип на основе приведенных ниже уравнений. Фs— поперечная сила, T — приложенный крутящий момент, а d — диаметр вала.
Этот метод дает вам большую возможность выдерживать больший крутящий момент, но по-прежнему не дает никакой регулировки после того, как отверстие просверлено. Если вы ошибетесь слишком много раз, древко будет похоже на швейцарский сыр.
Главным преимуществом является то, что почти каждый может сделать это соединение. Все, что вам нужно, это дрель, сверла и молоток.Я рекомендую сначала просверлить меньший диаметр 1/16–3/32 и проверить выравнивание зубочисткой.Если все в порядке, рассверлите его до нужного диаметра. Если нет, поверните его к другой части вала и повторите попытку.
СжатиеХабы
Хотя это не распространенный метод крепления шестерен к валам, он доступен. Как только шестерня скользит по валу, установочный винт затягивается, и крутящий момент передается на трение. Коэффициент может быть случайно уменьшен из-за замасленных валов или использования противозадирных средств. При использовании этого метода лучше всего использовать разнородные металлы.
Стоимость изготовления рельефов в компонентах делает этот метод в большинстве случаев непомерно дорогим.
Просто избегайте такого типа суставов!
Установочные винты
Метод крепления установочного винта (только) к валу очень распространен для зубчатых шкивов, шестерен и звездочек.
Трудно определить, какой крутящий момент можно получить от такой муфты. Результат может сильно различаться в зависимости от коэффициента трения, приложенного крутящего момента, смазки резьбы и типа установочного винта. Основное уравнение выглядит следующим образом:
Где T — выходной крутящий момент, μ — коэффициент трения, F — нормальная сила, действующая на один установочный винт, а d — средний диаметр.
Большинство людей просто затягивают установочный винт как можно сильнее. Пока шкив не проскальзывает от чрезмерного крутящего момента, все будет в порядке. Однако в этом случае вы быстро изнашиваете канавку на валу. Это уменьшит диаметр вала; тем самым уменьшая максимальный крутящий момент, которого вы можете достичь.
Основное преимущество заключается в том, что этот метод на 100% регулируется по вращению вала и по его длине. Как правило, этот метод доступен только для валов размером 1/2 дюйма (13 мм) или меньше.
шпоночные пазы
Для большинства промышленных применений стандартом являются валы со шпонками.Безусловно, любое готовое оборудование будет доступно в различных размерах отверстий с пазами для ключей. Вы также можете купить их с необработанными отверстиями и при желании вырезать шпоночный паз самостоятельно.
При выборе размера отверстия убедитесь, что вы не выбираете вал, слишком большой для шестерни. Недавно у меня была система, в которой использовалась 10-зубчатая звездочка на валу диаметром 1 дюйм. При запуске в системе были резкие скачки давления, и звездочка фактически треснула пополам.
Это удалось сделать так легко, потому что толщина материала между внешней стороной ступицы и шпоночной канавкой была всего 1/8 дюйма. Мы смогли удвоить эту толщину до ¼, добавив один зуб. Это ситуация, когда эвольвентная шлица могла бы сделать это так легко. быть лучшим выбором (подробнее об этом позже).
Большинство шестерен удерживаются от скольжения по валу с помощью всего лишь одного или двух установочных винтов. Обычно один винт находится на шпонке, а другой - под углом 90 градусов к ней и прижимается к валу. Для прямозубых шестерен этого достаточно, но для косозубых шестерен необходимо более активное зацепление вала, чтобы учесть боковую нагрузку. Возможные решения: упорные подшипники, конические роликоподшипники или стопорные кольца.
