W przeciwieństwie do przekładni i wałów Lego pokazanych poniżej, większość silników ma idealnie okrągłe wały. Utrudnia to mocowanie kół zębatych, kół pasowych i zębatek.
Głównymi metodami mocowania kół zębatych do wałów są kleje, wciskanie, otwory nawiercane krzyżowo, ściskanie, śruby ustalające, rowki wpustowe, wypusty ewolwentowe i tuleje stożkowe. W większości zastosowań przemysłowych wykorzystywane są rowki wpustowe i/lub śruby ustalające. Podczas gdy kleje i wciskanie są zwykle wykonywane w zastosowaniach o niskim momencie obrotowym lub w zastosowaniach hobbystycznych.
Przeanalizujmy każdą metodę, rozważając zalety i wady. Będę także używał terminów; koła zębate, koła pasowe, koła łańcuchowe i krzywki, zamiennie, ponieważ w tym artykule omówiono sposób montażu urządzenia, a nie jego działanie.
Kleje
Kleje są najczęściej stosowane w zastosowaniach hobbystycznych z przekładniami z tworzywa sztucznego. Nie tylko dlatego, że plastikowe koła zębate nie są w stanie wytrzymać dużego momentu obrotowego, ale także dlatego, że rozmiary wałów pozostają małe.
Wraz ze wzrostem średnicy wału względna wytrzymałość połączenia klejowego i wytrzymałość wału są równe w przybliżeniu 3/16 cala (5 mm) przy zastosowaniu konserwatywnej siły klejenia 1000 psi (7 N/mm) i wału ze stali C1018 ( 54 ksi, 370 MPa).
Wniosek: użycie klejów jest dobrym wyborem w przypadku małych wałów
Jak wspomniano, większość producentów klejów reklamuje wytrzymałość na ścinanie na poziomie co najmniej 1000 psi, a niektórzy nawet do 3000+ psi. Test na ścinanie na zakładkę przeprowadza się poprzez połączenie dwóch długich, cienkich prętów za pomocą kleju na mierzalnej powierzchni. Końce prętów są rozsuwane aż do awarii. Siła jest dzielona przez powierzchnię, a wynikiem jest wytrzymałość na ścinanie na zakład.
Zwykle projektuję w oparciu o niewielką liczbę reklamowanej wytrzymałości na ścinanie, ponieważ istnieje wiele czynników, które mogą obniżyć rzeczywistą wytrzymałość. Należą do nich: przygotowanie powierzchni, aplikacja na powierzchnię, temperatura i wilgotność.
Przed nałożeniem kleju należy zmatowić powierzchnię koła pasowego i wału papierem ściernym (o ziarnistości ~200 – 300) lub drobnym pilnikiem. Dzięki temu klej będzie miał małe nacięcia, których będzie można się chwycić. Następnie należy oczyścić i odtłuścić środkiem czyszczącym, a następnie całkowicie wysuszyć. Zwykle lubię używać środka do czyszczenia hamulców, ponieważ mam go pod ręką.
Aby dowiedzieć się, czy Twoja aplikacja wytrzyma przyłożony moment obrotowy. Skorzystaj z poniższych formuł.
Gdzie Powierzchnia to pole powierzchni pomiędzy wałem a kołem pasowym, d to średnica wału, L to długość zakładki wału i koła pasowego, F to wewnętrzna siła ścinająca pomiędzy wałem a kołem pasowym, Ssto wytrzymałość kleju na ścinanie, a T to przyłożony (lub maksymalny moment obrotowy).
Przyjmując średnią wytrzymałość kleju na ścinanie wynoszącą 1000 psi, średnicę 0,19 cala i długość zakładki 0,38 cala, możemy stwierdzić, że nasz maksymalny moment obrotowy wynosi 43,1 funta.
Istnieją trzy główne wady stosowania metody klejenia do łączenia koła pasowego z wałem
Moment obrotowy jest ograniczony średnicą i siłą przyczepności, jak już wspomniano
Istnieje możliwość ustawienia wału i koła pasowego niecentralnie i/lub prostopadle. Można to zminimalizować poprzez tolerancję między nimi, ale nie tak ciasną, aby zetrzeć cały klej.
Nie ma możliwości regulacji lub wymiany elementów bez ryzyka uszkodzenia jednego lub obu elementów. Posiadanie regulacji jest ważne, a ta metoda w ogóle na to nie pozwala.
Zaprasowanie
Wciskanie to sprawdzona metoda mocowania kół zębatych do wałów. Jest on stosowany w przemyśle kolejowym jako metoda oszczędzania pieniędzy, gdy zespoły kół zużywają się lub tracą okrągłość.
Konstrukcja spawana koła głównego ma precyzyjnie obrobioną średnicę, a następnie wokół niej nakładana jest cienka taśma z hartowanej stali. Opaska lub „opona” jest w rzeczywistości mniejsza niż obrobiona powierzchnia. Dzięki temu można od czasu do czasu wymienić niedrogą opaskę zamiast całego zespołu koła.
Poniższy film pokazuje, jak opona jest zdejmowana z felgi za pomocą ciepła. Pasek będzie zwiększał swoją średnicę wraz ze wzrostem temperatury. Koło (średnica wewnętrzna) pozostanie mniej więcej tego samego rozmiaru, ponieważ ma dużo większą masę i szybciej będzie emitować ciepło.
W tym momencie można zdjąć opaskę i założyć nową w ten sam sposób.
Ponieważ nie ma na nim mechanicznej blokady, opiera się w 100% na tarciu i może się ślizgać. Pomiar i określenie pasowania na wcisk jest trudne i zwykle należy przyjąć pewne założenia.
Gdzie Pr jest ciśnieniem pomiędzy powierzchniami, δ jest wielkością pasowania wtłaczanego, d jest średnicą wału, dojest zewnętrzną średnicą piasty lub koła zębatego, dito wewnętrzna średnica wału (jeśli jest pusta), μ to współczynnik tarcia między materiałami, a E i ν to moduł Younga i współczynnik Poissona materiałów.
Wciśnij koła zębate na wale
Podgrzanie materiału zwiększy średnicę; w związku z tym zmniejszenie wielkości pasowania wtłaczanego, δ. Ułatwia to zakładanie i zdejmowanie biegu, ale efekt końcowy jest taki sam, gdy ostygnie.
Jeśli robisz to w domu z plastikowymi zębatkami. Spróbuj podgrzać je w piekarniku w temperaturze około 175 do 200 stopni (79 do 93 stopni), a następnie wsunąć je na wał.
Metodę tę można regulować, ale nie jest ona łatwa i może być konieczne zdemontowanie wielu elementów, aby ciepło ich nie zniszczyło.
Otwory wiercone krzyżowo
Wiercenie otworu zarówno w piaście przekładni, jak i wale to świetny sposób na uzyskanie dużego momentu obrotowego. Zapobiega również przeciążeniu wału, ponieważ sworzeń ścina się (pęka), jeśli moment obrotowy będzie zbyt duży. W tym zastosowaniu można zastosować trzy główne typy kołków, wymienione poniżej, od najsłabszego do najsilniejszego.
Otwór nawiercony krzyżowo z kołkiem rolkowym (sprężynowym).
Kołki walcowane (sprężynowe lub szczelinowe) – są to płaskowniki walcowane do okrągłego kształtu. Mają tendencję do otwierania się sprężynowo (stąd kołki sprężyste), co pozwala na wystarczające dopasowanie wciskowe, aby kołek się nie wysunął. Polecam te zamiast dwóch pozostałych opcji.
Kołki ścinane – te kołki są solidne i mają wycięcie w punkcie środkowym, w którym kołek jest zaprojektowany tak, aby pękł przy określonej sile. Ważne jest, aby uzyskać szpilkę, w której wycięcie będzie w tej samej płaszczyźnie co średnica wału.
Kołki ustalające – są to po prostu solidne kołki o wysokiej wytrzymałości. Jeśli otwór jest zbyt duży, prawdopodobnie będziesz musiał go przykleić (również kołki ścinane). Jeśli aplikacja zmieni kierunek lub obciążenie, możesz spowodować przedwczesne zużycie kleju i wypadnięcie szpilki.
Każdy z kołków będzie miał deklarowaną wytrzymałość na zerwanie. Średnicę i typ można wybrać na podstawie poniższych równań. Fsto siła ścinająca, T to przyłożony moment obrotowy, a d to średnica wału.
Ta metoda zapewnia dużą zdolność do przenoszenia większego momentu obrotowego, ale nadal nie zapewnia żadnej regulacji po wywierceniu otworu. Jeśli pomylisz się zbyt wiele razy, trzonek będzie wyglądał jak ser szwajcarski.
Główną zaletą jest to, że prawie każdy może wykonać to połączenie. Wszystko czego potrzebujesz to wiertarka, wiertła i młotek.Zalecam najpierw wywiercić mniejszą średnicę 1/16 – 3/32 i sprawdzić ustawienie wykałaczką.Jeśli jest dobry, wywierć go na żądaną średnicę. Jeśli nie, obróć do innej części wału i spróbuj ponownie.
Jak przymocować koła zębate, koła łańcuchowe i koła pasowe do wałów
Napisane przez Corey Rasmussena w Gears, Mechanical Design Ostatnia aktualizacja: 22 sierpnia 2024 r.
W przeciwieństwie do przekładni i wałów Lego pokazanych poniżej, większość silników ma idealnie okrągłe wały. Utrudnia to mocowanie kół zębatych, kół pasowych i zębatek.
Głównymi metodami mocowania kół zębatych do wałów są kleje, wciskanie, otwory nawiercane krzyżowo, ściskanie, śruby ustalające, rowki wpustowe, wypusty ewolwentowe i tuleje stożkowe. W większości zastosowań przemysłowych wykorzystywane są rowki wpustowe i/lub śruby ustalające. Podczas gdy kleje i wciskanie są zwykle wykonywane w zastosowaniach o niskim momencie obrotowym lub w zastosowaniach hobbystycznych.
Przeanalizujmy każdą metodę, rozważając zalety i wady. Będę także używał terminów; koła zębate, koła pasowe, koła łańcuchowe i krzywki, zamiennie, ponieważ w tym artykule omówiono sposób montażu urządzenia, a nie jego działanie.
Kleje
Kleje są najczęściej stosowane w zastosowaniach hobbystycznych z przekładniami z tworzywa sztucznego. Nie tylko dlatego, że plastikowe koła zębate nie są w stanie wytrzymać dużego momentu obrotowego, ale także dlatego, że rozmiary wałów pozostają małe.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Creative Commons
Chcesz dowiedzieć się więcej o Gears?
Zapisz się na BEZPŁATNE zajęcia mistrzowskie dotyczące kompleksowego projektowania przekładni mentorowanego inżyniera (o wartości 500 USD), które obejmują jego kalkulator przekładni planetarnej (o wartości 250 USD) i cotygodniowy biuletyn mentorowanego inżyniera
Nazwa:
Najlepszy e-mail:
Wszechstronna klasa mistrzowska w zakresie projektowania przekładni to 17-częściowa seria filmów i tekstów, z których dowiesz się:
Jak dobrać rozmiar kół zębatych, aby się zazębiały
Oblicz naprężenie na zębach przekładni
Oblicz przełożenia przekładni w układzie planetarnym
Po ukończeniu tego kursu będziesz w stanie już za pierwszym razem poprawnie zaprojektować i określić specyfikacje skrzyń biegów dla swoich zastosowań.
Kurs i kalkulator mają łączną wartość ponad 750 dolarów! ZA DARMO
Szanujemy Twoją prywatność e-mailową
Wraz ze wzrostem średnicy wału względna wytrzymałość połączenia klejowego i wytrzymałość wału są równe w przybliżeniu 3/16 cala (5 mm) przy zastosowaniu konserwatywnej siły klejenia 1000 psi (7 N/mm) i wału ze stali C1018 ( 54 ksi, 370 MPa).
Wniosek: użycie klejów jest dobrym wyborem w przypadku małych wałów
Jak wspomniano, większość producentów klejów reklamuje wytrzymałość na ścinanie na poziomie co najmniej 1000 psi, a niektórzy nawet do 3000+ psi. Test na ścinanie na zakładkę przeprowadza się poprzez połączenie dwóch długich, cienkich prętów za pomocą kleju na mierzalnej powierzchni. Końce prętów są rozsuwane aż do awarii. Siła jest dzielona przez powierzchnię, a wynikiem jest wytrzymałość na ścinanie na zakład.
Zwykle projektuję w oparciu o niewielką liczbę reklamowanej wytrzymałości na ścinanie, ponieważ istnieje wiele czynników, które mogą obniżyć rzeczywistą wytrzymałość. Należą do nich: przygotowanie powierzchni, aplikacja na powierzchnię, temperatura i wilgotność.
Przed nałożeniem kleju należy zmatowić powierzchnię koła pasowego i wału papierem ściernym (o ziarnistości ~200 – 300) lub drobnym pilnikiem. Dzięki temu klej będzie miał małe nacięcia, których będzie można się chwycić. Następnie należy oczyścić i odtłuścić środkiem czyszczącym, a następnie całkowicie wysuszyć. Zwykle lubię używać środka do czyszczenia hamulców, ponieważ mam go pod ręką.
Aby dowiedzieć się, czy Twoja aplikacja wytrzyma przyłożony moment obrotowy. Skorzystaj z poniższych formuł.
Gdzie Powierzchnia to pole powierzchni pomiędzy wałem a kołem pasowym, d to średnica wału, L to długość zakładki wału i koła pasowego, F to wewnętrzna siła ścinająca pomiędzy wałem a kołem pasowym, Ssto wytrzymałość kleju na ścinanie, a T to przyłożony (lub maksymalny moment obrotowy).
Przyjmując średnią wytrzymałość kleju na ścinanie wynoszącą 1000 psi, średnicę 0,19 cala i długość zakładki 0,38 cala, możemy stwierdzić, że nasz maksymalny moment obrotowy wynosi 43,1 funta.
Istnieją trzy główne wady stosowania metody klejenia do łączenia koła pasowego z wałem
Moment obrotowy jest ograniczony średnicą i siłą przyczepności, jak już wspomniano
Istnieje możliwość ustawienia wału i koła pasowego niecentralnie i/lub prostopadle. Można to zminimalizować poprzez tolerancję między nimi, ale nie tak ciasną, aby zetrzeć cały klej.
Nie ma możliwości regulacji lub wymiany elementów bez ryzyka uszkodzenia jednego lub obu elementów. Posiadanie regulacji jest ważne, a ta metoda w ogóle na to nie pozwala.
Łączenie wałów razem? Sprawdź nasz przewodnik po sprzęgłach wałów.
Zaprasowanie
Wciskanie to sprawdzona metoda mocowania kół zębatych do wałów. Jest on stosowany w przemyśle kolejowym jako metoda oszczędzania pieniędzy, gdy zespoły kół zużywają się lub tracą okrągłość.
Konstrukcja spawana koła głównego ma precyzyjnie obrobioną średnicę, a następnie wokół niej nakładana jest cienka taśma z hartowanej stali. Opaska lub „opona” jest w rzeczywistości mniejsza niż obrobiona powierzchnia. Dzięki temu można od czasu do czasu wymienić niedrogą opaskę zamiast całego zespołu koła.
Poniższy film pokazuje, jak opona jest zdejmowana z felgi za pomocą ciepła. Pasek będzie zwiększał swoją średnicę wraz ze wzrostem temperatury. Koło (średnica wewnętrzna) pozostanie mniej więcej tego samego rozmiaru, ponieważ ma dużo większą masę i szybciej będzie emitować ciepło.
W tym momencie można zdjąć opaskę i założyć nową w ten sam sposób.
Ponieważ nie ma na nim mechanicznej blokady, opiera się w 100% na tarciu i może się ślizgać. Pomiar i określenie pasowania na wcisk jest trudne i zwykle należy przyjąć pewne założenia.
Bardzo powolnyBezpłatny internetowy kalkulator pasowania wału na wcisklub Przejdź na wersję Pro
Gdzie Pr jest ciśnieniem pomiędzy powierzchniami, δ jest wielkością pasowania wtłaczanego, d jest średnicą wału, dojest zewnętrzną średnicą piasty lub koła zębatego, dito wewnętrzna średnica wału (jeśli jest pusta), μ to współczynnik tarcia między materiałami, a E i ν to moduł Younga i współczynnik Poissona materiałów.
Wciśnij koła zębate na wale
Podgrzanie materiału zwiększy średnicę; w związku z tym zmniejszenie wielkości pasowania wtłaczanego, δ. Ułatwia to zakładanie i zdejmowanie biegu, ale efekt końcowy jest taki sam, gdy ostygnie.
Jeśli robisz to w domu z plastikowymi zębatkami. Spróbuj podgrzać je w piekarniku w temperaturze około 175 do 200 stopni (79 do 93 stopni), a następnie wsunąć je na wał.
Metodę tę można regulować, ale nie jest ona łatwa i może być konieczne zdemontowanie wielu elementów, aby ciepło ich nie zniszczyło.
Otwory wiercone krzyżowo
Wiercenie otworu zarówno w piaście przekładni, jak i wale to świetny sposób na uzyskanie dużego momentu obrotowego. Zapobiega również przeciążeniu wału, ponieważ sworzeń ścina się (pęka), jeśli moment obrotowy będzie zbyt duży. W tym zastosowaniu można zastosować trzy główne typy kołków, wymienione poniżej, od najsłabszego do najsilniejszego.
Otwór nawiercony krzyżowo z kołkiem rolkowym (sprężynowym).
Kołki walcowane (sprężynowe lub szczelinowe) – są to płaskowniki walcowane do okrągłego kształtu. Mają tendencję do otwierania się sprężynowo (stąd kołki sprężyste), co pozwala na wystarczające dopasowanie wciskowe, aby kołek się nie wysunął. Polecam te zamiast dwóch pozostałych opcji.
Kołki ścinane – te kołki są solidne i mają wycięcie w punkcie środkowym, w którym kołek jest zaprojektowany tak, aby pękł przy określonej sile. Ważne jest, aby uzyskać szpilkę, w której wycięcie będzie w tej samej płaszczyźnie co średnica wału.
Kołki ustalające – są to po prostu solidne kołki o wysokiej wytrzymałości. Jeśli otwór jest zbyt duży, prawdopodobnie będziesz musiał go przykleić (również kołki ścinane). Jeśli aplikacja zmieni kierunek lub obciążenie, możesz spowodować przedwczesne zużycie kleju i wypadnięcie szpilki.
Każdy z kołków będzie miał deklarowaną wytrzymałość na zerwanie. Średnicę i typ można wybrać na podstawie poniższych równań. Fsto siła ścinająca, T to przyłożony moment obrotowy, a d to średnica wału.
Ta metoda zapewnia dużą zdolność do przenoszenia większego momentu obrotowego, ale nadal nie zapewnia żadnej regulacji po wywierceniu otworu. Jeśli pomylisz się zbyt wiele razy, trzonek będzie wyglądał jak ser szwajcarski.
Główną zaletą jest to, że prawie każdy może wykonać to połączenie. Wszystko czego potrzebujesz to wiertarka, wiertła i młotek.Zalecam najpierw wywiercić mniejszą średnicę 1/16 – 3/32 i sprawdzić ustawienie wykałaczką.Jeśli jest dobry, wywierć go na żądaną średnicę. Jeśli nie, obróć do innej części wału i spróbuj ponownie.
KompresjaPiasty
Chociaż nie jest to powszechna metoda mocowania kół zębatych do wałów, jest ona dostępna. Gdy koło zębate zostanie nasunięte na wał, śruba ustalająca zostanie dokręcona, a moment obrotowy zostanie przeniesiony przez tarcie. Współczynnik może zostać przypadkowo obniżony z powodu zaolejenia wałów lub zastosowania środka zapobiegającego zatarciu. Przy stosowaniu tej metody najlepiej jest używać różnych metali.
Koszt wykonania reliefów w komponentach sprawia, że w większości przypadków metoda tego typu jest zbyt kosztowna.
Po prostu unikaj tego typu połączeń!
Zestaw śrub
Metoda mocowania (tylko) śruby ustalającej do wału jest bardzo powszechna w przypadku kół pasowych rozrządu, kół zębatych i kół łańcuchowych.
Trudno określić, jaki moment obrotowy można uzyskać z takiego sprzęgła. Wynik może się znacznie różnić ze względu na współczynnik tarcia, przyłożony moment obrotowy, smarowanie gwintów i rodzaj śruby ustalającej. Podstawowe równanie jest następujące:
Gdzie T to wyjściowy moment obrotowy, μ to współczynnik tarcia, F to normalna siła wywierana przez jedną śrubę ustalającą, a d to średnica główki.
Większość ludzi po prostu dokręca śrubę ustalającą tak mocno, jak to możliwe. Dopóki koło pasowe nie ślizga się od nadmiernego momentu obrotowego, wszystko będzie w porządku. Jednak gdy tak się stanie, szybko zużyjesz rowek w wale. To sprawia, że średnica wału jest mniejsza; zmniejszając w ten sposób maksymalny moment obrotowy, jaki można osiągnąć.
Główną zaletą jest to, że metoda ta umożliwia 100% regulację obrotu względem wału i wzdłuż jego długości. Ogólnie rzecz biorąc, metoda ta jest dostępna tylko w przypadku wałów o średnicy 1/2″ (13 mm) lub mniejszej.
Klucze
W większości zastosowań przemysłowych standardem są wały wpustowe.Zdecydowanie każdy dostępny na półce sprzęt będzie dostępny w różnych średnicach i rozmiarach z otworami na klucze. Można je również kupić z niewykończonymi otworami i wyciąć własny rowek wpustowy, jeśli chcesz.
Wybierając rozmiar otworu, upewnij się, że nie wybierasz wału, który jest zbyt duży w stosunku do przekładni. Niedawno miałem system, w którym zastosowano 10-koło zębate na wale o średnicy 1 cala. Podczas uruchamiania w systemie wystąpiły skoki ciśnienia, w wyniku czego pękło koło zębate na pół.
Udało się to zrobić tak łatwo, ponieważ materiał pomiędzy zewnętrzną stroną piasty a wpustem miał tylko 1/8 cala grubości. Mogliśmy podwoić tę wartość do ¼ dodając jeden ząb. Jest to sytuacja, w której wielowypust ewolwentowy będzie lepszym wyborem (więcej o tym później).
Większość kół zębatych jest zabezpieczona przed przesuwaniem się na wale za pomocą jednej lub dwóch śrub ustalających. Ogólnie rzecz biorąc, jedna śruba będzie na kluczu, a druga będzie ustawiona pod kątem 90 stopni i dociskana do wału. W przypadku przekładni czołowych jest to wystarczające, ale w przypadku przekładni śrubowych konieczne jest większe dodatnie sprzęgnięcie wału, aby uwzględnić obciążenie boczne. Możliwe rozwiązania to łożyska wzdłużne, łożyska stożkowe lub pierścienie osadcze.
