Till skillnad från Lego kugghjul och axlar som visas nedan har de flesta motorer perfekt runda axlar. Detta gör det svårt att fästa kugghjul, remskivor och kedjehjul.
De huvudsakliga metoderna för att fästa kugghjul på axlar är lim, presspassning, tvärborrade hål, kompression, ställskruvar, kilspår, evolventa splines och koniska låsbussningar. De flesta industriella applikationer kommer att använda kilspår och/eller ställskruvar. Medan lim och presspassning vanligtvis görs på lågt vridmoment eller hobbyapplikationer.
Låt oss undersöka varje metod och väga för- och nackdelar. Jag kommer också att använda termerna; växlar, remskivor, kedjehjul och kammar, omväxlande eftersom den här artikeln tar upp hur enheten är monterad, inte vad den gör.
Lim
Lim används mest i hobbyapplikationer med plastväxlar. Inte bara för att plastkugghjul inte klarar mycket vridmoment, utan också för att axelstorlekarna förblir små i diameter.
Eftersom axeldiametern ökar är limfogens relativa hållfasthet och axelstyrkan lika med ungefär 3/16 tum (5 mm) när man använder en konservativ limhållfasthet på 1000 psi (7 N/mm) och en axel av C1018 stål ( 54 ksi, 370 MPa).
Slutsats: att använda lim är ett bra val för små skaft
Som nämnts annonserar de flesta limtillverkare en skjuvhållfasthet på minst 1000 psi och vissa så hög som 3000+ psi. Ett lapskjuvtest görs genom att två långa smala stänger fästs ihop med limet över ett mätbart område. Stängernas ändar dras isär tills de går sönder. Kraften delas med arean och resultatet är varvskjuvhållfastheten.
Jag brukar designa runt det låga antalet annonserade skjuvhållfasthet här eftersom det finns många faktorer som spelar in som kan sänka den faktiska hållfastheten. Bland dessa kan nämnas ytbehandling, applicering av ytan, temperatur och luftfuktighet.
Innan du applicerar limmet måste du grova upp ytorna på remskivan och axeln med lite sandpapper (~200 – 300 grit) eller en fin fil. Detta kommer att ge limet små hack att ta tag i. Du vill sedan rengöra och avfetta med ett rengöringsmedel och sedan torka helt. Jag gillar att använda bromsrengörare vanligtvis för att jag har det i närheten.
För att ta reda på om din applikation kommer att motstå det applicerade vridmomentet. Använd följande formler.
Där Area är ytarean mellan axeln och remskivan, d är axeldiametern, L är överlappslängden för axeln och remskivan, F är den inre skjuvkraften mellan axeln och remskivan, Ssär limmets skjuvhållfasthet och T är det applicerade (eller maximala vridmomentet).
Med en genomsnittlig vidhäftningsskjuvhållfasthet på 1000 psi, en diameter på 0,19 tum och en överlappslängd på 0,38 tum, kan vi finna att vårt maximala vridmoment är 43,1 i lb.
Det finns tre huvudsakliga nackdelar med att använda limmetoden för att förena en remskiva till en axel
Vridmomentet begränsas av diametern och vidhäftningsstyrkan som redan nämnts
Det finns möjlighet att ha axeln och remskivan ur centrum och/eller vinkelrät. Detta kan minimeras av toleransen mellan de två, men inte så hårt att du skulle torka bort allt lim.
Det finns inget sätt att justera eller byta ut komponenterna utan möjligheten att skada den ena eller båda komponenterna. Att ha anpassning är viktigt och den här metoden tillåter det inte alls.
Presspassning
Presspassning är en beprövad metod för att fästa kugghjul på axlar. Det har använts inom järnvägsindustrin som en metod för att spara pengar när hjulenheter slits ut eller blir urrunda.
Huvudhjulssvetsningen har en exakt bearbetad diameter och sedan appliceras ett tunt band av härdat stål runt den. Bandet eller "däcket" är faktiskt mindre än den bearbetade ytan. Detta gör att det billiga bandet kan bytas ut då och då istället för hela hjulaggregatet.
Följande video visar hur däcket tas bort från hjulet med hjälp av värme. Bandet kommer att expandera i diameter när temperaturen stiger. Hjulet (innerdiametern) kommer att hålla sig ungefär samma storlek eftersom det har mycket mer massa och kommer att stråla bort värme snabbare.
Vid denna tidpunkt kan bandet tas bort och ett nytt installeras med samma metod.
Eftersom det inte finns något mekaniskt lås på denna är den till 100 % friktionsbaserad och den kan glida. Att mäta och bestämma presspassningen är svårt och antaganden behöver vanligtvis göras.
Där Pr är trycket mellan ytorna, δ är mängden presspassning, d är axeldiametern, doär ytterdiametern på navet eller kugghjulet, diär axelns innerdiameter (om den är ihålig), μ är friktionskoefficienten mellan materialen och E och ν är materialens Young's Modulus och Poissons Ratio.
Presspassa kugghjul på en axel
Uppvärmning av materialet kommer att öka diametern; därför minskar mängden presspassning, δ. Detta gör redskapet lättare att ta på eller av, men slutresultatet är detsamma när det svalnar.
Om du gör det här hemma med plastväxlar. Prova att värma upp dem i ugnen på ca 175 grader till 200 grader (79 grader till 93 grader) och sedan skjuta dem på skaftet.
Denna metod är justerbar, men inte lätt och du kan behöva ta isär flera komponenter så att värmen inte förstör dem.
Korsborrade hål
Att borra ett hål genom både växelnavet och axeln är ett bra sätt att få mycket vridmoment. Det förhindrar också att axeln överbelastas eftersom stiftet kommer att klippas (bryta) om vridmomentet är för stort. Det finns tre huvudtyper av stift att använda i den här applikationen nedan, från svagaste till starkaste.
Tvärborrat hål med rulltapp (fjäder).
Rulla (fjädrar eller slitsade) stift – Dessa är platta stänger som har rullats till en rund form. De tenderar att springa upp (därav fjäderstift) vilket tillåter tillräckligt med presspassning så att stiftet inte glider ut. Jag rekommenderar dessa framför de två andra alternativen.
Skjuvstift – Dessa stift är solida och har en skåra i mitten där stiftet är utformat för att gå sönder vid en specifik kraft. Det är viktigt att få en tapp där skåran kommer att vara i samma plan som axeldiametern.
Dowel Pins - Dessa är bara höghållfasta solida stift. Om ditt hål är för stort måste du antagligen limma dessa på plats (skjuvstift också). Om din applicering ändrar riktning eller belastning kan du uppmuntra limet att misslyckas i förtid och stiftet att falla ut.
Var och en av stiften kommer att ha en annonserad brotthållfasthet och du kan välja diameter och typ baserat på ekvationerna nedan. Fsär skjuvkraften, T är det applicerade vridmomentet och d är axelns diameter.
Denna metod ger dig mycket kapacitet att hantera mer vridmoment, men den ger fortfarande ingen justering när hålet väl är borrat. Om du bråkar för många gånger kommer skaftet att se ut som schweizisk ost.
En stor fördel är att nästan vem som helst kan göra denna fog. Allt du behöver är en borr, borr och en hammare.Jag rekommenderar att du borrar en mindre diameter 1/16 – 3/32 först och kontrollerar din inriktning med en tandpetare.Om den är bra, borra ut den till önskad diameter. Om inte, rotera till en annan del av axeln och försök igen.
Hur man fäster kugghjul, kedjehjul och remskivor på axlar
Skrivet av Corey Rasmussen i Gears, Mechanical Design Senast uppdaterad 22 augusti 2024
Till skillnad från Lego kugghjul och axlar som visas nedan har de flesta motorer perfekt runda axlar. Detta gör det svårt att fästa kugghjul, remskivor och kedjehjul.
De huvudsakliga metoderna för att fästa kugghjul på axlar är lim, presspassning, tvärborrade hål, kompression, ställskruvar, kilspår, evolventa splines och koniska låsbussningar. De flesta industriella applikationer kommer att använda kilspår och/eller ställskruvar. Medan lim och presspassning vanligtvis görs på lågt vridmoment eller hobbyapplikationer.
Låt oss undersöka varje metod och väga för- och nackdelar. Jag kommer också att använda termerna; växlar, remskivor, kedjehjul och kammar, omväxlande eftersom den här artikeln tar upp hur enheten är monterad, inte vad den gör.
Lim
Lim används mest i hobbyapplikationer med plastväxlar. Inte bara för att plastkugghjul inte klarar mycket vridmoment, utan också för att axelstorlekarna förblir små i diameter.
Bild med tillstånd av Creative Commons
Är du sugen på att lära dig mer om Gears?
Registrera dig för Mentored Engineers GRATIS Comprehensive Gear Design Master Class ($500 Value) som inkluderar hans Planetary Gear Calculator ($250 Value) och veckovis mentored Engineer Newsletter
Namn:
Bästa mejl:
The Comprehensive Gear Design Master Class är en serie i 17 delar med videor och text där du kommer att lära dig:
Hur man storleksanpassar växlar så att de passar ihop
Beräkna spänningen på kugghjulens tänder
Beräkna utväxlingsförhållanden i planetsystem
Efter att ha genomfört denna kurs kommer du att kunna designa och specificera växellådor korrekt för dina applikationer första gången.
Kursen och kalkylatorn har ett sammanlagt värde på över $750! GRATIS
Vi respekterar din e-postsekretess
Eftersom axeldiametern ökar är limfogens relativa hållfasthet och axelstyrkan lika med ungefär 3/16 tum (5 mm) när man använder en konservativ limhållfasthet på 1000 psi (7 N/mm) och en axel av C1018 stål ( 54 ksi, 370 MPa).
Slutsats: att använda lim är ett bra val för små skaft
Som nämnts annonserar de flesta limtillverkare en skjuvhållfasthet på minst 1000 psi och vissa så hög som 3000+ psi. Ett lapskjuvtest görs genom att två långa smala stänger fästs ihop med limet över ett mätbart område. Stängernas ändar dras isär tills de går sönder. Kraften delas med arean och resultatet är varvskjuvhållfastheten.
Jag brukar designa runt det låga antalet annonserade skjuvhållfasthet här eftersom det finns många faktorer som spelar in som kan sänka den faktiska hållfastheten. Bland dessa kan nämnas ytbehandling, applicering av ytan, temperatur och luftfuktighet.
Innan du applicerar limmet måste du grova upp ytorna på remskivan och axeln med lite sandpapper (~200 – 300 grit) eller en fin fil. Detta kommer att ge limet små hack att ta tag i. Du vill sedan rengöra och avfetta med ett rengöringsmedel och sedan torka helt. Jag gillar att använda bromsrengörare vanligtvis för att jag har det i närheten.
För att ta reda på om din applikation kommer att motstå det applicerade vridmomentet. Använd följande formler.
Där Area är ytarean mellan axeln och remskivan, d är axeldiametern, L är överlappslängden för axeln och remskivan, F är den inre skjuvkraften mellan axeln och remskivan, Ssär limmets skjuvhållfasthet och T är det applicerade (eller maximala vridmomentet).
Med en genomsnittlig vidhäftningsskjuvhållfasthet på 1000 psi, en diameter på 0,19 tum och en överlappslängd på 0,38 tum, kan vi finna att vårt maximala vridmoment är 43,1 i lb.
Det finns tre huvudsakliga nackdelar med att använda limmetoden för att förena en remskiva till en axel
Vridmomentet begränsas av diametern och vidhäftningsstyrkan som redan nämnts
Det finns möjlighet att ha axeln och remskivan ur centrum och/eller vinkelrät. Detta kan minimeras av toleransen mellan de två, men inte så hårt att du skulle torka bort allt lim.
Det finns inget sätt att justera eller byta ut komponenterna utan möjligheten att skada den ena eller båda komponenterna. Att ha anpassning är viktigt och den här metoden tillåter det inte alls.
Sammanfoga axlar? Kolla in vår guide till axelkopplingar.
Presspassning
Presspassning är en beprövad metod för att fästa kugghjul på axlar. Det har använts inom järnvägsindustrin som en metod för att spara pengar när hjulenheter slits ut eller blir urrunda.
Huvudhjulssvetsningen har en exakt bearbetad diameter och sedan appliceras ett tunt band av härdat stål runt den. Bandet eller "däcket" är faktiskt mindre än den bearbetade ytan. Detta gör att det billiga bandet kan bytas ut då och då istället för hela hjulaggregatet.
Följande video visar hur däcket tas bort från hjulet med hjälp av värme. Bandet kommer att expandera i diameter när temperaturen stiger. Hjulet (innerdiametern) kommer att hålla sig ungefär samma storlek eftersom det har mycket mer massa och kommer att stråla bort värme snabbare.
Vid denna tidpunkt kan bandet tas bort och ett nytt installeras med samma metod.
Eftersom det inte finns något mekaniskt lås på denna är den till 100 % friktionsbaserad och den kan glida. Att mäta och bestämma presspassningen är svårt och antaganden behöver vanligtvis göras.
Super LångsamGratis kalkylator för axelpresspassning onlineeller Go Pro
Där Pr är trycket mellan ytorna, δ är mängden presspassning, d är axeldiametern, doär ytterdiametern på navet eller kugghjulet, diär axelns innerdiameter (om den är ihålig), μ är friktionskoefficienten mellan materialen och E och ν är materialens Young's Modulus och Poissons Ratio.
Presspassa kugghjul på en axel
Uppvärmning av materialet kommer att öka diametern; därför minskar mängden presspassning, δ. Detta gör redskapet lättare att ta på eller av, men slutresultatet är detsamma när det svalnar.
Om du gör det här hemma med plastväxlar. Prova att värma upp dem i ugnen på ca 175 grader till 200 grader (79 grader till 93 grader) och sedan skjuta dem på skaftet.
Denna metod är justerbar, men inte lätt och du kan behöva ta isär flera komponenter så att värmen inte förstör dem.
Korsborrade hål
Att borra ett hål genom både växelnavet och axeln är ett bra sätt att få mycket vridmoment. Det förhindrar också att axeln överbelastas eftersom stiftet kommer att klippas (bryta) om vridmomentet är för stort. Det finns tre huvudtyper av stift att använda i den här applikationen nedan, från svagaste till starkaste.
Tvärborrat hål med rulltapp (fjäder).
Rulla (fjädrar eller slitsade) stift – Dessa är platta stänger som har rullats till en rund form. De tenderar att springa upp (därav fjäderstift) vilket tillåter tillräckligt med presspassning så att stiftet inte glider ut. Jag rekommenderar dessa framför de två andra alternativen.
Skjuvstift – Dessa stift är solida och har en skåra i mitten där stiftet är utformat för att gå sönder vid en specifik kraft. Det är viktigt att få en tapp där skåran kommer att vara i samma plan som axeldiametern.
Dowel Pins - Dessa är bara höghållfasta solida stift. Om ditt hål är för stort måste du antagligen limma dessa på plats (skjuvstift också). Om din applicering ändrar riktning eller belastning kan du uppmuntra limet att misslyckas i förtid och stiftet att falla ut.
Var och en av stiften kommer att ha en annonserad brotthållfasthet och du kan välja diameter och typ baserat på ekvationerna nedan. Fsär skjuvkraften, T är det applicerade vridmomentet och d är axelns diameter.
Denna metod ger dig mycket kapacitet att hantera mer vridmoment, men den ger fortfarande ingen justering när hålet väl är borrat. Om du bråkar för många gånger kommer skaftet att se ut som schweizisk ost.
En stor fördel är att nästan vem som helst kan göra denna fog. Allt du behöver är en borr, borr och en hammare.Jag rekommenderar att du borrar en mindre diameter 1/16 – 3/32 först och kontrollerar din inriktning med en tandpetare.Om den är bra, borra ut den till önskad diameter. Om inte, rotera till en annan del av axeln och försök igen.
KompressionHubs
Även om det inte är en vanlig metod för att fästa kugghjul på axlar, är den tillgänglig. När växeln väl har skjutits över axeln, dras ställskruven åt och friktionen kommer att bära vridmomentet. Koefficienten kan reduceras oavsiktligt på grund av oljiga skaft eller användning av anti-seize. Det är bäst att använda olika metaller när du använder denna metod.
Kostnaden för att göra relieferna i komponenterna gör denna typ av metod kostnadskrävande i de flesta fall.
Undvik bara den här typen av fog!
Ställskruvar
Ställskruvsmetoden (endast) för att fästa på en axel är mycket vanlig med remskivor, kugghjul och kedjehjul.
Det är svårt att avgöra vilken typ av vridmoment man kan få ut av en sådan här koppling. Resultatet kan variera kraftigt på grund av friktionskoefficient, applicerat vridmoment, smörjning av gängorna och typ av inställningsskruv. Grundekvationen är som följer:
Där T är det utgående vridmomentet, μ är friktionskoefficienten, F är normalkraften från en ställskruv och d är daftdiametern.
De flesta drar bara åt ställskruven så mycket som möjligt. Så länge remskivan inte slirar av för stort vridmoment kommer allt att ordna sig. Men när det gör det kommer du snabbt att ha ett spår i skaftet. Detta gör din axeldiameter mindre; vilket minskar det maximala vridmomentet du kan uppnå.
Den största fördelen är att denna metod är 100% justerbar för rotation till axeln och längs dess längd. I allmänhet är denna metod endast tillgänglig med skaftstorlekar 1/2 tum (13 mm) eller mindre.
Nyckelspår
För de flesta industriella applikationer är standarden kilade axlar.Överlägset allt från hyllan kommer att finnas tillgängligt i en mängd olika hål i storlek med nyckelhål. Du kan också köpa dem med oavslutade hål och klippa ditt eget kilspår om du vill.
När du väljer en hålstorlek, se till att du inte väljer en axel som är för stor för växeln. Nyligen hade jag ett system som använde ett 10-kedjehjul på en 1-tums axel. Systemet hade några tryckspikar i sig vid start och spräckte faktiskt drevet på mitten.
Den kunde göra detta så enkelt eftersom materialet mellan utsidan av navet och kilspåren var bara 1/8" tjockt. Vi kunde fördubbla det till ¼ genom att lägga till en tand. Detta är en situation där en evolvent spline skulle vara ett bättre val (mer om det senare).
De flesta växlar hålls från att glida på axeln med bara en eller två ställskruvar. I allmänhet kommer en skruv att sitta på nyckeln och den andra kommer att vara 90 grader mot den och trycka mot axeln. För cylindriska växlar är detta tillräckligt, men för spiralformade växlar måste det finnas mer av ett positivt ingrepp på axeln för att ta hänsyn till sidobelastningen. Möjliga lösningar är axiallager, koniska rullager eller snäppringar.
