Коленчатый вал двигателя

 

Технология восстановления коленвала  Восстановление коленчатого вала, закалка коленчатого вала, операции по восстановлению коленвала

Коленчатый вал двигателя воспринимает действия расширяющихся газов при рабочем ходе поршней, передаваемые шатунами, и преобразуем их в крутяший момент. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает движение поршней во время вспомогательных тактов и пуска двигателя.

Коленчатые валы двигателя изготовляются штамповкой из средне углеродистых легированных сталей и литьем из модифицированного магнием чугуна в зависимости от конструктивных и технологических  особенностей коленчатых валов.

Устройство коленчатого вала 

Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками, к которым крепятся противовесы (могут быть отлитыми как одно целое с налом) переднего конца коленчатого вала, на котором имеются посадочный поясок крепления газораспределительного зубчатого колеса и шкива. На заднем конце коленчатого вала имеется маслоотражательный гребень, маслосгонная резьба и фланец (может отсутствовать) для крепления маховика. В торце имеется гладкое отверстие иод подшипник дли опоры ведущего вала коробки передач. В коренных шейках для масляных каналов выполнены отверстия пол углом к пустотелым шатунным шейкам, гле масло дополнительно очищается под действием центробежных сил.

Форма коленчатого вала

Форма коленчатого вала определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы и тактностъю двигателя. В большинстве случаев применяют полноопорные коленчатые валы, т.к. каждая шатунная шейка расположена между коренными. Для повышения износостойкости поверхностный слой коренных и шатунных шеек подвергают закалке на глубину 3—4 мм с нагревом ТВЧ. После термической обработки шейки валов, проводят шлифование шеек и полируют. Для повышения жесткости и надежности коленчатых валов применяют перекрытие шеек. Перед капитальным ремонтом двигателя проводят исследование дефектов коленчатого вала. После чего составляют технологическую последовательность ремонта по устранению дефектов коленчатого вала. 

Ограничитель максимальной частоты вращения коленчатого вала  Ограничитель максимального вращения        коленчатого вала служит для…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коленчатые валы двигателя:

а — двигателя автомобиля ЗИЛ-130; б — двигателя ЯМЗ — 236; в — КамАЗ-740; 1 — передний конец вала; 2 — грязеуловитель; 3 — шатунная шейка; 4 — противовесы; 5— масло отражатель; 6 — фланец для крепления маховика; 7 — коренная шейка; 8  — щека; 9 — гайка; 10 и 15 — съемные противовесы; 11 —  распрелелтельное зубчатое колесо;  12— установочный штифт; 13 — зубчатое колесо привода масляного насоса; 14 — винт: 16 — шпонка; А — величина перекрытия шеек.

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы — Autodromo

Без рубрики

Автор admin На чтение 3 мин Просмотров 2к. Опубликовано 18.04.2016

Коленчатый вал (коленвал) двигателя – это одна из важных деталей КШМ, расположенная в цилиндровом блоке. Вал преобразует поступательные движения поршней во вращательный момент, который через трансмиссию передается на колеса автомобиля.

Содержание

1. Устройство коленчатого вала
2. Принцип действия коленчатого вала
3. Процесс смазки коленчатого вала

Устройство коленчатого вала

Сложная конструкция коленвала представлена в виде расположенных по одной оси колен – шатунных шеек, соединенных специальными щеками. При этом количество колен зависит от числа, формы и месторасположения цилиндров, а также тактности двигателя автомобиля. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения.

В зависимости от расположения коренных шеек коленвал может быть:

• полноопорным – когда коренные шейки расположены по две стороны от шатунной шейки;
• неполноопорным – когда коренные шейки расположены только по одну из сторон от шатунной шейки.

В большинстве современных автомобильных двигателей применяются полноопорные коленвалы.

Итак, основными элементами коленвала являются:

• Коренная шейка – основная часть вала, которая размещается на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере.
• Шатунная шейка – деталь, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных механизмов осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.
• Щеки – детали, соединяющие два типа шеек – коренные и шатунные.
• Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов.
• Фронтальная (передняя) часть или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний, который осуществляет контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других механизмов устройства.
• Тыльная (задняя) часть или хвостовик – часть механизма, соединенная с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, осуществляет отбор мощности вала.

Фронтальная и тыльная сторона коленчатого вала уплотняется защитными сальниками, которые препятствуют протеканию масла там, где выступающие части маховика выходят за пределы блока цилиндров.

Вращательные движения всего механизма коленвала обеспечивают подшипники скольжения – тонкие стальные вкладыши, с защитным слоем антифрикционного вещества. Для предотвращения осевого смещения вала, применяется упорный подшипник, установленный на коренной шейке (крайней или средней).

Коленвал двигателя изготавливается из износостойкой стали (легированной или углеродистой) или модифицированного чугуна, методом штамповки или литья.

Принцип действия коленчатого вала

Несмотря на сложность самого устройства, принцип работы коленвала достаточно прост.

В камерах сгорания происходит процесс сжигания поступившего туда топлива и выделения газов. Расширяясь, газы воздействуют на поршни, совершающие поступательные движения. Поршни передают механическую энергию шатунам, соединенным с ними втулкой или поршневым пальцем.

Шатун в свою очередь соединен с шейкой коленвала подшипником, вследствие чего каждое поступательное поршневое движение преобразуется во вращательное движение вала. После того как происходит разворот на 180˚, шатунная шейка движется уже в обратном направлении, обеспечивая возвратное движение поршня. Затем циклы повторяются.

Процесс смазки коленчатого вала

Смазка коленвала обеспечивается за счет шатунных и коренных шеек. Важно помнить, что смазка коленчатого вала всегда происходит под давлением. Каждая коренная шейка обеспечена индивидуальным подводом масла от общей смазочной системы. Поступившее масло попадает на шатунные шейки по специальным каналам, расположенным в коренных шейках.

Что такое вал двигателя? | Как работают валы в двигателях переменного/постоянного тока | Общие области применения двигателей переменного/постоянного тока

Важный момент

Что такое вал двигателя?

Основным компонентом большинства вращающихся устройств является вал двигателя. Вал представляет собой механическую часть для вращения и преобразования крутящего момента. Размер вала существенно влияет на крутящий момент в этих устройствах. Таким образом, точное моделирование и прототипирование валов необходимы для всех приложений.

Помимо необходимости установки ротора и различных приспособлений, модель вала двигателя основана на выборе концепции охлаждения электрического устройства. В частности, с большим количеством электродвигателей и, следовательно, более длинными и большими валами двигателей, полый вал позволяет корпусу новой модели иметь как легкую конструкцию, так и систему охлаждения.

В трансмиссии используется несколько различных характеристик для возобновления передачи крутящего момента от мощности к кинетической мощности и, таким образом, для перемещения устройства. Из-за большой скорости вращения более 20 000 об/мин и большого крутящего момента вал двигателя должен выдерживать очень высокую нагрузку. Для этого требуются высокопрочные детали, которые по-прежнему должны соответствовать высоким требованиям к легкому моделированию.

Также прочтите: Что такое муфта? | Как работает муфта вала? | Типы муфты вала

Как Валы в двигателях переменного/постоянного тока Функция:

Валы в двигателе представляют собой цилиндрический компонент, выходящий из двигателя и его корпуса. Целью валов является преобразование энергии от двигателя к конечному приложению. Прецизионные штифты и валы действуют как функция скорости по отношению к крутящему моменту.

Когда к валам не приложена нагрузка, они будут работать с максимальной скоростью для этого напряжения с почти нулевым крутящим моментом. Когда к валам прикладывается достаточная нагрузка, чтобы они полностью переставали вращаться, а его скорость становилась равной нулю, он создавал максимальные крутящие моменты для этого напряжения и, как говорят, работал с крутящим моментом.

Двигатель постоянного тока предназначен для работы при малых крутящих моментах и, как предполагается, демонстрирует оптимальные характеристики, когда вал работает в среде между нулевой нагрузкой и крутящим моментом. Если требуется больший крутящий момент, к двигателю часто подключают редуктор, чтобы уменьшить скорость вала и увеличить его крутящий момент.

Также читайте: Материалы для коленчатого вала | Термическая обработка коленчатого вала | Кованые коленчатые валы материалов | Процессы производства коленчатых валов

Общие области применения двигателей переменного/постоянного тока:

Двигатель переменного/постоянного тока используется в самых разных отраслях и областях применения в зависимости от типа используемого двигателя переменного или постоянного тока. Ниже перечислены некоторые из наиболее распространенных типов двигателей переменного/постоянного тока и особенности их использования.

№1. Синхронные двигатели переменного тока

В асинхронных двигателях переменного тока скорость вала поддерживается постоянной. Это делает синхронные двигатели переменного тока идеальными для высокоточного оборудования позиционирования, используемого в робототехнике и приборостроении.

№2. Асинхронные двигатели переменного тока

Асинхронные двигатели переменного тока создают большой крутящий момент и поэтому обычно используются из-за их нагрузочной способности. Вы часто найдете асинхронные двигатели переменного тока, используемые в бытовой технике, а также в насосах, конвейерных лентах, компрессорах и другом производственном оборудовании.

№3. Коллекторные двигатели постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока предпочтительнее для чувствительных к стоимости приложений, где требуемое управление относительно простое. Они обычно используются в потребительских приложениях, а также в некотором базовом промышленном оборудовании.

№4. Бесщеточные двигатели постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют более высокую начальную стоимость, чем щеточные двигатели постоянного тока; тем не менее, они компенсируют эти расходы, демонстрируя более длительный срок службы для приложений с высокой нагрузкой.

Бесщеточный двигатель постоянного тока часто используется в вентиляторах, насосах, компрессорах и других устройствах, где требуется высокая степень надежности и долговечности.

Читайте также: Что такое обработка коленчатого вала? | Обработка коленчатого вала | Способ обработки коленчатого вала | Детали обработки коленчатого вала

Конструкция вала двигателя:

Выбор подходящего материала может повысить надежность. После выбора наилучшего материала для устройства и его вала следует подумать в первую очередь о стоимости. Материал, используемый для вала нетипичных двигателей, представляет собой мягкую сталь, но когда требуется более высокая прочность, используются легированные стали, такие как хромованадиевая, никелевая и никель-хромовая.

Большинство производителей двигателей применяют SAE 1045 либо к горячекатаной (HRS), либо к холоднокатаной стали (CRS). C1045 — это среднеуглеродистая сталь со средним пределом текучести, которая поставляется в кованом или нормализованном виде. Эта сталь обладает подходящей ударной вязкостью, прочностью и износостойкостью. Перейдите сюда, чтобы увидеть процесс сборки.

Используется для болтов, осей, коленчатых валов, шатунов, световых шестерен, торсионов, направляющих стержней и т. д. Другие материалы включают сульфированные SAE 1137, SAE 1117, SAE 1144, холоднокатаные SAE 1018 и горячекатаные. SAE 1035.

Заготовка из любого материала монтируется на специальных токарных станках с ЧПУ. В целом, сульфированные и холоднокатаные стали подорожают примерно на 15% и будут работать лучше, чем HRS. Чтобы контролировать дополнительные затраты, необходимо провести механические испытания.

Поскольку все устройства для поворота валов работают по-разному, не требуется никаких установленных материалов или технического обслуживания. С точки зрения затрат на фунт, горячекатаные простые углеродистые стали более рентабельны, чем холоднокатаные сульфурированные.

Однако есть некоторые недостатки, когда мы хотим их использовать. Размер горячекатаного материала должен быть больше, чем у холоднокатаного из-за отсутствия контроля наружного диаметра (НД) в процессе прокатки.

Производители электродвигателей должны оценить, является ли горячекатаный прутковый прокат большего размера и меньшей стоимости материала более или менее дорогим, чем холоднокатаный прутковый прокат. Отсутствие остаточного напряжения, твердых и мягких участков, пустот и других материалов типично для горячекатаных материалов, что затрудняет их механическую обработку.

У некоторых высокопрочных сталей самой твердой стороной являются только внешние слои, поэтому при использовании валов прочность снижается. Проведение теста поможет вам выбрать лучшее вещество среди CRS, HRS, сульфурированных и несульфурированных материалов.

Услуги по ремонту промышленных электромеханических устройств (или Услуги IER) были введены в 2011 году для оказания эффективных и быстрых услуг по ремонту всех типов электромеханического оборудования, включая двигатели постоянного и переменного тока, частотно-регулируемые приводы, насосы, средства динамической балансировки и многое другое.

Они также поддерживают услуги центровки валов. Они не только предоставляют своим клиентам качественные крепления вала двигателя, но также предлагают специализированные валы электродвигателей для использования в других клапанах, насосах, двигателях и гидравлике.

Также прочтите: Что такое генератор постоянного тока? | Строительство генератора постоянного тока | Принцип работы генератора постоянного тока | Детали генератора постоянного тока

Доступные материалы для изготовления вала двигателя:

• Легированная сталь
• Aluminum
• Beryllium Copper
• Brass
• Bronze
• Carbon Steel
• Copper
• Nickel

Also, Read: How Does a Steam Турбина работает? | Что такое паровая турбина? | Принцип работы паровых турбин | Типы паровых турбин

Производство вала электродвигателя:

Как обсуждалось ранее, большинство производителей двигателей применяют SAE 1045 либо к холоднокатаной (CRS), либо к горячекатаной (HRS) стали. Горячекатаный материал из углеродистой стали дешевле, чем холоднокатаный, по стоимости за фунт. Но процесс прокатки имеет некоторые компромиссы, такие как соображения размера.

Производители электрооборудования оценивают, являются ли горячекатаные прутки с низкой стоимостью материалов и большими размерами более или менее дорогими, чем холоднокатаные прутки. Горячекатаный материал по характеру своих характеристик не имеет мягких и твердых участков, пустот, остаточных напряжений и других материалов, что делает его более проблематичным для механической обработки.

Основным недостатком некоторых высокопрочных сталей является то, что самыми твердыми участками являются только внешние слои, поэтому, как только вал опустится, система потеряет прочность. Необходимо провести машинные испытания, чтобы выбрать лучший из различных материалов. Из-за трудностей с HRS некоторые производители двигателей будут использовать сульфурированные CRS.

Также прочтите: Разница между газовой турбиной и газовым двигателем | Газовая турбина | Газовый двигатель | Сравнительный анализ газовых турбин и газовых двигателей

Важность соосности валов двигателей:

Существует три типа несоосности валов двигателей:

#1.

Угловое смещение возникает

Угловое смещение возникает, когда двигатель установлен под углом к ​​приводимому оборудованию. Если бы центры приводного инструмента и вала двигателя были удлинены, они фактически пересекались бы друг с другом, а не шли или накладывались вдоль стандартной осевой линии.

«Пробел» разница в пространстве между поверхностями муфты или разность наклона вала двигателя может быть в вертикальном направлении, горизонтальном направлении или в обоих направлениях по сравнению с наклоном неподвижного вала машины. Угловое смещение может привести к серьезному повреждению, особенно приводного оборудования и двигателей.

Параллельное смещение возникает, когда осевые линии двух валов расположены параллельно, но не на одной линии. Существует две формы параллельного смещения, поскольку валы могут быть смещены по вертикали на разной высоте, по горизонтали смещены влево или вправо или в обе стороны.

Комбинированное смещение возникает, когда вал двигателя испытывает одновременно параллельное смещение и угловое смещение. Это наиболее традиционная ситуация несоосности, встречающаяся в системе.

№2. Несоосность вала двигателя муфт

Крупные двигатели обычно подключаются непосредственно к нагрузке с помощью гибких или жестких муфт. Гибкие муфты допускают небольшое смещение, в то время как жесткие типы не компенсируют смещение между двигателем и приводным инструментом.

Гибкие муфты также могут снижать вибрацию, передаваемую от одной секции оборудования к другой, а некоторое приводное оборудование может защищать вал от блуждающих электрических токов. Даже гибкие муфты требуют некоторых соображений выравнивания, представленных в инструкциях для них.

Ошибочно полагаться на изгибы муфты для дополнительной несоосности, поскольку изгиб вала и муфты создают нагрузку на ведомое оборудование и подшипники двигателя. Эти нагрузки могут вызвать поломку или поломку вала, преждевременный выход из строя подшипников, уплотнений или муфт, а также дополнительные осевые и радиальные вибрации. Вторичные последствия включают ослабление фундаментных болтов и сломанные или ослабленные соединительные болты. Срок службы снижается, когда валы не соосны.

Практически трудно добиться надлежащего выравнивания без использования инструмента выравнивания, такого как лазерное выравнивающее устройство или циферблатный индикатор. Соответствующая процедура центровки вала двигателя предназначена, прежде всего, для наблюдения за приводимым оборудованием, поскольку, например, перемещение насоса повлечет за собой давление на смонтированный трубопровод.

Следующий совет – установка муфт на приводимом в действие оборудовании. Затем двигатель следует переместить в нужное положение и соединить с муфтой. После того, как оборудование долгое время находилось в температурно-стабильном состоянии, мы должны выключить его и немедленно проверить юстировку. В качестве альтернативы мы можем контролировать взаимное расположение модификаций машин с помощью лазерных систем, оснащенных для выполнения поставленной задачи.

Из-за термического расширения устройства, выровненные в «холодном» предрабочем состоянии, почти не выровнены при достижении рабочей температуры. Многие производители оборудования публикуют значения теплового смещения, поэтому специалисты по юстировке могут изменять их с учетом тепловых изменений во время начального процесса юстировки.

№3. Предлагаемые действия при перекосе вала двигателя

• Здесь представлены некоторые рекомендуемые действия при перекосе вала двигателя:
• Ежегодно проверяйте центровку валов всего производственно-критического оборудования.
• Проверьте новое установленное оборудование на наличие отклонений от центровки из-за затвердевания фундамента через 3–6 месяцев работы.
• Контролировать вибрацию Тенденции повышения вибрации как основные признаки несоосности. Несоосность может быть вызвана недостаточной затяжкой болтов, осадкой фундамента или неисправностями вторичного вала.
• Применяйте методы профилактического обслуживания, включая анализ частотного спектра и испытания на вибрацию, чтобы отличить несоосность вала, износ подшипника или электрическую вибрацию.

Также читайте: Водород в газовых турбинах | Как работают водородные турбины | Производство водорода | Эволюция сжигания водорода | Генератор водородной турбины

Что такое циркулирующие токи на валу электродвигателя?

Блуждающие токи на валу двигателя возникают из-за «асимметрии» магнитных путей в железе ротора и статора. Когда ротор вращается через статор и когда магнитное поле статора перемещается, небольшие различия в магнитном «сопротивлении» основных компонентов создают небольшие напряжения между секциями вала.

Как вы можете понять из приведенных выше рассуждений, циркулирующие токи являются результатом электрического моделирования электродвигателя. Вот почему некоторые конструкторы проектируют двигатели с изолированным корпусом подшипника; Подшипник, или включить.

Эти специальные конструкции производятся в подшипниках, препятствующих закрытым путям передачи тока в заземленной конструкции двигателя. Эти токи будут проскальзывать через пространство шарикоподшипника или время от времени проникать в масляные пленки подшипников скольжения. Это приводит к трению в шарикоподшипниках или к поражению электрическим током на очень отполированной поверхности шариков, что вызывает первоначальный отказ и усталость.

Следует признать, что циркуляционные токи на валу двигателя могут также быть вызваны внешними источниками питания, такими как сварка и т. д., для намагничивания вала (т. е. магнита). Существуют также статические заряды, которые могут привести к проблемам с передачей тока по валу.

Поскольку вал заряжен электрическим током, он разряжается в подшипники, вызывая их повреждение. Также стоит учитывать, что валы, циркулирующие токи, становятся все более распространенными в электрооборудовании малой мощности из-за популярности частотных регуляторов.

В настоящее время используются различные устройства, такие как кольцо заземления вала AEGIS, которое изготовлено и смоделировано, чтобы помочь двигателю защитить себя и отвести циркулирующие токи.

Также читайте: Турбинный генератор Tesla | Как работает турбинный генератор Тесла | Части турбинного генератора Тесла | Принцип работы | Tesla Turbine Operation

Характеристики вала двигателя:

В соответствии с требованиями пользователей вал двигателя может быть выполнен как полым, так и сплошным валом.

• Облегченная конструкция может использоваться как с трубкой, так и в заводском исполнении.
• Возможна комбинация различных материалов.
• Валы двигателей готовые к установке или в виде полуфабриката близкого к окончательному контуру.
• Малый вес, экономия ресурсов и высокая эффективность передачи
• Шлицы могут быть изменены в соответствии с требованиями заказчика.

Также прочтите: что такое синхронный генератор? | Что такое индукционный генератор? | Индукционный генератор VS синхронный генератор

Производитель валов в наших мастерских:

Здесь, в Mawdsley, мы можем обрабатывать самые разные валы двигателей, дополняя наши услуги по ремонту машин. Имея опыт работы с высококлассной военно-морской техникой, мы понимаем важность производства высококачественных и долговечных деталей.

Имея собственные станочные мощности, мы можем быстро реагировать, когда это необходимо, и производить продукцию в кратчайшие сроки. Все наши валы подвергаются механической обработке и окончательной проверке нашими собственными инженерами для обеспечения соответствия требуемым спецификациям.

№1. Замена приводного вала электродвигателя

Приводной вал может быть поврежден в результате неправильного использования, перегрузки, износа или отсутствия ухода и технического обслуживания. Обычно мы видим много типов повреждений, таких как некачественные магазины подшипников, плохая резьба, шпоночные канавки и поврежденная резьба. В некоторых случаях валы можно отремонтировать; однако во многих случаях необходимо заменить валы целиком.

№2. Валы двигателей переменного тока

В зависимости от применения эти валы обычно изготавливаются из стали или нержавеющей стали. Они имеют различные диаметры механической обработки, на которые можно нанести шпоночные канавки, канавки или резьбу. Для двигателей с низким уровнем вибрации магазины подшипников могут быть конечной основой после сборки ротора.

№3. Вал двигателя постоянного тока

Они аналогичны валам двигателя переменного тока с точки зрения необходимой обработки. Однако двигатель постоянного тока более сложен в изготовлении из-за установки коллектора.

Его часто приходится отсоединять от обмотки якоря и снимать перед запрессовкой вала. В некоторых случаях после переборки вала и коллектора потребуется напоминание об якоре.

Также прочтите: Что такое гидротрансформатор? | Как работает гидротрансформатор? | Детали гидротрансформатора | Принцип работы гидротрансформатора

Ремонт вала:

Если вал имеет шейку подшипника, седло вентилятора или диаметры соединения привода, их можно извлечь, не снимая вал с узла.

Вал обработан, чтобы можно было добавить покрытие, которое выполняется специализированной компанией. После завершения вал подвергается механической обработке, чтобы окончательно определить правильный размер.

Также прочтите: Батарея дистанционного управления без ключа разряжена | Когда замена батареи брелока замена? | Как заменить батарею пульта без ключа

---

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вал двигателя

Валы двигателя представляют собой цилиндрический компонент, выходящий из двигателя и его корпуса. Целью валов является преобразование энергии от двигателя к конечному приложению.

Вал электродвигателя

Вал электродвигателя представляет собой центральную часть электродвигателя. Вал двигателя также является несущей частью многослойного центра ротора и, таким образом, передает создаваемый электричеством крутящий момент через соответствующую положительную конфигурацию в трансмиссии.

Что такое вал двигателя?

Вал двигателя представляет собой цилиндрический компонент, выступающий из двигателя и его корпуса. Целью вала является преобразование энергии двигателя в конечное применение. Прецизионные штифты и валы работают в зависимости от скорости и крутящего момента.

---

Крепление механики к валу двигателя

Одной из наиболее распространенных точек отказа в автоматизированном оборудовании является точка соединения, в которой вал двигателя соединяется с механикой. Это особенно верно в требовательных приложениях управления движением, которые включают частые пуски/остановы, двунаправленное управление, частые изменения направления крутящего момента и т. д. (реже распространены в приложениях с постоянной скоростью и одним направлением, таких как вентилятор).

Большинство этих сбоев происходит из-за выбора неправильного метода прикрепления для данного типа приложения (хотя некоторые сбои происходят из-за неправильной реализации метода прикрепления). Выбор оптимального метода крепления механики к валу двигателя для передачи крутящего момента может помочь предотвратить отказы и обеспечить ожидаемую работу вашей машины.

Резюме статьи

В этой статье мы рассмотрим:

• Общие методы крепления механики к шаговым двигателям и серводвигателям (самые распространенные двигатели, используемые в приложениях управления движением). Эти методы включают в себя:

• Clamps or split clamps
• Adhesives
• Keyless bushings
• Keys and keyways
• Set screws or grub screws
• Pinning

• Evaluate the pros and cons of each attachment method
• Identify ideal use cases for каждый метод крепления
• Рекомендовать в целом наилучшие методы крепления

Хотя Teknic не производит механические ступени или соединительные компоненты, мы производим продукты для управления движением (бесщеточные серводвигатели переменного и постоянного тока), которые приводят в действие эти ступени. Инженеры Teknic работали над тысячами различных механических систем за последние 30 лет и знакомы с методами соединения, которые лучше всего работают в сложных двунаправленных сервоприводах. Мы обнаружили, что идеальный подход к механическому креплению для вашего приложения не всегда очевиден, часто отличается от того, что делается традиционно, и будет зависеть от множества показателей (включая стоимость, надежность и простоту использования).

I: Зажимы

Зажимы Обзор:

Зажимы, также известные как разрезные зажимные кольца, были изобретены где-то во время Второй мировой войны как метод устранения недостатков использования установочных винтов (мы обратимся к установочным винтам позже в этой статье). Зажимы предназначались для использования в бомбовых прицелах и системах наведения, основной целью которых было предотвращение осевого перемещения. Со временем они нашли применение в других отраслях и приложениях, включая управление движением.

Хомуты обычно предлагаются в цельном или двухкомпонентном исполнении (см. рисунок ниже), и они обеспечивают достаточно равномерное распределение поверхностного трения на валу (а не только одну точку контакта, как шпонки или установочные винты). Равномерно распределенная сила увеличивает удерживающую способность.

Учитывая простоту использования, низкую стоимость и высокий удерживающий момент, Teknic рекомендует использовать разъемные зажимы во всех типах сервоприводов. (Если двигатель достигает скорости выше 6000 об/мин, вы можете захотеть сбалансировать вращение компонента с помощью зажима, поскольку конструкция имеет тенденцию делать их слегка дисбалансными.)

Рисунок 1: Разъемные зажимы [MiSUMi] муфта» — это муфта, в которой хомут и ступица являются двумя отдельными компонентами — см. рисунок ниже. В этой конструкции зажим затягивается вокруг ступицы, которая затягивается вокруг механического вала. Ступица (шкив или шестерня) имеет зубцы, которые скользят по механическому валу, а затем зажимное кольцо скользит по зубцам шкива. Когда зажим затягивается, он равномерно сжимает штыри вокруг вала.

Рисунок 2: Схема разъемной ступицы и хомута [OpenBuilds]

Как правило, хомуты, состоящие из двух частей, обеспечивают более высокую удерживающую силу, поскольку полный крутящий момент винта(ов) прикладывается непосредственно к усилию зажима на валу. В то время как с цельным хомутом для закрытия хомута вокруг вала требуется некоторый крутящий момент винта.

Хотя сила пружины хомута препятствует выворачиванию винта, при его установке необходимо нанести на винт немного средства Loctite. Помимо обеспечения дополнительной надежности крепления, смазывание жидким Loctite поможет уменьшить любое трение при затягивании винта и позволит вам достичь постоянного усилия зажима.

Плюсы хомутов:

• Простота и быстрота установки, демонтажа и регулировки

• Двухкомпонентные хомуты можно собрать без снятия каких-либо компонентов машины

• Надежность
эффективный

Минусы хомутов:

• Немного дороже, чем некоторые другие варианты
• Требует некоторой подготовки перед сборкой (сопрягаемые поверхности должны быть очищены изопропилом)

Заключение:

В целом, хомуты являются лучшим вариантом для крепления механизмов к валам, учитывая их простоту использования, эффективность, стоимость и надежность. Teknic настоятельно рекомендует использовать зажимы для любых приложений управления движением.

II: Клеи

Клеи Обзор:

Промышленные клеи стали популярным средством крепления оборудования к двигателям. Loctite — это бренд клеев от Henkel Corporation, который включает в себя ряд «удерживающих компаундов», предназначенных для фиксации цилиндрических компонентов. В настоящее время существует около десяти различных типов фиксирующих клеев Loctite с различными свойствами (номинальные температуры, время отверждения, сила удержания и т. д.). Наиболее часто для приложений, обсуждаемых в этой статье, используются составы 638, 648 и 680, но вам следует выбрать наилучший состав для вашего конкретного применения.

Рис. 3: Клей Loctite 638 [Loctite]

Из всех упомянутых вариантов крепления Loctite является одним из наиболее экономичных решений, занимающих минимум места без ущерба для надежности или удерживающей силы. Одним из недостатков использования клеев является более длительное время установки и удаления. Тем не менее, этот подход настоятельно рекомендуется — уступает только зажимам для любого типа сервоприводов.

Плюсы клея:

• Экономичность (немного клея хватает)
• Позволяет плотно интегрировать компоненты и не требует много места
• Помогает заполнить все микрозазоры между валом двигателя и механизмом (включая любые неровности поверхности), что помогает предотвратить истирание и коррозию

Минусы клея:

• Требуется время для отверждения и связывания химикатов

• Время отверждения может варьироваться от минут до дней в зависимости от требуемой прочности (не забудьте правильно закрепить компоненты, чтобы во время отверждения не произошло их движение)
• Процесс отверждения часто можно ускорить с помощью химического активатора, но это стоит больше денег и может также ослабить удерживающую силу (см. приведенный ниже пример графика времени отверждения Loctite 638 с активаторами и без них)

Рисунок 4: Время отверждения Loctite 638 график [Loctite]

• Если склеиваемые поверхности не очищены должным образом, клей может никогда полностью не застыть

• Для некоторых марок Loctite требуется использование отвердителя (например, УФ-излучение)
• Обычно для удаления требуется какой-либо источник тепла – этот процесс иногда может быть грязным
• Представлено множество соображений по времени отверждения, прочности отверждения, рабочим температурам и типам используемых материалов (варианты классов клея могут показаться огромными)

• Мы предлагаем связаться с инженерами Loctite и/или помочь вам выбрать ваш продукт (см. ниже пример ресурса). Полное понимание требований вашего приложения, таких как условия окружающей среды и вопросы ремонта в полевых условиях, значительно облегчит этот процесс

Рисунок 5: Блок-схема использования Loctite [Loctite]

Вывод:

В целом, промышленные клеи, такие как Loctite, являются одним из наименее дорогих и надежных средств для крепления механических частей. При правильном применении Loctite может создавать соединения с прочностью на сдвиг до 4480 фунтов на квадратный дюйм (например, Loctite 648 используется для соединения стали со сталью).

В качестве реального примера, использование Loctite 648 для крепления алюминиевого зубчатого шкива шириной 3/4 дюйма к стальному валу диаметром 5/8 дюйма позволит создать крутящий момент около 60 Н·м прочности на сдвиг (это более 8000 унций на дюйм). ). Это обеспечит очень большой коэффициент безопасности при использовании практически с любым двигателем с валом 5/8 дюйма.

Помимо потенциально грязной и длительной установки/демонтажа, нет никаких недостатков в использовании таких клеев, как Loctite, для крепления механизмов. Teknic рекомендует крепление с помощью клея, а не только зажимов (особенно если вам нужно самое компактное решение).

При этом для практически безотказного соединения можно использовать хомут в сочетании с фиксирующим компаундом. Зажим избавляет от беспокойства по поводу нарушения клея во время его отверждения (это означает, что нет необходимости в специальных приспособлениях) и обеспечивает безопасность параллельного метода крепления.

III: Втулки без ключа

Втулка без ключа Обзор:

Другим распространенным методом механического крепления является втулка без ключа (хотя они менее распространены, чем зажимы). Это хороший вариант, если вы планируете часто прикреплять и снимать механизмы или если особенно важна концентричность нагрузки на вал. Втулки без ключа выпускаются различных марок (например, Trantorque и Fairloc) и, как правило, представляют собой простые в использовании автономные устройства.

Рисунок 6: Бесшпоночная втулка Trantorque [Приводы Fenner]

Конструкция Trantorque (как показано на рисунке выше) является наиболее распространенной конструкцией для валов диаметром менее 1,5 дюймов. Trantorque представляет собой втулку, состоящую из трех частей: внутренней сужающейся втулки, внешней разжимной втулки и одной гайки, которая контролирует и втулку, и втулку (см. рисунок ниже).

При затягивании гайки внутреннее кольцо будет прижиматься к валу двигателя, в то время как внешняя втулка расширяется (внутреннее кольцо и внешняя втулка имеют противоположные конусы, поэтому одно сужается, а другое расширяется). Когда вы затягиваете гайку, внешняя втулка расширяется, а внутреннее кольцо сжимается — эта комбинация создает удерживающие усилия при сохранении концентричности.

Рисунок 7: Схема бесшпоночной втулки

К сожалению, бесшпоночная втулка также является одним из самых дорогих вариантов и, учитывая их размер, часто не может использоваться для крепления грузов относительно небольшого диаметра. Например, вы не сможете прикрепить зубчатый шкив с шагом 1 дюйм к валу 5/8 дюйма (что можно сделать с помощью зажима или клея), потому что внешний диаметр самой втулки будет не менее 1 дюйма. (т. е. отверстие шкива должно быть около дюйма в диаметре). Вы будете вынуждены использовать шкив большего размера, чем оптимальный. Бесшпоночные втулки также имеют большой вращающий момент инерции, который может быть значительной дополнительной нагрузкой, когда сама нагрузка имеет небольшой диаметр и, следовательно, относительно низкую инерцию.

Эти два фактора, наряду с радиальными силами, которые втулка прикладывает к нагрузке, означают, что отношение внешнего диаметра (OD) нагрузки к ее внутреннему (внутреннему) диаметру (ID) обычно должно быть достаточно большим (обычно 1,5-2,5 раза).

Плюсы бесшпоночных втулок:

• Равномерно распределяет удерживающие усилия вдоль вала двигателя и ступицы (предотвращает проскальзывание)

• Манжета расширяется равномерно при затягивании гайки большая ступица)

Минусы бесшпоночных втулок:

• Это самый дорогой вариант из всех методов, перечисленных в этой статье (исключая затраты на механическую обработку, связанные со штифтами, которые обсуждаются ниже)
• Некоторые конструкции сложны и требуют больше времени на настройку
• Они имеют относительно большую инерцию

• Бесшпоночные втулки нельзя использовать в ситуациях, когда компоненты нагрузки лишь немного больше, чем вал двигателя (клей лучше всего подходит для низкопрофильных приложений)

• Требуют дополнительной подготовки (очистка сопрягаемых поверхностей)
• Конструкция Trantorque обычно немного перемещается в осевом направлении при затягивании и большое требование отношения OD/ID. Зажимы и клеи обеспечивают аналогичные, если не более надежные соединения за небольшую часть стоимости. Тем не менее, если концентричность нагрузки имеет решающее значение или компоненты ступицы намного больше диаметра вала, хорошим вариантом являются втулки без шпонки.

  IV: Шпонка и паз

  Шпонка и паз Обзор:

  Шпонки и пазы используются уже много лет. Этот метод до сих пор широко используется в приложениях, начиная от вентиляторов HVAC и заканчивая насосами. Шпоночный/шпоночный паз предлагает быстрый и недорогой способ передачи крутящего момента на нагрузку (см. рис. 8 ниже).

  Однако для двунаправленных устройств, которые часто запускаются и останавливаются (что означает, что крутящий момент является двунаправленным), механические компоненты со временем изнашиваются из-за вибрации или механического трения. Износ и истирание в конечном итоге приведут к механическим повреждениям. Хотя ключи и шпоночные канавки могут работать в приложениях с одним направлением, они не подходят для приложений с частыми изменениями направления крутящего момента.

  Рисунок 8: Шпоночный паз [Услуги Tradelink]

  Плюсы шпоночного и шпоночного паза:

  • Один из самых быстрых и простых способов крепления часто установочный винт используется вместе со шпонкой для предотвращения осевого перемещения)

  Минусы шпонки и шпоночных канавок:

  • Требуется небольшой зазор между валом и шпонкой – это может вызвать люфт, который повлияет на точность и вызвать отказ с течением времени
  • При запрессовке компонентов на вал и компоненты могут воздействовать силы, выходящие за рамки спецификации
  • Шпонка может в конечном итоге покачиваться в шпоночной канавке, что приведет к повреждению и износу
  • Если шпонка или шпоночная канавка деформируются из-за ускорения

  Рис. 9: Диаграмма шпонок/пазов [Советы по линейному перемещению]

  Заключение:

  Учитывая проблемы с люфтом, высокую вероятность износа и истирания, а также механическая неисправность, Teknic никогда не рекомендует использовать шпонки и шпоночные пазы в качестве единственной формы крепления и передачи крутящего момента. В однонаправленных приложениях, которые не часто запускаются и останавливаются, механический износ менее вероятен, и инженеры могут рассмотреть возможность использования ключа. Ключ также можно использовать в качестве резервного механизма (например, зажим в качестве основного источника передачи крутящего момента в сочетании с ключом, выступающим в качестве резервного механизма).

  V: Установочные винты

  Установочный винт Обзор:

  Хотя установочные винты имеют много недостатков в приложениях управления движением, они по-прежнему широко используются для крепления механических компонентов к двигателю. На самом деле, идея установочного винта (или установочного винта) существует уже давно — достаточно стара, чтобы первые варианты установочных винтов были сделаны из таких материалов, как кость и дерево.

  Многие выбирают установочные винты, потому что они доступны по цене и просты в установке. Однако установочные винты ненадежны в приложениях управления движением и часто повреждают вал двигателя. В то время как установочные винты могут быть достаточными в приложениях с очень низким энергопотреблением, Teknic никогда не рекомендует использовать установочные винты в любых приложениях управления движением.

  Figure 10: Set screw [SDP/SI]

  Pros of set screws:

  • Cheap
  • Widely available
  • Easy to install

  Cons of set screws:

  • Unreliable method of attachment
  • Установочный винт может ослабнуть из-за вибрации машины с течением времени, что позволяет грузу скользить и свободно перемещаться по валу двигателя и отключение
  • Установочные винты обычно выдавливают или деформируют вал двигателя. Это может привести к большему проскальзыванию при повторной затяжке установочного винта на поврежденном валу
  • Установочные винты создают небольшое радиальное смещение нагрузки и вызывают неконцентрическое движение. Это ухудшает точность/воспроизводимость станка и может привести к механической усталости компонентов с течением времени. ), сопутствующие риски и их ненадежный характер делают их плохим выбором для требовательных приложений управления движением.

    Рис. 11. Типы точечных установочных винтов [Atlantic Fasteners]

    Установочные винты по-прежнему потенциально подходят для применений, требующих плавного движения (т. остальная часть машины. Тем не менее, поскольку доступно так много лучших вариантов, Teknic рекомендует никогда не использовать установочные винты для любого типа приложений управления движением.

    VI: Скрепление штифтами

    Скрепление штифтами Обзор:

    Штифтование, как и использование установочных винтов, — это подход, который существует уже давно и до сих пор используется в различных приложениях, от огнестрельного оружия до машин. Хотя технология и материалы менялись с течением времени (например, заостренные куски дерева теперь заменены спиральными металлическими штифтами — см. рисунок ниже), концепция остается прежней и при правильном выполнении предлагает практически постоянный метод соединения. Однако, учитывая риски и затраты на обработку, этот метод ненадежен и дорог для приложений управления движением.

    Рисунок 12: Спиральный металлический штифт [Zoro: Пружинные штифты]

    Плюсы штифтов:

    • Штифты довольно недороги, но процесс требует надлежащего инструмента и техники обработки, которые могут быть дорогими
    • Этот метод может быть надежным для менее агрессивные, однонаправленные операции

    Рис. 13: Диаметр отверстия для штифта [крепеж + крепежный магазин]

    Минусы штифтов:

    • Трудно выполнять точно и последовательно – риск ошибок обработки и слабых мест из-за смещения
    • Требует механической обработки вала двигателя
    • Подвергает двигатель воздействию охлаждающей жидкости, механически обработанных твердых частиц и потенциально экстремальным радиальным силам
    • Риск динамической нагрузки и износа/фреттинга, если разница между размерами штифта и отверстия превышает определенные спецификации
    • В идеале, если вы должны использовать штифты, нагрузка и вал должны быть просверлены одновременно (хотя это может быть сложно сделать) длина, материал, требуемая степень зацепления и т. д.) Если вам необходимо использовать штифт, Teknic обычно рекомендует спиральный штифт

    Рисунок 14: Типы контактов [американское кольцо]

    Вывод:

    Хотя в некоторых приложениях закрепление может быть успешным, Teknic никогда не рекомендует этот метод для любого типа системы управления движением. Существуют легкодоступные варианты, которые проще в реализации, дешевле, менее рискованны и обеспечивают более надежные соединения.

    Заключение

    Учитывая все факторы, которые должен учитывать инженер-проектировщик, а также множество различных вариантов крепления механизмов к валам, легко понять, почему так много инженеров упускают из виду важность этого шага проектирования.

    Подводя итог, можно сказать, что установочные винты и ключи являются плохим выбором для надежного автоматизированного оборудования (даже несмотря на то, что они могут применяться и в других случаях). Штифтовые и бесшпоночные втулки могут работать с , но у них есть некоторые недостатки, которые стоит учитывать (стоимость, риск механической обработки).