Projekt "Podpora výuky v cizích jazycích na SPŠT" Hřídele a hřídelové čepy SPSA1 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
Shafts and shaft pins The characterization of shafts and shaft pins The sorting of shafts in accordance with their function and usage. 1) Bearing shafts they are the axes of rotation for rotary forces and they don t transfer any energy. They are mostly attached to the chassis of a machine and parts rotate on them, e.g. pulleys or drums. Other options is so-called axel, here a shaft with attached wheels rotates and doesn t transfer any torque. 2) Driving shaft they transfer rotation and torque thus the energy. The machinery parts are attached on them (a cogwheel, a belt pulley etc.), or join connective mechanisms. By means of their function, they have their names connective, drive, driven, countershaft axle and a pinion. Shaft pins: They are the parts of an shaft attached in bearings. Bearing shafts (axles) They fix the axles of rotation or the swinging parts of mechanisms or machines. The kinds of bearing shafts (axles): 1) Fixed 2) Rotary small fixed axles are called pins - short shafts are in some cases substituted by pins Pins: They connect the fixed part, e.g. a bearing stand with moving part, e.g. a hinge. When getting stuck of a pin or a hinge during running, a bearing sleeve is being used. Then it must be secured in a frame so as to be a reciprocal movement only in the area of a sleeve, Rotating shafts An rotating shaft with rotating parts (e.g. with wheel of a rail wagon or the drum of a machine washine) makes a fixed whole regardless the position of bearings. In case the axle of a rail wagon, two bearings are enough (for both wheels) put in fixed sleeves. [1] Picture: the axle of a rail wagon - 2 -
Hřídele a hřídelové čepy Charakteristika hřídelí a hřídelových čepů Rozdělení hřídelí dle funkce a použití: 1.) Nosné hřídele jsou osami rotace pro otočné díly a nepřenášejí žádnou energii. Jsou většinou pevně uchyceny k rámu stroje a otáčí se na nich součásti, např. kladky nebo bubny. Další možností je tzv. náprava, zde se hřídel s uchycenými koly otáčí a nepřenáší kroutící moment. 2.) Hybné hřídele - přenášejí točivý pohyb a točivý moment a tím i energii. Jsou na nich upevněny strojní součásti (ozubená kola, řemenice atd.), nebo spojují navazující mechanismy. Podle své funkce mají i názvy- spojovací, hnací, hnaná, předlohová a pastorek. Hřídelové čepy: Jsou části hřídele uložené v ložiscích. Nosné hřídele (osy) Nosné hřídele fixují osy otáčení nebo kývání částí mechanismů nebo strojů. Druhy nosných hřídelů (os): 1.) Pevné 2.) Otočné krátké hřídele v některých případech nahrazujeme čepy Čepy ( viz. ST) Spojují pevný díl, např. stojan ložiska s pohyblivým dílem, např. kloubovým závěsem. Hrozí-li nebezpečí zadření čepu nebo závěsu při pohybu, používá se ložiskové pouzdro. Pak musí být čep v rámu zajištěn, aby ke vzájemnému pohybu docházelo jen v oblasti pouzdra. Otočené hřídele: Otočná hřídel tvoří s otočnými díly (např. s koly železničního vagonu nebo bubnem automatické pračky) pevný a stabilní celek bez ohledu na polohu ložisek. V případě nápravy železničního vagonu stačí (pro obě kola) dvě ložiska uložená v pevných pouzdrech. [1] Obrázek 1: Náprava železničního vagonu - 3 -
Driving shaft They are driven by the engine, clutch, cogged, chain or belt gear. The kinds of driven shafts by means of their function: 1) Driving /2/ 2) Driven /2/ 3) Countershaft /2/ 4) Connecting 5) Pinion Strain, sizing, mounting Picture: The shaft of a two-speed electrotransmission Strain: driving shafts use to be strained by torsion and bend Sizing: the diameter of a shaft must be the one not to be exceeded allowable tension for chosen material in torsion and bend strain. Mounting: a driving shaft must is mostly mounted in two bearings which attach the radial and axial forces effecting on a shaft then on a gearbox. Long slim shafts, a crankshaft and a camshaft of combustion engines must be mounted in more than two bearings not to be caused sag and trembling. The grading of the diameter is done according to the inner diameters of corresponding units (clutches, washers, bearings and cogwheels and by means of assembling (putting onto a shaft) A shaft is notch strained in the position of the leap change, which decrease its durability. This adverse effect is possible to reduce by rounded crossings or punctures. [3] Picture: the end pin of a shaftof an auger - 4 -
Hybné hřídele Jsou poháněny motorem, spojkou, ozubeným, řetězovým nebo řemenovým převodem. Druhy hnacích hřídelů podle funkce: 1.) Hnací [2] 2.) Hnané[2] 3.) Předlohové[2] 4.) Spojovací 5.) Pastorek Obrázek 2: Hřídele dvoustupňové elektropřevodovky Namáhá, dimenzování, uložení Namáhání: hybné hřídele bývají namáhány krutem i ohybem. Dimenzování: průměr hřídele musí být takový, aby nebyla překročena přípustná napětí pro zvolený materiál při namáhání v krutu i ohybu. Uložení: hybný hřídel je většinou uložen ve dvou ložiscích, která zachycují radiální a axiální síly působící na hřídel, dále na skříň (např. převodovky) [5]. Dlouhé štíhlé hřídele, klikové a vačkové hřídele spalovacích motorů musí být uloženy ve více než dvou ložiscích, aby nedocházelo k průhybu a k vibracím. Odstupňování průměru se řídí podle vnitřních průměrů odpovídajících jednotek (spojek, těsnění, ložisek a ozubených kol) a podle pořadí montáže (nasouvání na hřídel). V místě skokové změn průměru je hřídel vrubově namáhán, což snižuje jeho trvanlivost. Tento nepříznivý jev lze omezit zaoblením přechodů nebo zápichů. [viz ST] [3] Obrázek 3: Koncový čep hřídele šnekového dopravníku - 5 -
The construction principles of shafts and shaft pins Used materiále The choice of material for shafts is mainly influenced by means of strain and demands on thermal and thermo-chemical processing. The notch vulnerability and the resistence against weariness belong to the further demands to the choice of material. There are mentioned the most often used material in the chart: Demands on a shaft Used material Examples of usage Static load prevail 11 500, 11 600 Electroengines, industrial chlutches Dynamic load prevail Steel for refining and surface hardening 12 060, 14 240, 16 240 Shafts of piston machines and machines-tools, harden shaft pistons, harden shafts for compressing joins The most loaded, high safety Steel for refining 16 440 aircraft engines, the shafts of large dimensions Permanent surface Steel for carburizing and hardening spline shafts and camshatfs 14 220, 16 220 The shapes of shafts, standardization Shafts are usually made as profiled, it means with many fits. The diameter gets smaller to shaft pins in proportion to the decreas of a bending moment. The diameter and the length of a shaft pin is chosen according to a bearing. The shafts with the large diameter is apropriate to make hollow because of the torsion τ K. The diameter gets smaller to the centre part of a shaft, the peripheral fibers bear the biggest load. The fibres in the centre of full of shafts have got no torsion tension. It is necessary to avoid mainly shapr edges at fits and transverse holes in profiled shafts. It is solved by rounding or cutting the edges. The diameter of rounding si chosen: R 0,1.d. Designing a shaft, it si necessary to account with the standardization of follow-up parts, it is the measurements of cylindrical ends of a shaft, grooves for keys and retaining rings, recesses and centering dimples. Everything is mentioned in a strona table. [4] Picture: the final shaft of a transmission - 6 -
Konstrukční zásady hřídelí a hřídelových čepů Používané materiály Volba materiálu pro hřídele je ovlivněna zejména způsobem zatížení a požadavky na tepelné a chemicko-tepelné zpracování. K dalším požadavkům s vlivem na volbu materiálu patří vrubová houževnatost a odolnost proti únavě. V tabulce jsou uvedeny nejčastěji používané materiály: Požadavky na hřídel Používané materiály Příklady použití 11 500, 11 600 Elektromotory, průmyslové převodovky - Převažující statické zatížení - Převažující dynamické zatížení - Nejvíce namáhané, vysoká bezpečnost Oceli pro zušlechťování a povrchové kalení 12 060, 14 240, 16 240 Oceli pro zušlechťování 16 440 - Trvalý povrch Oceli na cementování a kalení 14 220, 16 220 Hřídele pístových a obráběcích strojů, kalené hřídelové čepy, kalené povrchy hřídelí pro spoje nalisováním Letecké motory, hřídele velkých rozměrů Drážkové a vačkové hřídele Tvary hřídelí, normalizace Hřídele se zpravidla vyrábí jako tvarové, tj. s řadou osazení. Průměr se zmenšuje k hřídelovým čepům úměrně s poklesem ohybového momentu. Průměr a délka hřídelového čepu se volí podle ložiska. Hřídele velkých průměrů je vhodné vyrábět duté z důvodů průběhu napětí v krutu τ K. Napětí se směrem ke středu hřídele zmenšuje, největší zatížení nesou krajní vlákna. Vlákna ve středu plných hřídelů mají nulové napětí v krutu. U tvarových hřídelí je nutné se vyvarovat zejména ostrých hran u osazení a příčných děr. Řeší se zaoblením nebo sražením hran. Poloměr zaoblení se volí: R 0,1.d Při návrhu hřídele je nutné přihlédnout k normalizaci navazujících součástí, tj. rozměrům válcových konců hřídele, drážek pro pero a pojistných kroužků, zápichů a středících důlků. Vše je uvedeno ve ST. [4] Obrázek 4: Výstupní hřídel převodovky - 7 -
The toleration of measurements, surface roughness The chosen toleration for functional parts of a shaft: j6, m6, k6 For the cylindrical ends of shafts j6, k6 For bearings e8, f 7 For plain bearings with shaft rotation g6 h8 For plain bearing with adjustable non-rotating motion The width of a groove in a shaft for a close even repleacable pen The values are recommended for surface roughness: R A = 0,2 0,4 R A = 0,8 1,6 R A = 3,2 R A = 6,3 Under bearings and plain bearings The surfaces for joining a shaft with the hub of a pen Supporting front surfaces, the sides of groove for pens Non-functional surfaces of shafts Picture 5: The shafts of atypical conical shaft - 8 -
Tolerance rozměrů, drsnost povrchu Pro funkční části hřídele se volí tolerance: j6, m6, k6 Pro válcové konce hřídelí j6, k6 Pod valivá ložiska e8, f 7 Pod kluzná ložiska s rotací hřídele g6 Pod kluzná ložiska s posuvnými nerotačními pohyby h8 Šířka drážky v hřídeli pro těsné i výměnné pero Pro drsnosti povrchů jsou doporučené hodnoty: R A = 0,2 0,4 R A = 0,8 1,6 R A = 3,2 R A = 6,3 Pod kluzná i valivá ložiska Plochy pro spojení hřídele s nábojem pomocí pera Opěrné čelní plochy, boky drážek pro pera Nefunkční plochy hřídelí Obrázek 5: Hřídele atypické kuželové převodovky - 9 -