As Sleutels & Sleutelgaten: Typen en Toepassingen in Mechanische Verbindingen

Wat is een sleutel & sleutelgat?

Een sleutel en het sleutelgat vormen samen een sleutelverbinding om de naaf en de as te bevestigen en relatieve beweging tussen een krachtoverdrachtende as en een bevestigd onderdeel te voorkomen. Bijvoorbeeld: tandwielaandrijvingen, riemschijven of kettenwielen worden veilig met sleutels aan de krachtoverdrachtende as verbonden (Figuur 1).

Sleutelverbindingen zijn een belangrijk onderdeel van mechanische krachtoverdracht elementen as en koppelingen, waar ze ervoor zorgen dat de verbinding de belasting, kracht en rotatie zonder glijden en binnen de nauwkeurigheidsvereisten van het ontwerp overdraagt.

Een sleutel is meestal gemaakt van staal en wordt tussen de as en de naaf van het onderdeel in axiale richting geplaatst of gemonteerd om relatieve beweging te voorkomen. Een sleutelzadel is een uitsparing in de as en het sleutelgat is de uitsparing in de naaf om de sleutel te ontvangen en het onderdeel zo veilig te vergrendelen. Over het algemeen wordt de term sleutelzadel zelden gebruikt omdat in de industrie sleutelgat voor beide uitspattingen wordt gebruikt (Figuur 2).

As- en naafsleutelgaten worden vaak gesneden op sleutelzadelmachines, maar kunnen ook gemaakt worden met broeien, frezen, slepen, stoten of EDM.

Bevestigingselementen zoals splines, flexibele koppelingen, getapte verbindingen etc. worden ook gebruikt. Bij zeer lage krachtoverdracht kunnen zetschroeven en pennen ook gebruikt worden. Als zetschroeven of in sommige gevallen sleutelverbindingen gebruikt worden, moet er een methode voor axiale begrenzing zijn zoals circlips en borgsmoeren.

Voordelen & Nadelen van Sleutelverbindingen

Er zijn verschillende voor- en nadelen van het gebruik van assleutels, dus er moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de fijne details van het ontwerp om de geschiktheid van de sleutelverbinding te evalueren.

Voordelen van assleutels & sleutelverbinding

• Lage fabricagekosten
• Goed gestandaardiseerd (ISO, BS, DIN en ANSI)
• Middel tot hoge koppeloverdracht
• Eenvoudig monteren en demonteren, dus herbruikbaar

Nadelen van assleutels & sleutelverbinding

• Niet geschikt voor wisselende richtingsbelasting en schokken
• Mogelijke axiale verplaatsing van de naaf tenzij vergrendeld met een extra onderdeel zoals een zetschroef of borgring
• Na verloop van tijd kan de sleutelverbinding erg moeilijk te demonteren worden
• Sleutelgaten introduceren spanningspunten door kerbeffect en verzwakken de as
• Introduceert as-onwucht
• Moeilijk om de belastingbaarheid en tolerantie-opstapelanalyse te berekenen en te combineren, daarom worden sleutelverbindingen overgedimensioneerd
• Om axiale kracht over te dragen, is een stopvergrendeling nodig

Typen Sleutels

Assleutels komen in een grote verscheidenheid aan typen en vormen en kunnen worden ingedeeld in de volgende vier categorieën met subcategorieën (Figuur 3):

1. Ingezakte sleutels (Sunk Keys)
   • Rechthoekige & vierkante sleutels
   • Parallele sleutels
   • Gib-kop sleutels
   • Veersleutel (glijende play met sleutels)
   • Woodruff-sleutel
2. Zadelsleutels (Saddle Keys)
   • Platte & holle zadelsleutels
3. Tangentiële sleutels (Tangent Keys)
4. Ronde/Cirkelvormige sleutels (Round/Circular Keys)

Van de bovenstaande typen worden de parallele vierkante sleutel en de Woodruff-sleutel waarschijnlijk het meest gebruikt vanwege hun gemak van gebruik en kosten.

Dubbele sleutel – Vanwege fabricagetoleranties en om dubbele passingen te vermijden, wordt meestal slechts één parallele sleutel gebruikt, maar dubbele sleutels worden soms gebruikt voor zeer hoge incidentele belasting. Dit moet alleen overwogen worden als het materiaal duktil is. Voor deze gevallen moeten berekeningen gebaseerd zijn op anderhalf parallele sleutel.

Ingezakte Sleutels (Sunk Keys)

Ingezakte sleutels zijn voor de helft van hun dikte in de as ingezakt, waarbij de meting aan de zijde van de sleutel wordt genomen. Niet langs de middelijn door de as (Figuur 4 & 5).

Rechthoekige/Vierkante Sleutels

Rechthoekige sleutels zijn zoals getoond breder dan hun hoogte en worden soms platte sleutels genoemd. Deze worden gebruikt op assen tot ongeveer 500 mm of 20" in diameter. De extra sleutelbreedte stelt het in staat om groter koppel over te dragen zonder de diepte te vergroten. Een toename van de diepte betekent een zwakkere as door vermindering van het effectieve as-dwarsdoorsnede-oppervlak.

Vierkante sleutels hebben, zoals de naam suggereert, een vierkante dwarsdoorsnede en worden doorgaans gespecificeerd voor assen tot ongeveer 25 mm of 1". Ze kunnen voor grotere assen gebruikt worden wanneer een diepere sleuteldiepte gewenst is vergeleken met rechthoekige sleutels. Een toename van de diepte betekent een zwakkere as door vermindering van het effectieve as-dwarsdoorsnede-oppervlak.

Vierkante en rechthoekige sleutels kunnen een tap van 1 op 100 hebben langs de lengte van de sleutel zoals getoond in figuur 6.

Parallele Ingezakte Sleutels

Parallele ingezakte sleutels kunnen een rechthoekige of vierkante dwarsdoorsnede hebben, maar zonder de tap. Deze sleutels zijn goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar. Het is een van de makkelijkste om te installeren. Maar de sleutels moeten ideaal worden vastgehouden door een zetschroef door de naaf. Want trillingen of omkeer van de draairichting duwen de sleutel vaak naar buiten.

Deze sleutels worden doorgaans strak aan de bodem van het as-sleutelgat en de zijkanten van de sleutelverbinding gemonteerd, met een play aan de bovenkant van het naaf-sleutelgat.

Gib-kop Ingezakte Sleutels

Een Gib-kop op ingezakte sleutels wordt toegevoegd om demontage te vergemakkelijken. Zoals getoond in figuur 8, zijn Gib-kop ingezakte sleutels doorgaans rechthoekige of vierkante sleutels met een tap op het bovenoppervlak om een strakke pasvorm te garanderen.

Veersleutels (Feather Keys)

Veersleutels zijn bevestigd aan de as of de naaf om relatieve axiale beweging toe te staan. Zoals in de afbeelding te zien is, zijn er drie hoofdtypen veersleutels: Dubbelkop, Pen veer en Veersleutel. Dit maakt krachtoverdracht mogelijk tussen de as en naaf met hun parallelle tegenoverliggende vlakken, en tegelijkertijd staat het glijden toe.

Woodruff-sleutels

De Woodruff-sleutel is een halfronde schijf die past in een cirkelvormige uitsparing in de as, gefreesd met een Woodruff-sleutelgatfrees. Deze Woodruff-sleutels worden voornamelijk gebruikt in werktuigen en automobile assen van ¼" tot 2½" (6 mm tot 60 mm) in diameter. Woodruff-sleutels kunnen niet dezelfde belasting dragen als lange parallele sleutels.

Het voordeel van de Woodruff-sleutel is dat deze in staat is om elke tap in het naaf-sleutelgat te accommoderen, het is 'captive' en de diepte voorkomt dat de sleutel omkeert.

De nadelen of tekortkomingen van Woodruff-sleutels zijn dat de diepte van het sleutelgat de as verzwakt, deze niet als veersleutel gebruikt kunnen zijn, moeilijk te installeren zijn en kort zijn en niet te veel belasting kunnen dragen.

Zadelsleutels (Saddle Keys)

In vergelijking met ingezakte sleutels, zijn zadelsleutels niet in de as en naaf ingezakt, maar alleen in de naaf. Ze rusten op een vlakke of de omtrek van de as. Krachtoverdracht wordt bereikt door wrijving tussen de as en de sleutel. Zoals in de onderstaande figuur getoond, kunnen zadelsleutels worden onderverdeeld in platte zadel en holle zadelsleutels en zijn alleen geschikt voor lichte belasting om glijden langs de as te voorkomen.

Een platte zadelsleutel is getapt aan de bovenkant en plat aan de onderkant zoals getoond in figuur 13. De sleutel past in een getapte naaf-sleutelgat en drukt op het platte vlak van de as.

Een holle zadelsleutel is getapt aan de bovenkant en gebogen aan de onderkant zoals getoond in figuur 14. De sleutel past in een getapte naaf-sleutelgat en wordt op de gebogen omtreksoppervlakte van de as gedrukt.

Tangentiële Sleutels (Tangent Keys)

De tangentiële sleutels of soms Tangential Keys genoemd, worden als een paar onder rechte hoeken gemonteerd zoals getoond in figuur 15, waarbij elke sleutel torsie in slechts één richting weerstaat. Deze worden gebruikt in grote zware zwaarbeeringsassen.

Ronde / Cirkelvormige Sleutels

De ronde sleutels zijn cirkelvormig in dwarsdoorsnede en passen in gaten die deels in de as en deels in de naaf geboord zijn. Ze hebben het voordeel van eenvoudige fabricage omdat hun sleutelgaten na assemblage van de paarende delen geboord en gereamd kunnen worden. Ronde sleutels worden meestal als meest geschikt beschouwd voor lage vermogenaandrijvingen.

Sleutelgat-ontwerp en Sleutel-dimensie

Assleutelselectie is cruciaal om vroege uitval van sleutelverbindingen te voorkomen. Lees "Assleutel selectie & assleutelgat ontwerpgids" om te begrijpen hoe u zowel afschuif- als drukspanningen op assleutel kunt berekenen. Het artikel bespreekt ook kritieke factoren zoals sleutelmateriaal, belastingtype, juiste pasvorm etc. die tijdens de embodiment-ontwerpfase van de sleutelverbinding in overweging genomen moeten worden.

Standaarden & Specificaties

Raadpleeg getabuleerde afmetingen en toleranties van metrische sleutelgaten voor parallele sleutels en Woodruff-sleutels volgens BS 4235-1:1972. Naast sleutelgrootte-toleranties en sleutelgatedieptemaat, geven sommige standaarden ook informatie over de aanbevolen sleutelgrootte, sleutelgatediepte als functie van asdiameter:

• Aanbevelingen voor sleutelgrootte, lengte en sleutelgatediepte als functie van asdiameter zijn beschikbaar in ASME Standaarden B17.1-1967, ASME standaard B17.2-1967
• Specificatie voor metrische sleutels en sleutelgaten – Parallele en getapte sleutels BS 4235-1:1972
• Matching Woodruff-sleutel aan asdiameter is ook gespecificeerd in DIN 6888
• Tangentiële sleutels en tangentiële sleutelgaten voor wisselende schokbelasting specificatie DIN 268:1974
• Tangentiële sleutels en tangentiële sleutelgaten voor constante belasting specificatie DIN 271:1974

Referenties

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (n.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.