Uitgebreide Gids voor As-Sleutelgat Ontwerp en Sleutel-dimensie: Berekeningen, Selectie en Standaarden

As-sleutel selectie is cruciaal om vroege uitval van sleutelverbindingen te voorkomen. As-sleutelgat en sleutels worden gebruikt om koppel van assen over te dragen naar mechanische transmissie-elementen zoals tandwielen, riemschijven, etc. met behulp van een sleutelverbinding. Ze kunnen gemaakt worden met behulp van standaard voorraadmateriaal zoals sleutelstaf of op maat gefreesd om de toepassing te passen.

Over het algemeen wordt de nominale asdiameter gebruikt om de sleutelgrootte te specificeren volgens diverse standaarden zoals BS4235 en de breed beschikbare rechthoekige sleutel wordt voor de meeste toepassingen gebruikt. Op deze manier is een sleutelverbinding overgedimensioneerd om alle belasting te weerstaan en de standaarden specificeren geen sleutelmateriaal of de verbindingsbeperkingen. Maar zorgvuldigheid moet worden betracht aangezien soms zelfs de grootste sleutel faalt door onvoorziene miscalculatie, niet te noemen dat langere of grotere sleutel de as ook verzwakt.

Aannemende dat de asgrootte en het element zijn ontworpen om te passen bij het koppel en buigsterkte, is het waarborgen dat de geselecteerde sleutel aan die specificatie voldoet cruciaal voor veilige mechanische transmissie. Soms wordt de as-sleutel geselecteerd om bij een limiet te falen ter bescherming van de as, het tandwiel en andere elementen. In dit geval werkt de sleutelverbinding als een opofferende zekering.

As-sleutel Selectiecriteria

Laten we dieper ingaan op de belangrijke selectiecriteria die overwogen moeten worden bij het kiezen van een sleutelverbinding. De volgende 8 kritieke factoren moeten overwogen worden tijdens het ontwerp en de selectie van een as-sleutel.

Het sleuteltype of het verbindingstype wordt doorgaans gekozen tijdens de late conceptuele fase of vroege embodiment-ontwerpfase van het productontwerp. Maar tijdens de ontwerpconfiguratie of de gedetailleerde ontwerpfases van het productontwerp, moet de sleutelverbinding geëvalueerd worden op afschuif- en drukspanningsfalend.

Sleutel Typen

Er zijn vier hoofdcategorieën van as-sleutels beschikbaar, namelijk ingezakte sleutel, zadelsleutel, tangentiële sleutel, en ronde sleutels. Elk heeft verschillende kenmerken en belastingdraagcapaciteiten; daarom moet de juiste as-sleutel geselecteerd worden voor de toepassing op basis van zijn kenmerken en voordelen.

#productontwerptips

• Soms wordt de asdiameter gedicteerd door andere elementen zoals buigweerstand, lagerinstallatie, etc. In dat geval kan de sleutel kleiner gedimensioneerd worden om het koppel te passen in plaats van de asdiameter.

Sleutel Materiaal

Typisch worden as-sleutels gemaakt van medium koolstofstaal of roestvrij staal. Maar ze kunnen gemaakt worden uit veel verschillende typen materiaal zoals aluminiumlegering, brons, koper, en messing om te passen bij verschillende toepassingsomgevingen. Bijvoorbeeld: messing of brons sleutels voor mariene schroefassen en roestvrij staal kwaliteit voor gebruik in voedingsmiddelenapparatuur.

Over het algemeen wordt sleutelstaal geleverd volgens BS46 en BS4235 en is een niet-gelegeerd medium koolstofstaal met redelijke trekkracht. Niet-gelegeerde medium koolstofstalen met koolstofgehalte variërend van 0,25% tot 0,60% worden gebruikt vanwege hun ideale combinatie van sterkte, zwaarte en goede bewerkbaarheidskenmerken. De volgende tabel geeft een lijst van enkele gangbare as-sleutelmaterialen met hun Uitrekkingssterkte (UTS).

Over het algemeen worden tijdens berekeningen toelaatbare druk- en afschuifsterkte berekend uit UTS met een geschikte veiligheidsfactor en faaltheorieën zoals de maximum afschuifspanningstheorie.

#productontwerptips

• De populairste staalkwaliteit is AISI 1045 (equivalent C45, EN8, 080M40), die gehardeerd kan worden door het materiaal te verwarmen tot ongeveer 820-850°C (1508-1562°F) om de UTS te verhogen.
• Zorg dat galvanische corrosie overwogen wordt als u andere materialen gebruikt.
• Sleutels geproduceerd volgens Britse standaarden moeten vervaardigd worden uit staal dat voldoet aan BS 970 met een trekkracht van niet minder dan 550 MN/m².

Belastingtype

Soms treden vroege uitvallen op zelfs wanneer de as-sleutel overgedimensioneerd is voor het maximale overgedragen koppel. Dit is te wijten aan onvoorziene belastingtypen zoals schok, impact of kracht geïnduceerd door tweerichtingsrotatie. Variabele-snelheidsmotoren zien ook belastingsschommelingen tijdens hun versnellings- en vertragingsfasen waarin de krachten op de sleutel veranderen.

Hoewel de meeste sleutels niet geschikt zijn voor wisselende richtingsbelasting (rotatierichting verandert van CW naar CCW of vice versa), worden sleutelgaten nog steeds in dergelijke toepassingen gebruikt. Als de richting niet frequent verandert, kan het sleutelgat veilig gebruikt worden, maar zorgvuldige overweging moet gegeven worden aan vermoeidheidsbelasting en versnellingskoppels.

\(T_m = (T_L + T_a) \)

\(T_a = JA\)

• \(T_m \) – Totale vereiste koppel
• \(T_L \) – Belastingkoppel
• \(T_a \) – Versnellingskoppel
• \(J \) – Traagheidsmoment
• \(A \) – Versnellingsgraad

Als er axiale of radiale schokbelasting is op het element dat verbonden wordt, dan moet er zorgvuldigheid worden betracht om de externe axiale en radiale schokbelasting te ondersteunen. Dit om te garanderen dat de sleutel alleen de koppel in de rotatierichting overdraagt.

#productontwerptips

• • Plaats het sleutelgat in lijn met de radiale kracht die op het element werkt.
  • De meeste sleutels zijn niet geschikt voor wisselende richtingsbelasting en schokken.

Juiste Pasvorm

Het is vitaal om de juiste pasvorm te hebben tussen het as-sleutelgat, de sleutel en het naaf-sleutelgat. Standaarden zoals BS 46, ANSI B17.1-1967 of JIS B 1301-1996 specificeren groottes en toleranties van de sleutels en sleutelgaten.

Over het algemeen zijn er twee klassen van voorraad beschikbaar voor ingezakte sleutels, voornamelijk parallele sleutels. Alle standaarden erkennen dit en specificeren toleranties voor sleutelgat zodat men twee tot vier klassen van passingen kan hebben.

De vier klassen van pasvorm die in deze standaard behandeld worden, zijn bedoeld om variërende eisen te voldoen als volgt:

Vrije/Play pasvorm – Dit is een relatief vrije pasvorm waar de naaf over de sleutel moet glijden tijdens gebruik en alleen van toepassing is op parallele sleutels. (Met staafvoorraad sleutels en sleutelzadel-toleranties)

Normale/Zijde pasvorm – Dit is een relatief strakke pasvorm waar de sleutel in het sleutelgat geïnsereerd moet worden met minimale aanpassing, zoals vereist voor massaproductie-montage.

Dichte pasvorm – Waar een nauwkeurige pasvorm van de sleutel vereist is. In deze klasse is aanpassing vereist onder maximum materiaalomstandigheden, en als dit vereist is om deze condities te bereiken, kan selectie van componenten noodzakelijk zijn.

Interferentie pasvorm – waar een pasvorm vereist is zodanig dat er geen mogelijkheid van play is tussen de sleutel en het sleutelgat in de as en naaf. In deze klasse van pasvorm is handmatige aanpassing noodzakelijk.

Sleutels & sleutelgaten specificatie

De pasvorm zal de levensduur van het sleutelgat beïnvloeden en de volgende factor moet overwogen worden tijdens de berekening. Fretting-corrosie door draaiende buiging en/of torsionele oscillatie is bewezen in tal van uithoudingstesten en is meestal de cruciale factor die leidt tot uitval van de as-naaf-verbinding.

Vermoeiding & Levensduur Veiligheidsfactor

Net als elke andere mechanische berekening, is de veiligheidsfactor een sleutelelement van het berekenen, specificeren en ontwerpen van een sleutelverbinding in mechanische krachtoverdracht. De relatie tussen toelaatbare spanning en gespecificeerde minimum strekkracht volgens AISC-code is:

Trekspanning – \(0.45Sy < Sa < 0.6Sy \)

Afschuifspanning – \(τ_s = 0.4Sy \)

Laag/Drukspanning – \(Sa = 0.9Sy \)

Buigspanning – \(0.6Sy < Sa < 0.75 Sy \)

As Torsionele Sterkte

Het is belangrijk te onthouden dat elk sleutelgat de as' torsionele sterkte vermindert door spanningsconcentratie in de sleutelgathoeken en een vermindering van het dwarsdoorsnede-oppervlak van de as. Hoewel aangenomen wordt dat de sterkte van een massieve as met 75% verminderd is, kan het theoretisch berekend worden met de vergelijking van H. F. Moore voor de as-sterktefactor. Het is de verhouding van de sterkte van de as, met en zonder het sleutelgat.

\(e =1–0.2(w/d)–1.1(h/d)\)

\(e\) – As-sterktefactor

\(w\) – Sleutelgatbreedte

\(d\) – Asdiameter

\(h\) – Sleutelgatdiepte (= Sleuteldikte (t)/2)

Vermoeidheidsspanningsconcentratiefactor \(K_ft\) voor sleutelgaten zoals getoond in de onderstaande figuur voor de gangbare sleutelgattypen van Sled-runner (a) en Profiel sleutelgat of eindgefreesd (b).

• Sled-runner – 1,44
• Profiel sleutelgat of eindgefreesd – 1,68

As-sleutel Falen

De potentiële sleutelverbindinguitval omvat uitleving, duktiele breuk, vermoeiding en fretting-vermoeiding van de sleutel of het as-sleutelgat. Het is vaak voordelig om de sleutelverbinding te dimensioneren zodat deze zichzelf opoffert en door duktiele breuk afschuift bij koppeloverbelasting. De sleutel gebruiken als een goedkope zekering om dure machine-elementen te beschermen.

Sleutel Dimensie

Er zijn twee typen krachten die op de sleutel werken door installatie en krachtoverdracht. De druk kracht (f1) geïnduceerd door de strakke pasvorm van de sleutel is erg moeilijk te bepalen en als de juiste toleranties gebruikt worden volgens de standaarden, dan is dit vergelijkbaar minder.

Kracht F wordt geïnduceerd aan de zijkant van de sleutel zoals getoond door het overgedragen koppel en produceert zowel afschuif- als drukspanningen. Resulterend in de volgende twee typen falenmechanica.

• Afschuiffalen
• Druk laagkrachten

De druk laagspanning op het contactvlak

\(S_c= 4T/dhl\)

Gemiddelde afschuifspanning over het afschuifvlak wordt berekend

\( τ_s= 2T/dwl \)

Waar

• \(T\) – Koppel
• \(d \)– asdiameter
• \(w\) – sleutelbreedte
• \(l\) – Sleutellengte
• \(τ_s\)– Gemiddelde afschuifspanning
• \(S_c\) – Druk laagspanning

De vereiste sleutellengte kan verkregen worden met behulp van de maximum afschuifspanningstheorie of door de gemiddelde spanning gelijk te stellen aan de toelaatbare afschuifspanning.

Het ontwerp toelaatbare koppel kan berekend worden uit de bovenstaande vergelijking.

\( T_k \) = \(τ_sdwl/2\)

Waar \(τ_s\) is ontwerp toelaatbare afschuifspanning voor de toepasselijke falenmodus. Uit as-ontwerp kan het ontwerp toelaatbare koppel gevonden worden met de volgende formule

\(T_s = πd^3 τ_d/16 K_f\)

Als de sleutel geselecteerd wordt om dezelfde ontwerp toelaatbare spanning als de as te hebben, dan kan de lengte van de sleutel gevonden worden met de volgende formule

\( T_k = T_s \)

\( L_e = π d^2 / 8wK_f\)

Waar

• \(T_k\) – Toelaatbare koppel voor sleutel
• \(T_s \)– Toelaatbare koppel voor as
• \(L_e\) – Effectieve sleutellengte
• \(K_f \)– Vermoeidheidsspanningsconcentratiefactor

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.