Spline dan Gerigi Poros - Ukuran dan aplikasi spline
Apa itu splines dan gerigi?
poros splines dan gerigi adalah ridge, atau kunci tipe gigi yang merupakan bagian integral dari poros yang menyatu dengan alur di hub kawin untuk mentransfer torsi dan gerakan rotasi. Misalnya, roda gigi bevel yang dipasang pada poros mungkin menggunakan spline poros jantan yang cocok dengan spline betina pada roda gigi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Meskipun poros splined terlihat seperti memiliki serangkaian alur pasak poros dengan kunci yang didorong masuk, splines jauh lebih kuat daripada sambungan berkunci karena alur pasak melemahkan poros dan mengurangi daya dukung torsi.
Aplikasi splines dan gerigi
Meski terlihat seperti roda gigi, Spline hanya digunakan untuk mentransmisikan torsi dan putaran pada sumbu yang sama. Mereka digunakan terutama untuk alasan berikut.
- Elemen transmisi mekanis seperti roda gigi dan puli mungkin perlu dilepas dari poros karena desain untuk pembuatan dan perakitan (DFMA) yaitu selama perakitan atau untuk membantu pembuatan.
- Gerakan aksial relatif dari elemen transmisi mekanis diperlukan untuk tujuan fungsional seperti pengurang kecepatan dan kopling.
- Diperlukan transfer torsi tinggi.
Sambungan spline yang baik memberikan transmisi torsi aman yang sangat tinggi, sedikit jarak bebas, reaksi balik minimum, pemusatan yang baik antara komponen yang digabungkan, kebisingan rendah, keausan rendah, dan gaya aksial kecil atau tidak sama sekali.
Keausan permukaan, korosi fretting, kerusakan gigi, dan kegagalan kelelahan adalah mode kegagalan paling umum yang terkait dengan sambungan spline.
Jenis Spline dan Gerigi
Istilah "spline" memberikan istilah umum untuk semua profil dan splines dapat dibagi menjadi tiga kelompok berikut berdasarkan bentuk sayapnya.
- Spline sisi paralel atau sisi lurus
- Libatkan spline
- Gigi
Spline dan gerigi juga dapat dikelompokkan sebagai spline tetap atau spline fleksibel tergantung pada gerakan aksial relatifnya. Fixed spline seperti namanya adalah sambungan yang tidak bergerak secara aksial seperti roda gigi, penarik, roda turbin dll.
Spline fleksibel meluncur secara aksial, terutama digunakan di antara kopling poros dan tidak membawa banyak torsi seperti sambungan spline tetap.
Spline sisi paralel atau sisi Lurus
Ini memiliki sisi gigi lurus dan paralel yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini dan sesuai dengan berbagai standar, jumlah gigi dapat bervariasi dari 4 hingga 12. Mereka dapat mengirimkan torsi yang lebih tinggi dibandingkan dengan splines dan gerigi involute karena ketebalan giginya yang besar dari minor ke mayor. diameter profil. Tapi mungkin gagal karena kelelahan karena konsentrasi stres di akar sayap.
Secara alami, ia tidak memiliki kemampuan centering karena sayap lurus, oleh karena itu memaksanya untuk mengandalkan diameter mayor dan minor yang pas untuk dapat mengatur centering. Karena permukaan sisi lurus, akan ada garis kontak dan kontak permukaan hanya akan ada setelah beberapa pemakaian.
Libatkan
Spline involute sangat umum dan sangat mirip dengan gigi involute internal dan eksternal. Mereka sebanding lebih kuat dari spline paralel karena faktor konsentrasi tegangan yang lebih rendah dan memiliki kualitas permukaan yang lebih baik. Spline tak beraturan dapat diproduksi dengan teknik pembuatan roda gigi dan memiliki kemampuan untuk memusatkan diri di bawah beban.
Spline involute dibuat dengan sudut tekanan 30
o
, 37,5 dan 45
o
dan dapat mencakup antara 60 dan 100 splines sesuai dengan Standar Nasional Amerika. Spline involute dapat berupa Side fit atau Diameter fit.
Serrations
Gerigi juga memiliki sisi lurus, tetapi miring seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Keuntungan terbesar dari gerigi adalah bahwa sisi sudut memusatkan poros dan hub menghasilkan spline pemusatan sendiri. Sudut panggul umumnya antara 50
o
dan 90
o
.
Kerugian utama dari gerigi adalah karena gigi yang relatif kecil sehingga hanya dapat digunakan untuk aplikasi torsi rendah. Ini hanya digunakan untuk aplikasi bergerak non-aksial. Seperti spline sisi lurus, akan ada kontak garis dan keausan.
Penghitungan kekuatan spline
Selama desain spline poros dan gerigi, tegangan berikut harus dipertimbangkan untuk mengevaluasi kesesuaian kekuatan sambungan spline.
- Tegangan geser poros spline
- Tegangan geser gigi spline
- Tekanan tekan gigi spline
Umumnya, diameter poros ditentukan oleh desain keseluruhan seperti pengaturan bantalan, seal, elemen, dll. Dalam hal itu, perhitungan kekuatan spline dapat digunakan dengan dua cara berikut
- Penghitungan tegangan dapat digunakan untuk mencari faktor keamanan dengan menghitung tegangan yang terlibat dan membandingkannya dengan tegangan yang diizinkan sesuai mode kegagalan.
- Dengan menggunakan faktor keamanan, sambungan spline dapat ditentukan dengan menggunakan panjang spline, jenis spline, jumlah spline dll.
Tegangan geser poros spline
| Tekanan poros padat | Tekanan poros berongga |
| \( S_s =\frac{16T}{\pi{D_{re}}^ {3}} \) | \( S_s =\frac{16T{D_{re}}}{\pi ({D_{re}}^4-D_h^4)} \) |
| Di mana |
| \(S_s\) | Tegangan geser |
| \({D_{re}}\) | Diameter spline |
| \(T\) | Torsi
|
| \({D_{h}}\) | Diameter lubang poros berongga |
[tabel “” tidak ditemukan /]
Tegangan yang dihitung menggunakan persamaan di atas tidak boleh melebihi tegangan izin (\(S^a\)) dari material spline dan dapat ditunjukkan sebagai berikut
\(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\)
Biasanya, faktor keamanan dihitung menggunakan tegangan ijin untuk berbagai bahan menggunakan persamaan berikut
| Tegangan poros yang diizinkan |
| \(S^a_s ={N_{sf}}S_s \frac{{K_{ a}}}{{L_{f}}}\) | \(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) |
| Di mana |
| \(S_s\) | Tegangan geser |
| \(S^a_{s}\) | Tegangan geser yang diijinkan |
| \(T\) | Torsi
|
| \({L_{f}}\) | Faktor kehidupan |
| \({N_{sf}}\) | Faktor keamanan |
| \({K_{a}}\) | Faktor aplikasi |
Tegangan geser gigi spline
| Tegangan geser pada gigi spline |
| \(S_s =\frac{4T{K_{m}} }{DN{F_{e}}{t_{e}}}\) |
| \(S_s\) | Tegangan geser yang diinduksi pada duri |
| \(D\) | Diameter nada |
| \(T\) | Torsi
|
| \({K_{m}}\) | Faktor distribusi beban |
| \({F_{e}}\) | Lebar wajah yang efektif |
| \({t_{e}}\) | Tebal akord pada garis nada ( kira-kira sama dengan D/2N) |
| \(N\) | Jumlah gigi spline |
Tegangan tekan gigi spline
| Tekanan tekan pada gigi spline |
| \( S_c =\frac{2T{K_{m}} }{DN{F_{e}h}} \) |
| \(S_c\) | Tekanan tekan |
| \({K_{m}}\) | Faktor distribusi beban |
| \(T\) | Torsi
|
| \({F_{e}}\) | Lebar wajah yang efektif |
| \(h\) | Tinggi radial gigi yang berkontak |
Sekali lagi mirip dengan tegangan geser, tegangan tekan yang dihitung harus dibandingkan dengan tegangan tekan yang diijinkan dan tidak boleh melebihi mereka untuk menghindari kegagalan.
\(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) – Spline fleksibel
\(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) – Memperbaiki spline
| Tegangan poros yang diizinkan |
| Spline fleksibel | Spline Tetap |
| \(S^a_c ={N_{sf}}S_c \frac{{K_{a}}}{{L_{w} }}\) | \(S^a_c ={N_{sf}}S_c \frac{{K_{a}}}{{9L_{f}}}\) |
| Di mana |
| \(S_s\) | Tegangan geser |
| \({S^a_{s}}\) | Tegangan geser yang diijinkan |
| \(T\) | Torsi
|
| \({L_{f}}\) | Faktor kehidupan |
| \({N_{sf}}\) | Faktor keamanan |
| \({K_{a}}\) | Faktor aplikasi |
Faktor stres spline
Tegangan yang diizinkan
Hubungan antara tegangan ijin dan kekuatan luluh minimum yang ditentukan sesuai dengan kode AISC.
| Tekanan yang diizinkan vs Kekuatan hasil |
| Tegangan tarik yang diizinkan | \({0.45}S_{y}\leq S^a_{t}\leq {0.6}S_{y}\) |
| Tegangan geser yang diizinkan (\({S^a_{s}}\)) | \(S^a_{s}=0.4S_{y }\) |
| Tegangan tekan/bantalan yang diizinkan (\({S^a_{c}}\)) | \(0.45S_{y}\leq S^a_{c} \leq 0.6S_{y}\) |
| Tegangan lentur yang diizinkan (\({S^a{b}}\)) | \(0.6S_{y} \leq S^a_{b} \leq 0.75S_{y} \) |
| Di mana |
| \({S_{y}}\) | Kekuatan luluh material |
Faktor distribusi beban untuk splines Km
Beban terdistribusi secara merata jika beban pemindah adalah torsi radial murni dan beban radial torsional berada di tengah-tengah panjang spline. Tetapi jika misalnya, roda gigi bevel digunakan, ini akan menempatkan beberapa beban aksial yang tidak diinginkan ke dalam spline.
Ketidaksejajaran kopling spline telah diketahui berbahaya bagi spline karena menyebabkan konsentrasi beban yang signifikan pada gigi spline, dan mempercepat keausan dan kelelahan splines.
| Faktor distribusi beban untuk splines Km |
| Lebar muka efektif (Fe) |
| Misalignment | ½-in. (12,7 mm) | 1-in. (25,4 mm) | 2-in. (50,8 mm) | 4-in. (101.6) |
0,001 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 1 | 1 | 1 |
0,002 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 1 | 1 | 2 |
0,004 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 1 | 2 | 2 |
0,008 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 2 | 2 | 3 |
Dua makalah berikut membahas faktor distribusi beban dan bagaimana hal itu dapat mempengaruhi umur sambungan spline.
- https://www.geartechnology.com/issues/0514x/spline-joints.pdf
- https://www.powertransmission.com/issues/0214/spline-couplings.pdf
Faktor umur kelelahan untuk splines- Lf
| Jumlah siklus torsi | Faktor Umur Kelelahan, Lf |
| Searah | Sepenuhnya - terbalik |
| 1.000 | 1.8 | 1.8 |
| 10.000 | 1.0 | 1.0 |
| 100.000 | 0,5 | 0.4 |
| 1.000.000 | 0.4 | 0.3 |
| 10.000.000 | 0,3 | 0.2 |
Faktor aplikasi spline – Ka
Jika ada beban kejut aksial atau radial pada elemen yang disambungkan, maka harus diperhatikan untuk menopang beban kejut aksial dan radial eksternal untuk meningkatkan umur sambungan. Ini juga harus dipertimbangkan selama perhitungan menggunakan faktor aplikasi spline .
Faktor aplikasi mengkompensasi ketidakpastian dalam beban dan dampak, di mana jika semuanya mulus dan seragam maka Ka sama dengan 1.
Kategori sumber input
(Input atau mesin penggerak) | Jenis Muatan |
| Seragam | Kejutan ringan | Kejutan Intermiten | guncangan berat |
| Generator, Kipas | Pompa berosilasi | Aktuator | Press, Shears |
| Seragam (Turbin, Motor) | 1 | 1.2 | 1.5 | 1.8 |
| shock ringan, (Motor Hidrolik) | 1.2 | 1.3 | 1.8 | 2.1 |
| Kejutan sedang, (Mesin pembakaran dalam | 2 | 2.2 | 2.4 | 2.8 |
Tabel 1 Faktor Aplikasi Spline (Ka)
Faktor umur pakai untuk splines Lw
Faktor umur spline dalam kondisi keausan didasarkan pada jumlah putaran sambungan spline, bukan siklus reversibel. Faktor masa pakai keausan hanya berlaku untuk perhitungan tegangan tekan spline fleksibel atau geser karena setiap kali spline meluncur maju mundur maka gigi akan aus.
| Jumlah putaran spline | Faktor masa pakai untuk splines (Lw ) |
| 10.000 | 4 |
| 100.000 | 2.8 |
| 1.000.000 | 2 |
| 10.000.000 | 1.4 |
| 100.000.000 | 1 |
| 1.000.000.000 | 0,7 |
| 10.000.000.000 | 0,5 |
#Tips desain produk Spline tetap dapat membawa 9 kali lebih banyak tekanan tekan daripada spline fleksibel
Standar
- Masyarakat Teknik Otomotif standar splines sisi paralel SAE J 499-2014
- Standar Amerika untuk profil spline involute dan sisi lurus ANSI B92.1
- IS 2610 – spline sisi lurus transmisi daya untuk dimensi peralatan mesin
- IS 3665 – Dimensi untuk spline sisi tak beraturan
- IS 2327 – Spline sisi lurus untuk poros silinder
- BS 2059 Spline dan gerigi sisi lurus
- DIN 5463 – sambungan poros spline dengan sisi lurus; seri sedang
- DIN 5480 – Melibatkan spline berdasarkan diameter referensi
- Beberapa standar lain – standar DIN 5480, DIN 5481, DIN 5482, ISO 4156, E22-141, E22-145, ANSI dan SAE
Referensi dan bacaan yang direkomendasikan
- Dudley, D.W. (n.d.). Saat splines membutuhkan pengendalian stres.
- Oberg, E., Jones, F. D., Horton, H. L., &Ryffel, H. H. (2016). Buku panduan mesin .
- Lingaiah, K. (2007). Buku data desain mesin . (Lingaiah, K.:Buku data desain mesin.) Norwich, NY:Knovel.
- Bhandari, V.B. (2017). Desain elemen mesin . New Delhi:McGraw-Hill Education (India).
- Lembaga Standar Inggris. 2059 (1953). Bentuk dan gerigi sisi lurus . London:B.S.I.
