Зажимные ступицы

Способы передачи крутящего момента

Задумывались ли вы, как большинство двигателей передают вращение на рабочие органы машин? Почти все они создают вращательное движение. Поэтому в инженерной практике часто возникает задача передачи крутящего момента от выходного вала на элементы приводов — шкивы, звёздочки и другие.

Различают два основных способа:

• ★ Жёсткий — крутящий момент передаётся жёсткими элементами, работающими на срез, изгиб или смятие;
• ★ Фрикционный — силами трения на цилиндрических, конических или торцовых поверхностях вала.

Главные виды жёстких соединений: шпоночные, шлицевые, профильные, штифтовые и фланцевые. К фрикционным относятся соединения с натягом, конусные, клеммовые и с зажимными кольцами. Эти виды широко распространены и описаны в технической литературе.

Что такое зажимные ступицы

Предметом рассмотрения в этой статье будут фрикционные винтовые затяжные ступицы и гидравлические зажимные ступицы — дальнейшее развитие зажимных колец. Такая ступица с помощью сил трения передаёт крутящий момент с гладкого цилиндрического вала на приводимый элемент с гладким цилиндрическим отверстием.

Поставляются зажимные ступицы готовым блоком. Применяются для передачи крутящего момента:

1. → С вала на шкив в ременных передачах;
2. → С вала на звёздочку в цепных передачах;
3. → На зубчатое колесо;
4. → На барабаны ленточных конвейеров;
5. → Для фиксации кривошипов;
6. → Соединения валов (выполняют роль жёсткой муфты).

Поскольку зубчатые, ременные и цепные передачи имеют широкое распространение в машиностроении, зажимные ступицы можно встретить в самых разных машинах.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество зажимных ступиц — возможность бесступенчатой регулировки осевого положения приводимого элемента. Но это не всё.

К другим достоинствам следует отнести:

• ☑️ Снижение стоимости изготовления валов и шкивов;
• ☑️ Увеличение прочности вала — сечение не ослабляется шпоночным пазом или шлицами;
• ☑️ Соединение нечувствительно к динамическим и вибрационным нагрузкам;
• ☑️ Сравнительная простота сборки с использованием стандартных инструментов;
• ☑️ Механизм защищён от превышения крутящего момента проскальзыванием по валу.

Недостатки зажимных ступиц:

• ✖️ Сравнительно высокие требования к культуре сборки агрегата;
• ✖️ Возможное увеличение стоимости привода в целом (определяется индивидуально).

Винтовые зажимные ступицы

Винтовая зажимная ступица состоит из наружного кольца, внутреннего кольца и затяжных винтов. Кольца сопрягаются по коническим поверхностям и имеют разрез. При затягивании винтов внутреннее и наружное кольца надвигаются одно на другое.

При этом наружное кольцо растягивается и плотно прижимается к ступице, а внутреннее сжимается и плотно прижимается к валу. Вследствие этого на поверхности вала и отверстия возникает натяг, и соединение способно передавать крутящий момент силами трения на трёх поверхностях. Момент затяжки винтов нормируется производителем. Для демонтажа предусмотрены резьбовые отверстия.

Требования к посадочной поверхности валов и отверстий сравнительно невысоки. Максимально допустимые отклонения валов по h8, отверстий — H8. Допустимая шероховатость поверхности — Rz16.

Типы конструкций

Производители предлагают целую гамму винтовых зажимных ступиц с различными областями применения.

Самоцентрирующие ступицы не требуют дополнительных конструкторских мероприятий для обеспечения центровки шкива относительно вала. Величина несоосности указана в каталогах производителей и обычно находится в пределах 0,02–0,04 мм. Нецентрирующие зажимные ступицы центровки не дают — необходимо предусматривать центрирующую поверхность на охватывающей детали.

Универсальные конструкции

Наиболее универсальными являются ступицы с фиксацией втулки буртом. При установке она упирается в охватывающую деталь. В этом случае при затяжке отсутствует осевое смещение. Ступицы со смещением втулки передают больший крутящий момент, однако при затяжке происходит небольшое осевое смещение деталей.

Диапазон передаваемого крутящего момента для подобных конструкций: T=428–44 056 Нм, допускаемая осевая сила F=43–640 кН при диаметре вала d=20–180 мм соответственно.

Увеличенные ступицы

Представлены конструкции, которые обеспечивают более точную центровку и больший передаваемый момент (примерно на 10–30%). Это достигается за счёт увеличения длины посадочной поверхности. Диапазон передаваемого крутящего момента: T=513–57 642 Нм при диаметре вала d=20–180 мм.

Для тонкостенных деталей

Для приводных элементов, которые по конструктивным ограничениям имеют ограничение по наружному диаметру, применяют винтовые зажимные ступицы с переносом резьбового фланца за посадочное место. Передаваемый крутящий момент: T=14–23 911 Нм при диаметре вала d=6–130 мм.

Для высоких нагрузок

В приводах, где действуют большие динамические или вибрационные нагрузки, применяют винтовые зажимные ступицы с удвоенным количеством поверхностей трения. Для этого добавляется ещё одно внутреннее коническое кольцо, а наружное выполняется с двумя ответными поверхностями трения.

Передаваемый крутящий момент: T=714–797 384 Нм, допускаемая осевая сила F=59–3 987 кН при диаметре вала d=24–400 мм. Например, такие конструкции применяют в барабанах ленточных конвейеров.

Важный нюанс: при установке нескольких ступиц для высоких нагрузок на один вал необходимо ввести уменьшающий коэффициент передаваемого момента. Для двух ступиц передаваемый момент равен 0,8×T, для трёх — 0,6×T, для четырёх — 0,5×T.

С центральной гайкой

Коническая зажимная ступица с центральной шлицевой гайкой упрощает сборку. Она аналогична установке подшипников на затяжных втулках. Эти ступицы допускают изготовление валов с отклонением по h9, отверстий — H9. Передаваемый крутящий момент: T=10,1–2 320 Нм при диаметре вала d=5–50 мм.

Зажимные кольца

Простейшим и самым дешёвым вариантом являются два зажимных кольца. Такие кольца используются только в паре с зажимным фланцем, изготовленным потребителем. Соединение предназначено для передачи небольших крутящих моментов.

Требования к посадочным поверхностям более жёсткие: отклонение вала по h6, отверстия — H7 для соединений диаметром менее 38 мм; при больших диаметрах — h8/H8. Рекомендуемая шероховатость поверхности — Rz6. Передаваемый крутящий момент: T=2–178 138 Нм при диаметре вала d=6–400 мм. Допускается устанавливать до 4 пар зажимных колец на один вал-ступицу.

Гидравлические ступицы

Помимо винтовых производятся и гидравлические зажимные ступицы. Такая ступица представляет собой тонкостенную полую втулку, заполненную жидкостью. Во втулке расположено уплотнительное кольцо и поршень, на который воздействует нажимной фланец.

Усилие на нажимном фланце создают зажимные винты, ввёрнутые в резьбовые отверстия. Затяжка винтов приводит к перемещению нажимного фланца и поршня. При перемещении поршня создаётся давление, распирающее втулку. Деформированная втулка создаёт силы трения на вале и в ступице приводного элемента.

Количество зажимных винтов в таких ступицах меньше, чем в механических (от 4 до 8).

Сравнение с винтовыми

Основным достоинством гидравлических ступиц является быстрота сборки-разборки. В отличие от винтовых, где необходимо затягивать от 4 до 14 винтов, в гидравлических оперируют существенно меньшим количеством — либо вообще одним винтом.

Передаваемый крутящий момент 940 Нм и 1100 Нм соответственно. Как видно, в случае механической ступицы необходимо равномерно затянуть 14 винтов, а гидравлической — 6 или 1 винт. Такая ступица более компактная.

Недостатки гидравлических ступиц

К недостаткам следует отнести чувствительность к изменению температуры. Поскольку мы имеем дело с жидкостью, заключённой в ограниченный объём, при нагреве (или охлаждении) происходит увеличение (или уменьшение) внутреннего давления. Пропорционально изменяется величина передаваемого крутящего момента. Диапазон допустимой рабочей температуры: t=-30…+85°С.

Другой недостаток — уменьшение величины передаваемого крутящего момента с увеличением частоты вращения вала. Падение несущей способности может быть существенным. Так, для одного из типов ступиц: T=2 000 Нм при n=0 мин⁻¹, T=1 200 Нм при n=15 000 мин⁻¹ и T=0 Нм при n=23 000 мин⁻¹!

Поэтому при установке гидравлических ступиц на быстроходные валы необходимо проконсультироваться с производителем.

Передаваемый крутящий момент гидравлических ступиц: T=46–17 000 Нм при диаметре вала d=15–100 мм. Требования к посадочным поверхностям: поле допуска вала по h8, отверстия — H7. При изготовлении вала с полем допуска по h9 необходимо уменьшить расчётный крутящий момент на 25%, а при поле допуска по k6 — увеличить на 20%. Рекомендуемая шероховатость поверхности — Ra 1–3 мкм. Гидравлические ступицы самоцентрирующиеся. Точность центрирования у них сравнимая или даже выше, чем у механических.

Последовательность расчёта

Исходными данными для подбора зажимных ступиц являются: максимальный действующий крутящий момент Tmax (Нм), действующая осевая сила Famax (кН), наружный диаметр ступицы приводимого элемента DN (мм), материал вала и ступицы.

Выбор зажимной ступицы осуществляется по номинальному крутящему моменту TN (Нм) или осевой силе FaN для данного типоразмера, приведённому в каталоге производителя. Условие выбора: TN ≥ Tmax.

Обращаю ваше внимание: подбор ступицы ведётся по максимальному (пиковому) крутящему моменту. Соответственно, если зажимная ступица передаёт осевую силу, то условие подбора: FaN ≥ Famax.

Совместное действие крутящего момента и осевой силы уменьшает несущую способность соединения. Поэтому при передаче крутящего момента используют проверочную формулу, а при передаче осевой силы — другую, где d (мм) — диаметр вала. В более сложных случаях, при действии изгибающей нагрузки или расчёте на усталостную прочность, необходимо обратиться в техническую поддержку производителя.

Поверхностное давление, возникающее при затяжке на вале и втулке, указывается в каталоге производителя. Конструктору необходимо проверить допустимый наружный диаметр ступицы приводного элемента DM по формуле, где σ0,2 (МПа) — условный предел текучести ступицы, pN (МПа) — поверхностное давление в ступице, C — коэффициент, зависящий от формы ступицы.

В случае, если зажимная ступица устанавливается на полый вал, дополнительно необходимо проверить прочность вала. Максимально допустимый внутренний диаметр вала diw (мм) определяется формулой, где σW0,2 (МПа) — условный предел текучести вала, pW (МПа) — поверхностное давление на вале.

Монтаж и эксплуатация

Перед монтажом необходимо убедиться в том, что вал и ступица приводного элемента изготовлены с требуемой точностью. Все стыкуемые поверхности должны быть очищены от грязи. Затем необходимо нанести тонкий слой смазки, не содержащей дисульфида молибдена.

Далее зажимную ступицу устанавливают в отверстие приводного элемента, насаживают на вал и выставляют в требуемое осевое положение. После этого приступают к затяжке винтов. Требуемый момент затяжки указан в каталоге производителя. Затяжка осуществляется попарно крестом до тех пор, пока не будет достигнута требуемая величина. Естественно, для этой процедуры необходим динамометрический ключ.

Важный момент: если винты будут недозатянуты, соединение не передаст рассчитанный крутящий момент. При демонтаже ступицы необходимо отпустить винты, а затем вкрутить их в отверстия для демонтажа.

При использовании ступиц во взрывоопасной среде необходимо иметь запас прочности по передаваемой нагрузке не менее двух.

Вывод простой: фрикционные зажимные ступицы мало описаны в отечественной технической литературе. Соответственно, применяют их редко. С другой стороны, большое количество фирм-производителей этой продукции свидетельствует о том, что она востребована рынком. Первый положительный опыт использования зажимных ступиц у многих конструкторов уже есть — осталось только начать.