I. Definitie en structuur

Een spline is een verbindingsstructuur bij mechanische transmissie. Het bestaat uit een externe spiebaan op de as en een interne spiebaan op onderdelen zoals de naaf. De externe spiebaan heeft meestal meerdere sleuteltanden die op het oppervlak van de schacht zijn machinaal bewerkt, in de vorm van een bloem. De interne spiebaan heeft spiebanen die op de gatwand van de naaf zijn bewerkt, zodat deze overeenkomen met de externe spiebaan. Zijn functie is het overbrengen van koppel en het garanderen van de concentriciteit tussen de as en de naaf, waardoor ze tijdens rotatie een goede coaxiale relatie kunnen behouden.

II. Classificatie

Classificatie op tandprofiel:

(1) Rechthoekige spie: het tandprofiel is rechthoekig. De rechthoekige spiebaan heeft de kenmerken van een hoge centreernauwkeurigheid en een relatief sterk draagvermogen. De verwerkingstechnologie is relatief eenvoudig en de kosten zijn laag, dus wordt deze veel gebruikt in algemene mechanische transmissie. In de versnellingsbakken van werktuigmachines wordt het bijvoorbeeld gebruikt om tandwielen en assen met elkaar te verbinden om de functies van krachtoverbrenging en snelheidsverandering te realiseren.

(2) Evolute spline: Het tandprofiel heeft de vorm van een evoluut. Het voordeel van de ingewikkelde spline is de goede automatische centreerprestatie. Vanwege de eigenschappen van het ingewikkelde element kunnen de tandoppervlakken tijdens het assemblageproces automatisch hun positie aanpassen om concentriciteit te garanderen. Bovendien is de tandwortel relatief dik en sterk, waardoor hij geschikt is voor het overbrengen van grotere koppels en hogere toerentallen. De verbinding tussen de halve as en de naaf van een auto maakt bijvoorbeeld vaak gebruik van de ingewikkelde spiebaan om de complexe belastingen tijdens het rijproces van het voertuig te weerstaan.

(3) Driehoekige spie: het tandprofiel is driehoekig. Dit soort spiebaan heeft het kenmerk van een hoge centreernauwkeurigheid, maar het draagvermogen is relatief zwak. Het wordt vooral gebruikt bij verbindingsgelegenheden met lichte belasting en hoge precisie, zoals de verbinding tussen assen en onderdelen in sommige precisie-instrumenten. (Van links naar rechts in volgorde: rechthoekige spiebaan, ingewikkelde spiebaan, driehoekige spiebaan)

III. Kenmerken van spline-koppelingen

Spline-koppelingen zijn geschikt voor verbindingen met hoge eisen aan centreernauwkeurigheid, grote belastingen of veelvuldig glijden. Het aantal tanden, afmetingen, passingen, etc. van spiebaankoppelingen moeten allemaal volgens de normen worden geselecteerd.

(1) Omdat een relatief groot aantal tanden en groeven direct en gelijkmatig op de as en het naafgat zijn aangebracht, worden de krachten op de verbinding relatief gelijkmatig verdeeld.

(2) Omdat de groeven relatief ondiep zijn, is de spanningsconcentratie bij de tandwortel relatief klein en is de sterktevermindering van de as en de naaf minder.

(3) Er zijn meer tanden en het totale contactoppervlak is relatief groot, zodat het relatief grote belastingen kan dragen.

(4) De uitlijning tussen de onderdelen op de as en de as is goed (wat erg belangrijk is voor hogesnelheids- en precisiemachines).

(5) De geleidingsprestaties zijn relatief goed (wat erg belangrijk is voor dynamische verbindingen).

(6) De bewerkingsnauwkeurigheid en verbindingskwaliteit kunnen worden verbeterd door slijpmethoden.

(7) De nadelen van spiebaankoppelingen zijn dat er nog steeds spanningsconcentratie is bij de tandwortel; soms is voor de verwerking speciale apparatuur vereist; en de kosten zijn hoog.

IV. Ontwerp van spline-koppelingen

1. Bepaal het type spiebaan Rechthoekige spiebaan: deze heeft een hoge centreernauwkeurigheid en een sterk draagvermogen. De rechthoekige spline kent twee series, namelijk de light serie en de medium serie. De light-serie wordt vaak gebruikt voor statische verbindingen met lichtere belastingen, zoals de verbinding tussen het schuiftandwiel en de as in een tandwielkast. De medium serie is geschikt voor verbindingen met gemiddelde belasting. Involute spline: het heeft het kenmerk van automatische centrering en de tandwortel is relatief dik en met hoge sterkte. Het wordt vaak gebruikt voor verbindingen met grote belastingen en hoge eisen aan centreernauwkeurigheid, zoals de verbinding tussen de halve as van de auto en de naaf. De standaard drukhoeken omvatten drie typen: 30°, 37,5° en 45°. De ingewikkelde spline met een drukhoek van 30° heeft een hoger draagvermogen. Voor de twee soorten tandwortels zijn vier basistandprofielen gespecificeerd, namelijk de platte tandwortel met een drukhoek van 30°, de ronde tandwortel met een drukhoek van 30°, de ronde tandwortel met een drukhoek van 37,5° en de afgeronde tandwortel met een drukhoek van 45°. Driehoekige spie: het heeft goede centreerprestaties en kan automatisch centreren om de coaxialiteit van de as en de naaf te garanderen en trillingen en geluid te verminderen. Het is geschikt voor precisietransmissie, zoals de verbinding tussen de spil van een precisiewerktuigmachine en het tandwiel. Het heeft een relatief sterk draagvermogen en kan lasten door meerdere tanden dragen. Met een redelijk ontwerp kan het aanzienlijke belastingen dragen. Het wordt vaak gebruikt op plaatsen met lichte tot middelmatige belasting en beperkte ruimte, zoals de verbinding tussen de tandwielen en de as van een transmissie van kleine auto's. De structuur is compact. Onder dezelfde omstandigheden neemt het minder ruimte in beslag dan de rechthoekige spline, wat gunstig is voor miniaturisatieontwerp, zoals de verbinding tussen elektrisch handgereedschap, micromotoren en reductoren.

2. Bepaal de basisparameters van de spline

(1) Rechthoekige spie Bepaal eerst de basisparameters zoals de kleine diameter d, de grote diameter D, de sleutelbreedte B en het aantal tanden z. De kleine diameter d is de hoofdafmeting en wordt aanvankelijk geselecteerd op basis van de diameter van de as en het overgedragen koppel. De sleutelwijdte B en het aantal tanden z worden bepaald op basis van het draagvermogen en de constructieve vereisten. Voor het gemak van verwerking en inspectie is het aantal tanden z doorgaans een even getal.

(2) Evolute spline Bepaal de basisparameters zoals de module m, het aantal tanden z en de drukhoek (doorgaans 30° of 45°). De module is een belangrijke parameter van de ingewikkelde spline, die de grootte en het draagvermogen van de spline bepaalt. Hoe groter de module, hoe groter de tanddikte en tandhoogte van de spline, en hoe sterker het draagvermogen. De kleine diameter is de belangrijkste maatparameter van de rechthoekige spiebaan en wordt bepaald op basis van de sterkte van de as en de verbindingsvereisten. In sommige transmissiesystemen voor auto's kan de module m bijvoorbeeld tussen 2 en 3 mm zijn. Het aantal tanden z moet ook rekening houden met het draagvermogen en de structuur, en is over het algemeen niet minder dan 10. De ingewikkelde spie met een drukhoek van 30° heeft een sterker draagvermogen, en de ingewikkelde spie met een drukhoek van 45° drukhoek is meer geschikt voor gelegenheden met lichte belasting en kleine maten.

(3) Basisparameters Bepaal de basisparameters zoals de module m, het aantal tanden z en de drukhoek (doorgaans 30° of 45°). De keuze van het aantal tanden z hangt af van de diameter van de as, de vereisten voor het overgedragen koppel en de algehele structurele lay-out van de apparatuur. Over het algemeen zullen assen met kleinere diameters relatief minder tanden gebruiken, terwijl bij assen met grotere diameters en hogere overgedragen koppels het aantal tanden dienovereenkomstig zal toenemen om voldoende draagvermogen en een uniforme belastingsverdeling te garanderen. De module m is een sleutelparameter die de grootte en het draagvermogen van de driehoekige spiebaan bepaalt. Hoe groter de module, hoe groter de tanden, en dienovereenkomstig hoe hoger het draagvermogen van de spiebaan. De grootte van de drukhoek α heeft rechtstreeks invloed op de vorm van het tandprofiel en de spanningseigenschappen. Het tandprofiel van de driehoekige spiebaan met een drukhoek van 30° is relatief "zacht". Bij het overbrengen van grotere koppels is de contactspanningsverdeling op het tandoppervlak relatief uniform, wat gunstig is voor het verbeteren van het draagvermogen en de slijtvastheid van het tandoppervlak en geschikt is voor gelegenheden met grote belastingen en een relatief stabiele werking. Terwijl het tandprofiel van de driehoekige spiebaan met een drukhoek van 45° relatief "steil" is. Het voordeel is dat onder dezelfde omstandigheden van module en aantal tanden de dikte bij de tandwortel relatief groot is en relatief grote buigspanningen kan verdragen. Daarom wordt het vaak gebruikt in sommige transmissiesystemen met relatief grote belastingsveranderingen en mogelijke impactbelastingen. Relatief gesproken is de verdeling van de contactspanning op het tandoppervlak echter niet zo uniform als die van de drukhoek van 30°, en de slijtage van het tandoppervlak kan relatief snel zijn bij langdurig werken onder hoge belastingen.

3. Sterkteberekening De belangrijkste faalwijzen van spiebaankoppelingen zijn verbrijzeling van het werkoppervlak (voor statische verbindingen) of overmatige slijtage van het werkoppervlak (voor dynamische verbindingen). Voor statische verbindingen wordt de sterkteberekening uitgevoerd op basis van de extrusiespanning op het werkoppervlak, en voor dynamische verbindingen wordt de voorwaardelijke sterkteberekening uitgevoerd op basis van de druk op het werkoppervlak.

(1) Controle van rechthoekige spieën

① Berekening van de contactsterkte van het tandoppervlak:

Wanneer de rechthoekige spie koppel T overbrengt, is de berekeningsformule voor de contactspanning van het tandoppervlak σH σH = 2T / (ψzhlDm). Hier is ψ de ongelijkmatige belastingsverdelingscoëfficiënt (doorgaans genomen als 0,7 - 0,8), h is de werkhoogte van de sleuteltand (voor de rechthoekige spielijn, h = [(D - d) / 2] - 2C, waarbij C is de afschuiningsgrootte), l is de werklengte van de spiebaan, en Dm = (D + d) / 2.

Na het berekenen van de contactspanning σH moet deze kleiner zijn dan de toegestane contactspanning [σH]. De waarde van de toegestane contactspanning wordt bepaald op basis van het spiebaanmateriaal en de werkomstandigheden (zoals of er smering is, werktemperatuur, enz.). Voor 45-staal kan de toelaatbare contactspanning [σH] na een afschrik- en temperbehandeling, onder goede smeeromstandigheden, bijvoorbeeld tussen 100 en 150 MPa liggen.

② Berekening van de buigsterkte van de tandwortel:

De tandwortelbuigspanning σF = 2T / (zblDm), waarbij b de tandwortelbreedte is (voor de rechthoekige spie, b = B - 2C).

De berekende buigspanning van de tandwortel σF moet kleiner zijn dan de toegestane buigspanning [σF]. De toelaatbare buigspanning is gerelateerd aan de mechanische eigenschappen van het materiaal en de warmtebehandelingstoestand van de spline. Voor 40Cr-staal kan de toelaatbare buigspanning [σF] na afschrikken en ontlaten bijvoorbeeld rond de 150 - 200 MPa liggen.

③ Controle van de centreernauwkeurigheid:

Als bij rechthoekige spiebanen de kleine diameter wordt gebruikt voor het centreren, moeten de maatnauwkeurigheid en cilindriciteit van de kleine diameter worden gecontroleerd. De maattolerantie van de kleine diameter moet worden gekozen in overeenstemming met de centreernauwkeurigheidseisen van de verbinding. Voor precisietransmissie kan de maattolerantie van de kleine diameter bijvoorbeeld worden geselecteerd als IT6 - IT7; voor algemene transmissie kunnen IT8 - IT9 worden geselecteerd. De cilindriciteitsfout moet binnen het toegestane bereik worden gecontroleerd om de centreernauwkeurigheid te garanderen.

(2) Controle van ingewikkelde splines

① Berekening van de contactsterkte van het tandoppervlak:

Wanneer de ingewikkelde spie koppel T overbrengt, is de berekeningsformule voor de contactspanning van het tandoppervlak σH σH = ZE[(2T / (ψzm²l)) · 1 / (1 / ρ1 + 1 / ρ2)]¹/². Hier is ZE de elastische coëfficiënt (gerelateerd aan het materiaal), ρ1 en ρ2 zijn de kromtestralen op de contactpunten van de twee tandoppervlakken, ψ is de ongelijkmatige belastingsverdelingscoëfficiënt (het waardebereik is vergelijkbaar met dat van de rechthoekige spie) en l is de werklengte van de spie.

De berekende σH moet kleiner zijn dan de toegestane contactspanning [σH]. De toegestane contactspanning wordt bepaald op basis van het materiaal van de spline en de werkomstandigheden. Voor ingewikkelde spiebanen gemaakt van hoogwaardig gelegeerd staal kan de toegestane contactspanning [σH] onder goede smering en normale werktemperatuuromstandigheden bijvoorbeeld tussen 200 en 300 MPa liggen.

② Berekening van de buigsterkte van de tandwortel:

De buigspanning van de tandwortel σF = 2T YFKF / (zm²l), waarbij YF de tandvormfactor is en KF de belastingsfactor (rekening houdend met factoren zoals dynamische belastingen).

De berekende σF moet kleiner zijn dan de toelaatbare buigspanning [σF]. De toelaatbare buigspanning is gerelateerd aan de sterkte van het materiaal en de warmtebehandelingstoestand ervan. Voor gelegeerd staal na een carboneer- en afschrikbehandeling kan de toelaatbare buigspanning [σF] bijvoorbeeld rond de 250 - 350 MPa liggen.

③ Controle van de centreernauwkeurigheid:

De ingewikkelde spline wordt gecentreerd door de tandvorm. De nauwkeurigheid van de tandvorm moet worden gecontroleerd, inclusief tandvormfouten, cumulatieve spoedfouten, enz. De nauwkeurigheid van de tandvorm wordt geselecteerd op basis van de centreernauwkeurigheidseisen van de verbinding. Voor de ingewikkelde spieverbinding in zeer nauwkeurige lucht- en ruimtevaartapparatuur kan het bijvoorbeeld nodig zijn dat de tandvormnauwkeurigheid graad 5 - 6 bereikt; voor algemene industriële apparatuur kan klasse 7 - 8 aan de eisen voldoen.

(3) Controle van driehoekige spieën

① Berekening van de contactsterkte van het tandoppervlak:

De formule voor het berekenen van de contactspanning van het tandoppervlak σH is σH = 2T / (ψzhlDm). Hier is T het overgedragen koppel, ψ de ongelijkmatige belastingsverdelingscoëfficiënt (meestal genomen tussen 0,7 - 0,85, specifiek afhankelijk van factoren zoals de bewerkingsnauwkeurigheid, assemblagekwaliteit en werkomstandigheden van de spiebaan), h is de werkhoogte van de tand (voor de driehoekige spie, h = m(1 + cosα), waarbij m de module is en α de drukhoek), l is de werklengte van de spie, en Dm = (d + D) / 2 (d is de kleine diameter van de spiebaan en D is de grootste diameter van de spiebaan).

Vergelijk de berekende tandoppervlakcontactspanning σH met de toegestane contactspanning [σH]. De waarde van de toegestane contactspanning is afhankelijk van het materiaal, de warmtebehandelingsmethode en de smeeromstandigheden van de spiebaan. Voor 45 staal bijvoorbeeld ligt de toelaatbare contactspanning [σH] na een afschrik- en temperbehandeling, onder goede smeeromstandigheden, ongeveer tussen 120 - 180 MPa; als gelegeerd staal wordt gebruikt en een passende oppervlakteverhardingsbehandeling wordt uitgevoerd, kan de toegestane contactspanning worden verhoogd tot 200 - 300 MPa of zelfs hoger.

② Berekening van de buigsterkte van de tandwortel:

De berekeningsformule voor de tandwortelbuigspanning σF is σF = 2T / (zblDm), waarbij b de tandwortelbreedte is (voor de driehoekige spline, b = mπsinα).

De berekende buigspanning van de tandwortel σF moet kleiner zijn dan de toegestane buigspanning [σF]. De toelaatbare buigspanning hangt nauw samen met de sterkte, taaiheid en hardheid na warmtebehandeling van het materiaal. Voor 40Cr-staal kan de toelaatbare buigspanning [σF] na afschrikken en ontlaten bijvoorbeeld in het bereik van 180 - 250 MPa liggen; terwijl voor gelegeerd staal na het carbureren en afschrikken de toelaatbare buigspanning ongeveer 250 - 350 MPa kan bereiken.

③ Controle van de centreernauwkeurigheid:

Centreermethode: De driehoekige spie maakt gebruik van de centreermethode voor de tandvorm. Tijdens het bewerkings- en montageproces wordt de centrering bereikt door het nauwkeurig in elkaar grijpen van de interne en externe spline-tandvormen. Deze centreermethode kan een hoge centreernauwkeurigheid garanderen, en tijdens het werkproces kan de coaxialiteit tussen de as en de naaf, zelfs wanneer deze wordt blootgesteld aan bepaalde belastingsschommelingen of stoten, als gevolg van de wederzijdse beperking van de tandvormen, nog steeds goed worden gehandhaafd.

Nauwkeurigheidsvereisten: Om een ​​goed centreereffect en een goed transmissievermogen te garanderen, worden strenge eisen gesteld aan de nauwkeurigheid van de tandvorm, de spoednauwkeurigheid en de oppervlakteruwheid van de driehoekige spiebaan. De nauwkeurigheid van de tandvorm wordt doorgaans gecontroleerd volgens de tolerantiewaarden die zijn gespecificeerd in de relevante normen. Bij precisietransmissie kan het bijvoorbeeld nodig zijn dat de tolerantiegraad van de tandvorm IT6 - IT7 bereikt; de cumulatieve steektolerantie moet ook binnen een klein bereik worden gecontroleerd om de uniforme verdeling van elke tand over de omtrek te garanderen en het fenomeen van belastingconcentratie veroorzaakt door steekafwijking te vermijden. Wat de oppervlakteruwheid betreft, moet de ruwheidswaarde van het tandoppervlak doorgaans tussen Ra0,8 - Ra3,2 μm liggen. Een lagere oppervlakteruwheid helpt de wrijving en slijtage van het tandoppervlak te verminderen en de transmissie-efficiëntie en levensduur van de spiebaan te verbeteren. Tijdens het bewerkingsproces worden vaak precisiefrees-, broots- of slijpprocessen gebruikt om aan deze nauwkeurigheidseisen te voldoen. Ondertussen is vóór de montage een strikte inspectie van de spiebaan vereist om ervoor te zorgen dat alle nauwkeurigheidsindicatoren aan de ontwerpvereisten voldoen.

4. Tolerantie en passend ontwerp

Afhankelijk van de gebruiksvereisten en werkomstandigheden van de spiebaan, selecteert u de juiste tolerantiegraden en pasvormtypes. Voor verbindingen met hoge nauwkeurigheidseisen, zoals de verbinding tussen de spil van een werktuigmachine en het snijgereedschap, moeten hogere tolerantiegraden worden geselecteerd om de nauwkeurigheid en stabiliteit van de verbinding te garanderen. Pasvormen zijn onder meer spelingspassing, overgangspassing en interferentiepassing. Er wordt gebruik gemaakt van een vrije passing voor dynamische verbindingen om het relatief verschuiven van de spiebaan te vergemakkelijken; interferentiepassing wordt gebruikt voor statische verbindingen en kan grotere koppels overbrengen; overgangspassing ligt tussen de twee.

5. Ontwerp van splinelengte

De lengte van de spiebaan wordt voornamelijk bepaald aan de hand van de grootte van het koppel dat door de verbinding moet worden overgebracht. Om de overdracht van voldoende koppel te garanderen, probeert u de lengte van de spiebaan zoveel mogelijk in te korten om productiefouten en kosten te verminderen. Als de lengte van de spiebaan te lang is, zal dit leiden tot grotere bewerkingsproblemen en kan dit resulteren in ongelijkmatige spanning tijdens het bewerkingsproces.

6. Materiaalkeuze

Koolstofstaal: Zoals 45 staal heeft het goede uitgebreide mechanische eigenschappen en een relatief lage prijs. Na een passende warmtebehandeling (zoals een afschrik- en temperbehandeling) kan het worden gebruikt voor driehoekige spiebanen met algemene belastingen en gemiddelde nauwkeurigheidseisen. Het wordt veel gebruikt in bepaalde mechanische apparatuur die relatief kostengevoelig is en minder zware werkomstandigheden kent.

Gelegeerd staal: bijvoorbeeld 40Cr, 20CrMnTi, enz. Gelegeerd staal heeft een hogere sterkte, taaiheid en slijtvastheid. Door geschikte warmtebehandelingsprocessen (zoals afschrikken en temperen, carboneren en afschrikken, enz.) kan het het draagvermogen en de levensduur van de spiebaan aanzienlijk verbeteren. Het is geschikt voor gelegenheden waarbij grote lasten moeten worden gedragen, bij hoge snelheid moet worden gewerkt of de werkomgeving relatief zwaar is (zoals hoge temperaturen, hoge luchtvochtigheid, de aanwezigheid van corrosieve media, enz.), zoals belangrijke transmissieonderdelen in auto's motoren, vliegtuigmotoren en industriële robots.

Tijdens het ontwerpproces van de spiebaan moet ook rekening worden gehouden met zaken als bewerkingsprocessen, smering en afdichting om de betrouwbaarheid en levensduur van de spiebaanverbinding te garanderen.