Połączenie wał-piasta - przegląd rozwiązań

Po ostatnim artykule na temat tulei Taper Lock, zrozumiałem że temat osadzania piast na wałkach jest o wiele bardziej rozbudowany niż mogłoby się wydawać. Parę dni po publikacji już widziałem, że będzie potrzebna "dogrywka".

Chciałem, żeby ten tekst był czymś w rodzaju przewodnika po najpopularniejszych rozwiązaniach, dlatego nie będę rozpisywał 30 typów połączeń, natomiast skupię się na takich, które stosuje się powszechnie. To ma być coś, co każdemu z Was pomoże dokonać odpowiedniego wyboru jeśli chodzi o zaprojektowanie osadzenia piasty na wale.

Na wstępie też chciałem napisać czym się kierowałem, kiedy kategoryzowałem i wybierałem te (wg mnie) najpopularniejsze rozwiązania. Po pierwsze, podzieliłem je na II grupy:

• Połączenia bezpośrednie, bez "trzeciego" elementu (nie chodzi o wpust 🙃).
• Połączenia pośrednie, takie z elementem pomiędzy wałem i piastą.

Każde z tych rozwiązań rozbiłem na 5 "podpunktów": opis, minimalna średnica wałka i piasty, dedykowane zastosowania, cena i zdjęcie z przykładem.

Jeszcze jeden warunek brzegowy hehe - ceny obróbek są orientacyjne i podawane po to, żebyście mogli wyłapać proporcję w koszcie danego rozwiązania. Rozumiemy, że różni dostawcy mogą różnie wycenić dłutowanie, frezowanie wpustu czy gwintowanie. ZACZYNAMY!

GRUPA I - połączenia bezpośrednie

1. Połączenie wpustowe

Opis: Klasyk klasyków, pokazywany już na studiach w czasie zajęć z PKM-u. Projekt wałka czy reduktora - tam wszyscy poznaliśmy wpusty. Wydaje mi się, że to właśnie dlatego są one pierwszym wyborem wielu konstruktorów. Mamy wpusty pryzmatyczne i czółenkowe, wykorzystanie tego rodzaju połączenia zawsze wymaga frezowania wałka, dłutowania piasty, wykonania stosownego zabezpieczenia przed zsunięciem się piasty z wałka (pierścień zabezpieczający lub docisk od czoła wałka).

Minimalna średnica wałka i piasty: Wg tabeli rozmiarów wpustów - 6mm.

Dedykowane zastosowania: "Ciężkie" aplikacje z kołami zębatymi, reduktory, aplikacje gdzie koła muszą być "przesunięte w fazie". Nieocenionym plusem tego połączenia jest możliwość pełnej dowolności kształtowo-rozmiarowej. Dodatkowo dobrze policzony wpust pełni rolę "bezpiecznika" i ścina się przy przekroczeniu momentu. Warto zwrócić tutaj uwagę na niedokładności obróbkowe oraz potencjalne pomyłki (tolerancje) w dokumentacji wykonawczej.

Cena: Zdecydowanie najdroższe rozwiązanie. Mamy pełny komplet obróbek: frezowanie wałka + dłutowanie wpustu + podcięcie na pierścień zabezpieczający (lub wiercenie wałka od czoła i docisk). Cena samych obróbek dla otworu i wałka ∅20 ~ 200 PLN + jeśli zabezpieczamy piastę dociskiem od czoła wałka trzeba dodać ~150 PLN. Sumarycznie 350 PLN + koszty rysowania i wielokrotnej obróbki piasty.

2. Połączenie dociskowe

Opis: Połączenie polegające na zakupie koła z otworami gwintowanymi na obwodzie (lub wykonaniu otworów gwintowanych promieniowo). Na wałku najczęściej mamy wtedy spłaszczenie. Piastę wsuwa się na wałek i dociska śrubami - najczęściej trzema.

Minimalna średnica wałka i piasty: W zasadzie ogranicza nas tutaj tylko sztywność wałka i technologia wykonania.

Dedykowane zastosowania: Jak to powiedział jeden mój kolega: taką śrubeczką to można wiatraczek zabawkowy zabezpieczyć 😆. Jakby nie było - coś w tym jest. Oczywiście można śmiało wykorzystywać docisk promieniowy w celu przeniesienia napędu, jednak zalecałbym ostrożność, ze względu na ryzyko poślizgu i/lub luzowania się wkręta dociskowego (warto jasno zaznaczyć, żeby osadzić śruby dociskowe na kleju). Sam jestem BAAAARDZO ostrożny jeśli chodzi o ten rodzaj osadzania piast na wałach, jednak niezaprzeczalnie spotkacie się z nim w wielu maszynach - głównie w miejscach gdzie są małe siły/obciążenia.

Cena: Zakładając, że kupujemy gotowe koło pasowe z otworami, kosztem będzie (odważniejsi w sumie nie robią też spłaszczenia) frezowanie wałka ~100 PLN. Jeśli kółko nawiercamy i gwintujemy sami - trzeba doliczyć pewnie około 80 PLN. Łącznie ~180 PLN.

3. Toczenie z wałka zębatego

Opis: W mojej branży jednym z najczęściej stosowanych rodzajów przeniesienia napędu jest wykorzystanie pasa zębatego. Jeśli pozwala przełożenie i geometria warto starać się używać wałków zębatych (o takich) - wykonać toczenie pod sprzęgło i łożyska. Minusem tego rozwiązania - dość dużym - jest to, że przy uszkodzeniu zęba mamy do wymiany cały wałek.

Minimalna średnica wałka i piasty: Spotykamy wałki nawet z ilością zębów z=10, więc można powiedzieć, że zakres mamy naprawdę duży.

Dedykowane zastosowania: Miejsca gdzie mamy łatwy dostęp do wymiany paska.

Cena: Można powiedzieć bardzo ogólnie, że 0 PLN, bo w koszcie wałka mamy już osadzone koło pasowe.

GRUPA II - połączenia pośrednie

1. Tuleja Taper Lock

Opis: Temat tego rozwiązania wyjaśniłem myślę dość dokładnie w poprzednim artykule, także zainteresowanych odeślę - LINK. Z grubsza jest to zestaw gdzie mamy koło pasowe (pasek klinowy, zębaty) lub łańcuchowe ze specjalnie przygotowanym otworem, oraz wkładkę stożkową. Całość osadzamy na wpuście używając śrub na obwodzie wkładki. Minusem jest to, że nie istnieją koła pasowe zębate z otworem pod Taper Lock'a dla profili T i AT.

Minimalna średnica wałka i piasty: Minimalna średnica wałka ∅8. Natomiast ważne: najmniejsze koło pasowe to profil HDT ∅50. Warto pamiętać decydując się na to rozwiązanie.

Dedykowane zastosowania: Proste napędy, gdzie dopuszczalny jest mały luz powstający na połączeniu wpustowym. Warto pamiętać o pozostawieniu wystarczającej ilości miejsca na demontaż tulei.

Cena: Przeliczałem na zasadzie dodatkowej operacji na wałku - frezowanie rowka wpustowego - koszt ~80 zł. ZDECYDOWANIE NAJLEPSZE EKONOMICZNIE ROZWIĄZANIE.

2. Tuleje rozprężno-zaciskowe z nieprzesuwną piastą

Opis: Cała rodzina rozwiązań polegających na bezluzowym, ciernym połączeniu wału z piastą. Poszczególne części pierścieni rozprężno-zaciskowych w kształcie klina, które śrubami mocującymi są przesuwane na siebie, zapewniają połączenie cierne na powierzchniach styku wału i otworu piasty. To połączenie cierne umożliwia jednoczesne przenoszenie momentu obrotowego i siły osiowej. Jest haczyk - najbardziej standardowe rozwiązania wymagają relatywnie dużego otworu w piaście w stosunku do wałka. Bazując na portfolio KTR Systems GmbH mamy do wyboru wiele rodzajów takich tulei. Ważne, żeby dobrze je dobrać - polecam uderzać do Michała Bubaka (mam nadzieję, że jak dostaniesz wycieczkę do Egiptu to przywieziesz mi chociaż pamiątkę 😆).

Minimalna średnica wałka i piasty: Dla Clampex 201, 206, 225 - wałek ∅20 / piasta ∅47. Dla Clampex 250 - wałek ∅6 / piasta ∅14.

Dedykowane zastosowania: Jest to bardzo pewne rozwiązanie, które możemy stosować w większości napędów. Unikamy luzów oraz dodatkowej obróbki wałów.

Cena: Dla wałka ∅20 i otworu w piaście ∅28 cena za tuleję + rozwiercanie piasty ~180 PLN (Clampex 250). Najlepszy stosunek jakość <-> cena.

3. Tuleje rozprężno-zaciskowe z przesuwną piastą

Opis: Miałem trochę obiekcje czy dodawać tę grupę, ale stwierdziłem że plusy przeważają nad minusami. Mam na myśli konkretnie rozwiązanie Clampex 130 i 131 (LINK). Dlaczego? Z jednej strony turbo łatwy montaż - dociągamy całość 1 kluczem. Dodatkowo bardzo kompaktowe rozmiary. Jednak ta wersja charakteryzuje się przesunięciem osiowym w trakcie montażu. Dlatego sam proces montowania może wymagać ustawiania piast względem siebie bez żadnej powierzchni referencyjnej. Michał Bubak obiecał mi podesłać jakieś use case'y - na pewno się z Wami podzielę.

Minimalna średnica wałka i piasty: Wałek ∅5 / piasta ∅14.

Dedykowane zastosowania: Miejsca gdzie przy montażu dopuszczamy przesunięcia osiowe, bardzo kompaktowe rozwiązania, małe koła zębate, pasowe, łańcuchowe.

Cena: Tuleja + rozwiercanie (dla wałka ∅20 i piasty ∅35) ~241 zł. Rozwiązanie fajne, kompaktowe, ale relatywnie najdroższe z grupy II.

Podsumowanie

Uffff tym razem dość długi tekst - mam nadzieję, że przydatny 😉💡.

PS. W piątek przygotuję dla Was kompaktową ściągawkę na biurko, którą każdy będzie mógł pobrać 🚀