I. Definição e Estrutura

Uma spline é uma estrutura de conexão em transmissão mecânica. Consiste em uma estria externa no eixo e uma estria interna em peças como o cubo. A ranhura externa geralmente possui vários dentes chave usinados na superfície da haste, em formato de flor. A ranhura interna possui rasgos de chaveta usinados na parede do furo do cubo para corresponder à ranhura externa. Sua função é transmitir torque e garantir a concentricidade entre o eixo e o cubo, permitindo que mantenham uma boa relação coaxial durante a rotação.

II. Classificação

Classificação por perfil dentário:

(1) Estria retangular: Seu perfil de dente é retangular. A ranhura retangular tem características de alta precisão de centralização e capacidade de carga relativamente forte. Sua tecnologia de processamento é relativamente simples e o custo é baixo, por isso é amplamente utilizado em transmissões mecânicas em geral. Por exemplo, na caixa de engrenagens de máquinas-ferramentas, é usado para conectar engrenagens e eixos para realizar as funções de transmissão de potência e mudança de velocidade.

(2) Estria envolvente: O perfil do dente tem a forma de uma evolvente. A vantagem da estria envolvente é seu bom desempenho de centralização automática. Devido às características da evolvente, durante o processo de montagem, as superfícies dentárias podem ajustar automaticamente suas posições para garantir a concentricidade. Além disso, a raiz do dente é relativamente espessa e sua resistência é alta, por isso é adequado para transmitir torques maiores e velocidades de rotação mais altas. Por exemplo, a conexão entre o semieixo e o cubo de um carro geralmente adota a estria envolvente para suportar as cargas complexas durante o processo de condução do veículo.

(3) Estria triangular: Seu perfil dentário é triangular. Este tipo de estria tem a característica de alta precisão de centralização, mas sua capacidade de carga é relativamente fraca. É utilizado principalmente em ocasiões de conexão com cargas leves e de alta precisão, como a conexão entre eixos e peças em alguns instrumentos de precisão. (Da esquerda para a direita em sequência: spline retangular, spline envolvente, spline triangular)

III. Características dos acoplamentos spline

Os acoplamentos estriados são adequados para conexões com altos requisitos de precisão de centralização, grandes cargas ou deslizamento frequente. O número de dentes, dimensões, ajustes, etc. dos acoplamentos estriados devem ser selecionados de acordo com os padrões.

(1) Como um número relativamente grande de dentes e ranhuras são feitos direta e uniformemente no eixo e no furo do cubo, as forças na conexão são distribuídas de maneira relativamente uniforme.

(2) Como as ranhuras são relativamente rasas, a concentração de tensão na raiz do dente é relativamente pequena e a redução da resistência do eixo e do cubo é menor.

(3) Há mais dentes e a área total de contato é relativamente grande, podendo suportar cargas relativamente grandes.

(4) O alinhamento entre as peças do eixo e do eixo é bom (o que é muito importante para máquinas de alta velocidade e precisão).

(5) O desempenho da orientação é relativamente bom (o que é muito importante para conexões dinâmicas).

(6) A precisão da usinagem e a qualidade da conexão podem ser melhoradas por métodos de retificação.

(7) As desvantagens dos acoplamentos estriados são que ainda há concentração de tensão na raiz do dente; às vezes é necessário equipamento especial para o processamento; e o custo é alto.

4. Projeto de acoplamentos estriados

1. Determine o tipo de estria Estria retangular: Possui alta precisão de centralização e forte capacidade de carga. O spline retangular possui duas séries, nomeadamente a série leve e a série média. A série leve é ​​frequentemente usada para conexões estáticas com cargas mais leves, como a conexão entre a engrenagem deslizante e o eixo em uma caixa de engrenagens. A série média é adequada para ligações com cargas médias. Estria envolvente: Possui a característica de centralização automática e sua raiz dentária é relativamente espessa e de alta resistência. É frequentemente usado para conexões com grandes cargas e altos requisitos de precisão de centralização, como a conexão entre o semieixo automotivo e o cubo. Seus ângulos de pressão padrão incluem três tipos: 30°, 37,5° e 45°. A estria envolvente com ângulo de pressão de 30° tem maior capacidade de carga. Quatro perfis básicos de dentes são especificados para os dois tipos de raízes dentárias, nomeadamente a raiz dentária plana com um ângulo de pressão de 30°, a raiz dentária arredondada com um ângulo de pressão de 30°, a raiz dentária arredondada com um ângulo de pressão de 37,5° e o raiz do dente arredondada com ângulo de pressão de 45°. Estria triangular: Possui bom desempenho de centralização e pode centralizar automaticamente para garantir a coaxialidade do eixo e do cubo e reduzir vibração e ruído. É adequado para transmissão de precisão, como a conexão entre o fuso de uma máquina-ferramenta de precisão e a engrenagem. Possui capacidade de carga relativamente forte e pode suportar cargas através de vários dentes. Com um design razoável, pode suportar cargas consideráveis. É frequentemente usado em locais com cargas leves a médias e espaço limitado, como a conexão entre as engrenagens e o eixo na transmissão de um carro pequeno. Sua estrutura é compacta. Nas mesmas condições, ocupa menos espaço que a estria retangular, o que é benéfico para projetos de miniaturização, como a conexão entre ferramentas elétricas manuais, micromotores e redutores.

2. Determine os parâmetros básicos do Spline

(1) Spline retangular Em primeiro lugar, determine os parâmetros básicos, como o diâmetro menor d, o diâmetro maior D, a largura da chave B e o número de dentes z. O diâmetro menor d é a dimensão principal e é inicialmente selecionado de acordo com o diâmetro do eixo e o torque transmitido. A largura da chave B e o número de dentes z são determinados de acordo com a capacidade de carga e os requisitos estruturais. O número de dentes z é geralmente um número par para conveniência de processamento e inspeção.

(2) Spline envolvente Determine os parâmetros básicos como o módulo m, o número de dentes z e o ângulo de pressão (geralmente 30° ou 45°). O módulo é um parâmetro importante da estria evolvente, que determina o tamanho e a capacidade de carga da estria. Quanto maior o módulo, maior será a espessura e a altura do dente da estria e maior será a capacidade de carga. O diâmetro menor é o principal parâmetro dimensional da estria retangular e é determinado de acordo com a resistência do eixo e os requisitos de conexão. Por exemplo, em alguns sistemas de transmissão automotiva, o módulo m pode estar entre 2 e 3 mm. O número de dentes z também precisa considerar a capacidade de suporte de carga e estrutura, e geralmente não é inferior a 10. A estria evolvente com ângulo de pressão de 30° tem uma capacidade de carga mais forte, e a estria evolvente com ângulo de pressão de 45° o ângulo de pressão é mais adequado para ocasiões com cargas leves e tamanhos pequenos.

(3) Parâmetros básicos Determine os parâmetros básicos como o módulo m, o número de dentes z e o ângulo de pressão (geralmente 30° ou 45°). A escolha do número de dentes z depende do diâmetro do eixo, dos requisitos de torque transmitido e do layout estrutural geral do equipamento. De modo geral, eixos com diâmetros menores adotarão relativamente menos dentes, enquanto que para eixos com diâmetros maiores e torques transmitidos mais elevados, o número de dentes aumentará de acordo para garantir capacidade de suporte de carga suficiente e distribuição uniforme de carga. O módulo m é um parâmetro chave que determina o tamanho e a capacidade de carga da spline triangular. Quanto maior for o módulo, maior será o tamanho dos dentes e, correspondentemente, maior será a capacidade de carga da estria. O tamanho do ângulo de pressão α afeta diretamente a forma do perfil do dente e as características de tensão. O perfil do dente da estria triangular com um ângulo de pressão de 30° é relativamente "suave". Ao transmitir torques maiores, a distribuição da tensão de contato na superfície do dente é relativamente uniforme, o que é benéfico para melhorar a capacidade de carga e a resistência ao desgaste da superfície do dente e é adequado para ocasiões com grandes cargas e operação relativamente estável. Enquanto o perfil do dente da estria triangular com um ângulo de pressão de 45° é relativamente "íngreme". Sua vantagem é que nas mesmas condições de módulo e número de dentes, a espessura na raiz do dente é relativamente grande e pode suportar tensões de flexão relativamente grandes. Portanto, é frequentemente usado em alguns sistemas de transmissão com mudanças de carga relativamente grandes e possíveis cargas de impacto. No entanto, relativamente falando, a distribuição da tensão de contato na superfície do dente não é tão uniforme quanto a do ângulo de pressão de 30°, e o desgaste da superfície do dente pode ser relativamente rápido quando se trabalha sob cargas elevadas por um longo período.

3. Cálculo de resistência Os principais modos de falha dos acoplamentos estriados são o esmagamento da superfície de trabalho (para conexões estáticas) ou o desgaste excessivo da superfície de trabalho (para conexões dinâmicas). Para conexões estáticas, o cálculo da resistência é realizado de acordo com a tensão de extrusão na superfície de trabalho, e para conexões dinâmicas, o cálculo da resistência condicional é realizado de acordo com a pressão na superfície de trabalho.

(1) Verificação de Splines Retangulares

① Cálculo da resistência de contato da superfície do dente:

Quando a estria retangular transmite o torque T, a fórmula de cálculo para a tensão de contato da superfície do dente σH é σH = 2T / (ψzhlDm). Aqui, ψ é o coeficiente desigual de distribuição de carga (geralmente considerado como 0,7 - 0,8), h é a altura de trabalho do dente da chave (para a estria retangular, h = [(D - d) / 2] - 2C, onde C é o tamanho do chanfro), l é o comprimento de trabalho da spline e Dm = (D + d) / 2.

Depois de calcular a tensão de contato σH, ela deve ser menor que a tensão de contato admissível [σH]. O valor da tensão de contato admissível é determinado de acordo com o material da estria e as condições de trabalho (como se há lubrificação, temperatura de trabalho, etc.). Por exemplo, para aço 45 após tratamento de têmpera e revenido, sob boas condições de lubrificação, a tensão de contato admissível [σH] pode estar entre 100 - 150 MPa.

② Cálculo da resistência à flexão da raiz do dente:

A tensão de flexão da raiz do dente σF = 2T / (zblDm), onde b é a largura da raiz do dente (para a spline retangular, b = B - 2C).

A tensão de flexão calculada na raiz do dente σF deve ser menor que a tensão de flexão admissível [σF]. A tensão de flexão admissível está relacionada às propriedades mecânicas do material e ao estado de tratamento térmico da estria. Por exemplo, para aço 40Cr após têmpera e revenido, a tensão de flexão admissível [σF] pode estar em torno de 150 - 200 MPa.

③ Verificação da precisão da centralização:

Para estrias retangulares, se o diâmetro menor for usado para centralização, a precisão dimensional e a cilindricidade do diâmetro menor deverão ser verificadas. O grau de tolerância dimensional do diâmetro menor deve ser selecionado de acordo com os requisitos de precisão de centralização da conexão. Por exemplo, para transmissão de precisão, o grau de tolerância dimensional do diâmetro menor pode ser selecionado como IT6 - IT7; para transmissão geral, IT8 - IT9 pode ser selecionado. O erro de cilindricidade deve ser controlado dentro da faixa permitida para garantir a precisão da centralização.

(2) Verificação de Splines Involutas

① Cálculo da resistência de contato da superfície do dente:

Quando a estria evolvente transmite o torque T, a fórmula de cálculo para a tensão de contato da superfície do dente σH é σH = ZE[(2T / (ψzm²l)) · 1 / (1 / ρ1 + 1 / ρ2)]¹/². Aqui, ZE é o coeficiente elástico (relacionado ao material), ρ1 e ρ2 são os raios de curvatura nos pontos de contato das duas superfícies dentárias, ψ é o coeficiente desigual de distribuição de carga (a faixa de valores é semelhante à do spline retangular) e l é o comprimento de trabalho do spline.

O σH calculado deve ser menor que a tensão de contato admissível [σH]. A tensão de contato admissível é determinada de acordo com o material da estria e as condições de trabalho. Por exemplo, para estrias envolventes feitas de liga de aço de alta qualidade, sob boa lubrificação e condições normais de temperatura de trabalho, a tensão de contato admissível [σH] pode estar entre 200 - 300 MPa.

② Cálculo da resistência à flexão da raiz do dente:

A tensão de flexão da raiz do dente σF = 2T YFKF / (zm²l), onde YF é o fator de forma do dente e KF é o fator de carga (considerando fatores como cargas dinâmicas).

O σF calculado deve ser menor que a tensão de flexão admissível [σF]. A tensão de flexão admissível está relacionada à resistência do material e ao seu estado de tratamento térmico. Por exemplo, para ligas de aço após tratamento de cementação e têmpera, a tensão de flexão admissível [σF] pode estar em torno de 250 - 350 MPa.

③ Verificação da precisão da centralização:

A estria envolvente é centralizada pela forma do dente. A precisão da forma do dente precisa ser verificada, incluindo erros de forma do dente, erros cumulativos de passo, etc. O grau de precisão da forma do dente é selecionado de acordo com os requisitos de precisão de centralização da conexão. Por exemplo, para a conexão estriada envolvente em equipamentos aeroespaciais de alta precisão, o grau de precisão da forma do dente pode ser necessário para atingir o grau 5 - 6; para equipamentos industriais em geral, os graus 7 a 8 podem atender aos requisitos.

(3) Verificação de Splines Triangulares

① Cálculo da resistência de contato da superfície do dente:

A fórmula para calcular a tensão de contato da superfície do dente σH é σH = 2T / (ψzhlDm). Aqui, T é o torque transmitido, ψ é o coeficiente desigual de distribuição de carga (geralmente entre 0,7 - 0,85, dependendo especificamente de fatores como precisão de usinagem, qualidade de montagem e condições de trabalho da estria), h é a altura de trabalho de o dente (para a spline triangular, h = m(1 + cosα), onde m é o módulo e α é o ângulo de pressão), l é o comprimento de trabalho da spline e Dm = (d + D) / 2 ( d é o diâmetro menor da spline e D é o diâmetro maior da spline).

Compare a tensão de contato calculada na superfície do dente σH com a tensão de contato admissível [σH]. O valor da tensão de contato admissível depende do material, do método de tratamento térmico e das condições de lubrificação da estria. Por exemplo, para aço 45 após tratamento de têmpera e revenido, sob boas condições de lubrificação, a tensão de contato admissível [σH] está aproximadamente entre 120 - 180 MPa; se for utilizado aço-liga e for realizado um tratamento de endurecimento superficial adequado, a tensão de contato admissível pode ser aumentada para 200 - 300 MPa ou até mais.

② Cálculo da resistência à flexão da raiz do dente:

A fórmula de cálculo para a tensão de flexão da raiz do dente σF é σF = 2T / (zblDm), onde b é a largura da raiz do dente (para a spline triangular, b = mπsinα).

A tensão de flexão calculada na raiz do dente σF precisa ser menor que a tensão de flexão admissível [σF]. A tensão de flexão admissível está intimamente relacionada à resistência, tenacidade e dureza após o tratamento térmico do material. Por exemplo, para aço 40Cr após têmpera e revenido, a tensão de flexão admissível [σF] pode estar na faixa de 180 - 250 MPa; enquanto para ligas de aço após tratamento de cementação e têmpera, a tensão de flexão admissível pode atingir cerca de 250 - 350 MPa.

③ Verificação da precisão da centralização:

Método de centralização: A spline triangular adota o método de centralização da forma do dente. Durante o processo de usinagem e montagem, a centralização é obtida pelo encaixe preciso das formas dos dentes estriados internos e externos. Este método de centralização pode garantir alta precisão de centralização e, durante o processo de trabalho, mesmo quando sujeito a certas flutuações de carga ou impactos, devido à restrição mútua das formas dos dentes, ainda pode manter bem a coaxialidade entre o eixo e o cubo.

Requisitos de precisão: Para garantir um bom efeito de centralização e desempenho de transmissão, requisitos rigorosos são impostos à precisão da forma do dente, à precisão do passo e à rugosidade da superfície da estria triangular. A precisão da forma do dente é geralmente controlada de acordo com os graus de tolerância especificados nas normas relevantes. Por exemplo, na transmissão de precisão, o grau de tolerância à forma do dente pode ser necessário para atingir IT6 - IT7; a tolerância cumulativa do passo também precisa ser controlada dentro de uma pequena faixa para garantir a distribuição uniforme de cada dente na circunferência e evitar o fenômeno de concentração de carga causado pelo desvio do passo. Em termos de rugosidade superficial, o valor de rugosidade da superfície do dente geralmente deve estar entre Ra0,8 - Ra3,2 μm. Uma rugosidade superficial mais baixa ajuda a reduzir o atrito e o desgaste da superfície do dente e melhora a eficiência da transmissão e a vida útil da estria. Durante o processo de usinagem, processos de fresamento de precisão, brochamento ou retificação são frequentemente usados ​​para garantir esses requisitos de precisão. Enquanto isso, antes da montagem, é necessária uma inspeção rigorosa da estria para garantir que todos os indicadores de precisão atendam aos requisitos do projeto.

4. Tolerância e design de ajuste

De acordo com os requisitos de uso e condições de trabalho da spline, selecione graus de tolerância e tipos de ajuste apropriados. Para conexões com requisitos de alta precisão, como a conexão entre o fuso de uma máquina-ferramenta e a ferramenta de corte, é necessário selecionar graus de tolerância mais altos para garantir a precisão e a estabilidade da conexão. Os tipos de ajuste incluem ajuste com folga, ajuste de transição e ajuste com interferência. O ajuste com folga é usado para conexões dinâmicas para facilitar o deslizamento relativo da spline; ajuste de interferência é usado para conexões estáticas e pode transmitir torques maiores; o ajuste de transição é entre os dois.

5. Projeto do comprimento do spline

O comprimento da estria é determinado principalmente de acordo com a magnitude do torque que precisa ser transmitido pela conexão. Com a premissa de garantir a transmissão de torque suficiente, tente encurtar o comprimento da estria o máximo possível para reduzir erros e custos de fabricação. Enquanto isso, se o comprimento da estria for muito longo, isso aumentará a dificuldade de usinagem e poderá resultar em tensões irregulares durante o processo de trabalho.

6. Seleção de materiais

Aço Carbono: Tal como o aço 45, possui boas propriedades mecânicas abrangentes e um preço relativamente baixo. Após tratamento térmico apropriado (como tratamento de têmpera e revenido), ele pode ser usado para estrias triangulares com cargas gerais e requisitos de precisão média. É amplamente utilizado em alguns equipamentos mecânicos que são relativamente sensíveis ao custo e têm condições de trabalho menos adversas.

Aço de liga: Por exemplo, 40Cr, 20CrMnTi, etc. O aço de liga tem maior resistência, tenacidade e resistência ao desgaste. Através de processos de tratamento térmico apropriados (como têmpera e revenido, cementação e têmpera, etc.), pode melhorar significativamente a capacidade de carga e a vida útil da estria. É adequado para ocasiões onde grandes cargas precisam ser suportadas, operação em alta velocidade ou o ambiente de trabalho é relativamente severo (como alta temperatura, alta umidade, presença de meios corrosivos, etc.), como peças-chave de transmissão em automóveis motores, motores aeronáuticos e robôs industriais.

Durante o processo de projeto do spline, questões como processos de usinagem, lubrificação e vedação também precisam ser consideradas para garantir a confiabilidade e a vida útil da conexão spline.