Wpust pryzmatyczny i czółenkowy – co to połączenie wpustowe

Połączenie wpustowe to połączenie rozłączne wału z piastą za pomocą elementu przenoszącego moment skręcający w postaci wpustu. Wpust pryzmatyczny zazwyczaj jest wciskany bez luzu w specjalnie wykonanych na czopach wałów rowkach wpustowych. Wystająca część wpustu pryzmatycznego lub czółenkowego wpasowywana jest, bez bocznych luzów w podobnym rowku wykonanym na piaście. Jedyny luz to luz promieniowy. Wpusty i ich kształt są w pełni znormalizowane i dobiera się je na podstawie średnicy czopa.

Główne rodzaje wpustów to:

Wpust pryzmatyczny

• Mają prostokątny przekrój.
• Są najczęściej stosowane.
• Montowane w rowkach wykonanych zarówno na wałach, jak i w otworach piast.
• Zapewniają stabilne przenoszenie momentu obrotowego.

Wpusty pryzmatyczne mogą być

• zaokrąglone pełne
• ścięte pełne
• zaokrąglone jednootworowe
• ścięte jednootworowe
• zaokrąglone dwuotworowe
• ścięte dwuotworowe
• pełne zaokrąglone
• jednostronnie zaokrąglone
• pełne wyciskowe
• zaokrąglone dwuotworowe
• wyciskowe ścięte
• dwuotworowe wyciskowe

Wpusty czółenkowe/półokrągłe (owalne)

• Mają półkolisty przekrój.
• Stosowane w aplikacjach dla połączeń walcowych i stożkowych.
• Stosowane do połączeń z niewielkim momentem obrotowym.

Najczęściej spotykane na rynku wymiary wpustów pryzmatycznych i rowków w zalezności od średnicy wału.

Tabela wpustów pryzmatycznych w zależności od rozmiaru średnicy czopa wału

Zalety i wady połączenia z wpustem pryzmatycznym

Wpust pryzmatyczny oferuje szereg zalet, takich jak łatwość montażu czy normalizacja kształtu, co czyni je wygodnym rozwiązaniem zarówno w produkcji jednostkowej, jak i małoseryjnej. Niemniej jednak, warto także zwrócić uwagę na ograniczenia tego typu połączenia, które mogą wpłynąć na jego efektywność w specyficznych zastosowaniach.

Poniżej przedstawiono szczegółowe zalety i wady połączenia z wpustem pryzmatycznym, które pomogą lepiej zrozumieć jego właściwości i potencjalne zastosowania.

Zalety wpustów pryzmatycznych 

1. Centrowanie piasty w czopie,

2. Łatwość montażu i demontażu,

3. Łatwość wykonania i produkcji (jednostkowej i małoseryjnej)

4. Normalizacja kształtu i pasowania

Wady wpustów pryzmatycznych

1. Osłabienie przekroju wału

2. Brak możliwości przenoszenia siły wzdłużnej

3. Brak zdolności do przenoszenia obciążeń zmiennych

Pasowanie wpustów pryzmatycznych

Przykładowe opcje pasowań wpustów na zasadzie:

stałego otworu

na zasadzie stałego wałka

Użycie zasady stałego wałka pozwala nam na użycie takich samych wpustów bez konieczności zamiany ich geometrii. Jedynie zmiany geometrii rowka wpustowego. „Wałkiem” w naszym przypadku jest wpust.

Wyróżnia się dwa główne rodzaje osadzeń wpustów:

spoczynkowe – wpusty osadzone bez luzu na czopie i piaście, Wpusty zarówno spoczynkowe jak i przesuwne nie zabezpieczają piasty przed przesunięciem w osi wału – wzdłuż osi.

W takim przypadku należy zabezpieczyć (ustalić) wzdłuż osi wału piastę.  pasowanie h6/P9 dla piasty koła i wału.   

przesuwne – wpusty osadzone bez luzu na czopie i z luzem na powierzchniach wzdłuż osi przesuwnej piasty.

Pasowanie h6/D10 dla piasty koła i h6/H9 dla wału.

Konstrukcyjne odmiany wpustów

wpust pryzmatyczny zaokrąglony i sposób mocowania do wału
wpust pryzmatyczny ścięty dwuotworowy i sposób mocowania do wału
wpust czółenkowy i sposób mocowania do wału

Sposoby mocowania wpustu pryzmatycznego i czółenkowego do piasty

wpust pryzmatyczny mocowany do wału z podcięciem wału
śrubą przykręcona do wpustu pryzmatycznego oparta na piaście o łbie okrągłym
śrubą przykręconą do wpustu pryzmatycznego oparta na piaście o łbie stożkowym
wpust pryzmatyczny zamocowany do piasty kołkiem

Obliczenia wytrzymałościowe połączenia z wpustem pryzmatycznym

Obliczenia wytrzymałości wpustu pryzmatycznego

Aby poprawnie przeprowadzić proces obliczeniowy wpustu należy najpierw zdefiniować co rozumiemy przez zniszczenie połączenia. Opcje są dwie, ulec zniszczeniu może nasz wpust, lub piasta. Dla znormalizowanych wpustów nie musimy przejmować się wałkiem.

Jeśli naszym kryterium uszkodzenia połączenia jest uszkodzenie wpustu to liczymy wytrzymałość takiego połączenia z warunku na dopuszczalne naciski powierzchniowe p_dop  na boku w pustu.  Warunkiem wyboru wpustu jest obliczenie długości l_o wpustu.

Parametrem początkowym do rozpoczęcia obliczeń jest moment skręcający jaki ma przenieść nasz element wpustowy: Ms

Poniżej przedstawiono schemat przenoszenia obciążeń z wału na wpust. 

W przypadku podwójnego wpustu.

Gdzie:

P-siłą wypadkowa działająca na boczną ścianę wpustu

e-odległość między siłami z pary sił

P’ – siłą wypadkowa z nacisku na dno rowka wpustowego w czopie

T-siła tarcia na bocznej powierzchni rowka w piaście – równa jest sile P’

P”_1  – siła wypadkowa sił P’ i P

P”_2 – siła wypadkowa sił T i P

M_1 – moment obracający wpust w rowku spowodowany parą sił wypadkowych

M_2 – moment M_2 równoważący parę sił wypadkowych

Momenty M_1 i M_2 równoważą się w przypadku gdy P’_1 i P”_2 są współosiowe

Obciążenie wpustu można sprowadzić do siły N działającej na bok wpustu w jego połowie.

Wzór na wytrzymałość wpustu ze wzgledu na naciski powierzchniowe przyjmuje postać:

Gdzie:

Ms – moment skręcający

h – wysokośc wpustu

d – średnica nominalna

l – długość rzeczywista wpustu

lo – długość obliczeniowa wpustu, dla wpustów pryzmatycznych

człon (h/2*d/2) w mianowniku odpowiada polu boku osadzonego w piaście/wale wpustu pryzmatycznego. Po połowie na stronę.

Uproszczenia:

-zaokrąglone boki wpustu nie przenoszą obciążeń – trochę przenoszą ale udajemy, że nie

-siła wypadkowa N działająca na górny lub dolny fragment wpustu i tak działa w połowie, nigdy nie jest równo w połowie ale ponownie udajemy, że jest inaczej – żeby było nam łatwiej.

-R_czopu=R_p

-założenie, że wpust jest w połowie w czopie i w połowie w piaście

-założenie, że naciski dopuszczalne czopa wału są większe niż piasty

-wpust przylega na całej części linii powierzchni – w rzeczywistości poprzez siły jest lekko zukosowany

Nie ma potrzeby sprawdzać wpustu z uwagi na naprężenia ścinające chyba, że jest to wymagane. Jeśli tak to wzór na naprężenia ścinające przedstawiony jest poniżej:

Gdzie:

x- współczynnik bezpieczeństwa

Pozostawienie naddatku materiału w przypadku stosowania połączeń wpustowych

Obliczenia wytrzymałości piasty pod wpust pryzmatyczny

Jeśli naszym kryterium uszkodzenia połączenia wpustowego jest jednak uszkodzenie piasty (np. obawiamy się, że możemy uszkodzić koło zębate lub cienki element który osadzamy)  to liczymy wytrzymałość takiego połączenia z warunku na dopuszczalne naciski powierzchniowe p_dop  na piaście.

stosunek c_1 grubości piasty g_p , średnica czopa d

Dla grubości czopa zależnego jedynie od momentu skręcającego

Gdzie:

k_s – dopuszczalne naprężenia przy skręcaniu

Ostatecznie grubość piasty

Wprowadzając

gp – grubość piasty

gm – grubość piasty w miejscu rowka

Tablica wyznaczania grubości piasty, dla wstępnych analiz. Dla bardziej zaawansowanych obliczeń polecamy stosowanie wzorów powyżej uwzględniających dopuszczalne naprężenia przy skręcaniu dla konkretnego materiału.