View
4.393
Download
15
Category
Preview:
Citation preview
Suez Canal University
Faculty of engineering – Port-Said
Production Engineering
and mechanical Design Department
Keys and KeyKeys and KeyKeys and KeyKeys and Keyways ways ways ways
Prepared By
Dr. Eng.
Mohammed A. Soliman Associate Prof. Of Machine Design And Tribology
Fundamental Problem in Fundamental Problem in Shaft DesignShaft Design
How do I connect stuff to the shaft?How do I connect stuff to the shaft?Interference FitsInterference Fits
Keys & Keys & KeyseatsKeyseats
SplinesSplines/Polygons/PolygonsIntegral ShaftIntegral Shaft
PinsPins Hubs/CollarsHubs/Collars
Interference FitsInterference Fits
Interference FitsInterference Fits� ������������� ������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������Reference Lecture 15 NotesReference Lecture 15 Notes�
M ott, Figure 11-1
������������������������������
����������������������������
Keys and Keys and KeyseatsKeyseats
Keyseat
Types of Types of KeyseatsKeyseats
Olivo, Fig. 40-3
K eyseatsKeyseatsare classified according to are classified according to the process by which they are m ade.the process by which they are m ade.
Keyway Fabrication M ethodsKeyway Fabrication M ethods
End M ill on Vertical End M ill on Vertical M illing M achineM illing M achine
Key Cutter on Horizontal Key Cutter on Horizontal M illing M achineM illing M achine
Chang, Fig. 5.8, M ott, Fig. 12-6
Fillet Radii and Key Cham fersFillet Radii and Key Cham fers
General Practice: Zero General Practice: Zero root fillet and cham ferroot fillet and cham fer
Not to Scale
Standard contains recom m ended fillet radii and key cham fer com binations to provide lower stress concentration factors.
“K eys and “Keys and KeyseatsKeyseats,” ANSI ,” ANSI Standard B17.1Standard B17.1--19671967�
Better PracticeBetter Practice
45o cham fer
Fillet Radii FabricationFillet Radii Fabrication
����� !
"�#$��%������������&���������
����������������������'�������
$���(��)���
M SC Catalog, Fanfara, Figure 3-6
M ott, Figure 11-1
*����&�������+��������+��������������������'�����������������
������������������������+������&�����*�����������������������
��'������������'���*���������+���������������������������
��������������,������������*�������������������&�������������
������������&����������%������������������������������
Square and Rectangular Square and Rectangular Parallel KeysParallel Keys
Square and Rectangular Square and Rectangular Key Geom etryKey Geom etry
“Keys and “Keys and KeyseatsKeyseats,” ANSI ,” ANSI Standard B17.1Standard B17.1--19671967�
-�������������,��������.�
��������������������������
/����������������&�������
�����������'����� ���������
���������������
Set ScrewsSet Screws
Flat PointFlat Point Cup PointCup Point
Oval PointOval Point Cone PointCone Point
HalfHalf--dog Pointdog PointShigley, Fig. 8-26
H olding PowerHolding Power���������������,�������
���������������������&����
�����������������������������
�����+������������
�����������������
&�������������+�
������������&�����������
���������������
��������������������������
��������'���������������
Representative Holding Representative Holding Power ValuesPower Values
Shigley, Table 8-13
$�������������������������
�+����������������0�������
�"�����������������������
�������� $������0������1
��������'�������������
Tapered KeysTapered Keys
M ott, Figure 11-3
2���+������&����������������������������������������������&�
���������������*������������������������������������������
��������&�����������&���������������3�����������������
���������������������������������������,�����������������
�&�������������������������*�������'���������������������
���������"���������&�������������������'�������������������
���������'������&������������������������������'������
&��+���������
GibGib Head KeysHead Keys
4����������������������������������������'������
*����,���������������������������+������������
������+�����'���&������+����������������+����
���
M ott, Figure 11-3, Shigley, Fig. 8-28
W oodruff KeysW oodruff Keys
M ott, Figure 11-3
ANSI Standard B17.2ANSI Standard B17.2--1967 lists recom m ended dim ensions 1967 lists recom m ended dim ensions for W oodruff Keys.for W oodruff Keys.
��������+������������������������'����������������������&�
�������������������������*���-�������'������������������������
����+��������������+�������������'���
Circular (Pin) KeysCircular (Pin) Keys
/�+����������������������������������������������������
�������������'��������������������������������������'������"�
&���������������&�����������'��������������'��������
Fanfara, Figure 3-6, M ott, Figure 11-3
Tapered BushingsTapered Bushings
M ott, Fig. 11-10, www.em erson-ept.com
*��������&�������������&���+����&�������������
����������+��������+����������������������������
���������������������������0�
��������'�����������������
�����+��,���������+�������
Stress Analysis of Stress Analysis of Parallel KeysParallel Keys
"�'���������������������������5��6�������&��
�����������0���� 6�������&�������������������
������������&����+��������
*
3
3
Shear PlaneShear PlaneBearing SurfaceBearing Surface
( )( )
2-7
*�
-7
2
*
"
3�
-7"
2
*3
���
�
���
�
=
==
=
=
Shear Stress Analysis of Square Shear Stress Analysis of Square and Rectangular Parallel Keysand Rectangular Parallel Keys
M ott, Fig. 11-4(b)
Required Key LengthRequired Key Length(Shear)(Shear)
��
��
���
����
8
��!/�
��!//
=
=
2-/
9*87
8
��!/
2-7
*�
��
���
��
��
���
=
==
3����)�,����/�����
/������3������*�����0�
��������������������+���
���+����&�5�
*�����������+����������
'������&������&�������+�
���������+��������������������
�������������&����������������
Bearing Stress: Square and Bearing Stress: Square and Rectangular Parallel KeysRectangular Parallel Keys
M ott, Fig. 11-4(a) �7"
2
*3
"
3�
&
&
&
=
=
=
��!����
8
�/�
��
��
���&0
≤≤
=
Triaxial Triaxial Stress FactorStress Factor
2��/
9*87
��
��& =
Com parison of Shear and Com parison of Shear and Bearing Length EquationsBearing Length Equations
2-/
9*87
��
��� =
2��/
9*87
��
��& =
M inim um Required M inim um Required Length to Prevent Length to Prevent Shear FailureShear Failure
M inim um Required M inim um Required Length to Prevent Length to Prevent Bearing FailureBearing Failure
4���:�0���������������+�������������������������������'�����4�
+�������������&��+������������������������������������������&��
�&������������������������������+������������+�����������&������
����������������������+�������������������������������������
4�������������������������'������������������
Stress Analysis of Stress Analysis of W oodruff KeysW oodruff Keys
/�����"���
$
��
��
$ −
�
"�
$
$ +��
���
� −=��
���
�
"
Shear Analysis of Shear Analysis of W oodruff KeysW oodruff Keys
$
��
��
$ − ( )
( )
�
���
���
��
�
2"
*�
�$� -��"���/�����"
�$�"
"�
$
$
=
−=≡
−=
+��
���
� −=��
���
�
"
��
��
����08
��!/� =
Shear PinsShear Pins
*�������+�������������������������������������������
�������������������+������������������-�%�������������
����+���������������������������������
M ott, Fig. 11-9
Stress Concentration FactorsStress Concentration Factors
R.E. Peterson, Stress Concentration R.E. Peterson, Stress Concentration Factors, W iley, New York, 1974.Factors, W iley, New York, 1974.
��������������������������������������������������*���������
���������������������������������������&���+�������������
��������;������������������������������������������������
��������������������'��������+������������3����������������0�
;�������+�������: ��9�����&���+������: �< ��������������
*���������&���������&����+�'�������������������&������
��������*�������������������������������������������'��������
�����+���������������������������������'����������"���������'���
���'����������������������������������������������������
������'���+��������
Assignm entAssignm ent
�� 2��������������+�����������������'���������+�������&��
����������������������� �����1�����������������*���
'����������������"4/4��� ������1�������������*���+����
��������� �0�����&1���������������������&���+������
9��������
� "�=1&���������������������0�� ��&1������������������>!�
�1�����������������*�����������������������"/*)�������
���������������������&���+��������>!�����2���+���
���������'������'����������*���'���������������"4/4��� ��
����1����������������������"���"2������+������
�������&�������������������'������'��������
SplinesSplines
Fundamental Problem in Fundamental Problem in Shaft DesignShaft Design
How do I connect stuff to the shaft?How do I connect stuff to the shaft?Interference FitsInterference Fits
Keys & Keys & KeyseatsKeyseats
SplinesSplines/Polygons/PolygonsIntegral ShaftIntegral Shaft
PinsPins Hubs/CollarsHubs/Collars
SplinesSplines
Mott, Fig. 11-6
� Splines can be thought of as a series of axial keyways with mating keys machined onto a shaft.
� There are two major types of splines used in industry: 1) straight-sided splines, and 2) involute splines.
� Splines provide a more uniform circumferential transfer of torque to the shaft than a key.
Splined Splined Shaft and HubShaft and Hub
www.advanceadapters.com
External External SplineSpline
Internal Internal SplineSpline
Spline Spline StandardsStandards
� ANSI B92.1-1970 (R1982), Involute Splines, American National Standards Institute.
� ANSI B92.2-1980, Metric Module InvoluteSplines, American National Standards Institute.
� SAE Straight Tooth Splines
StraightStraight--Tooth Tooth Spline Spline GeometryGeometry
� SAE straight-tooth splines usually contain 4,6,10, or 16 splines.
� Parameter dimensions are controlled by the fit needed for a particular application.
Mott, Fig. 11-4
StraightStraight--Tooth Tooth Spline Spline StrengthStrength
Splines have the same failure mechanisms as keys:
1) shear or 2) bearing.
� The torque capacity per unit length of an SAE spline is based on a 1,000 psi bearing stress on the sides.
� Depending on the class of fit, a spline is able to accommodate axial movement along the shaft and still transmit torque.
StraightStraight--ToothTooth SplineSpline StrengthStrength(Continued)(Continued)
( )
( )
���
����
� −⋅⋅=
−⋅+⋅⋅=
−=
+=��
���
� +=
⋅⋅⋅=
8dDN1,000T
dD21
4dDN1,000T
dD21h
4dD
2d
2D
21R
hRN1,000T
22
T = Torque per unit lengthN = Number of teethD = Major spline diameterd = Minor spine diameter
d = f (D)
Torque Capacity CurvesTorque Capacity Curves(SAE Straight(SAE Straight--Tooth Tooth SplinesSplines))
Mott, Fig. 11-7
Note that an involute spline has a higher torque capacity than does a straight-tooth spline of the same major diameter.
InvoluteInvolute SplinesSplines
Involute splines generally have a 30o pressure angle.
Mott, Fig. 11-8
Standard Standard Diametral Diametral Pitches Pitches and Lengthsand Lengths
There are seventeen diametral pitches in common use:2.5 3 4 5 6 8 1012 16 20 24 32 40 4864 80 128
Standard LengthsStandard Lengths
Diametral Diametral PitchesPitches
Common designs use spline lengths of 0.75 D to 1.25 D, where D is the pitch diameter of the spline. When these standard lengths are used, the shear strength of the splines will exceed that of the shaft from which they are made.
Spline Spline Manufacturing MethodsManufacturing Methods
www.drivetraindirect.com
Forged blank is rolled under tons of pressure prior to heat treating.
The finished spline is more accurate and stronger (35%) than cut spines.
Splines are either “cut” (machined) or rolled. Rolled splines are stronger than cut splines due to the cold working of the metal. Nitriding is common to achieve very hard surfaces which reduce wear.
Rolled Rolled Spline Spline ProcessProcess
SplineSpline Failure ExampleFailure Example
www.4wdonline.com
Note the yielding of the shaft outside of the engagement area due to a torsional load. The mating internal spline forced the external slines to remain parallel. In this case the spline is stronger than the shaft.
Splined Splined Linear BearingLinear Bearing
www.tsubaki.com
Circular shaped splines have been combined with ball bearings to create linear bearings that can resist a torsional load.
PolygonsPolygons
www.generalpolygon.com
An alternative to splines that has significantly lower stress concentration is the polygon. Four and three lobed polygons are shown.
Design information on polygons is available from General Polygon.
Retaining RingsRetaining Rings� Retaining rings are used on shafts to
maintain the axial position of components.
� There are many types of retaining rings. In general, they may be classified as: 1) internal and 2) external. ExternalExternal
InternalInternal
www.rotorclip.com
Different Types of Retaining Different Types of Retaining RingsRings
www.mdmetric.com
Spring Loaded Retaining RingsSpring Loaded Retaining Rings
�“Bowed” retaining rings provide restoring forces to the components being held.
�Flat retaining rings allow small amounts of axial motion of the held component.
Bowed Internal Bowed Internal Retaining RingRetaining Ring
Bowed External Bowed External Retaining RingRetaining Ring
www.rotorclip.com
Smalley Compression Spring Smalley Compression Spring Retaining SystemRetaining System
www.smalley.com
Higher restoring forces can be obtained using compression rings manufactured by Smalley.
Retaining Ring Stress Retaining Ring Stress ConcentrationsConcentrations
� External retaining rings used on shafts require that grooves be cut into the shaft.
� The grooves generally have sharp corners or very small fillet radii which result in significant stress concentration factors.
Mott, Fig. 11-5
Retaining Ring Stress Retaining Ring Stress Concentration FactorsConcentration Factors
� The high stresses at the root of the retaining ring groove will be highly localized and will not significantly effect the static strength of a shaft made from a ductile material.
� The stress concentration factors will be important in determining the life of the shaft and must be included in life calculations.
Shigley, Fig. A15-14 & 15
Retaining Ring DesignRetaining Ring Design
Dimensions and design guidelines for retaining rings are contained in catalogs and literature published by retaining ring manufacturers.
RotoclipRotoclip, Inc., Inc. Waldes TruarcWaldes Truarc, Inc., Inc.SmalleySmalley
Designs that use retaining rings must take into account how the rings will be installed and make sure that sufficient assembly clearance is provided.
Integral ShaftsIntegral Shafts
� An alternative to attaching components to shafts is to machine the components directly onto the shaft.
� This higher priced approach is often the only approach available when tight space constraints exist.
� Complex combinations of components can be obtained using modern CNC turning centers. www.astas.co.za/shafts.html
AssignmentAssignment
1) Make a drawing of an SAE straight-tooth- 4-spline connection having a major diameter of 1.5000 in and a class A fit. Show all critical dimensions. What is the torque capacity of the spline?
2) Identify two applications of retaining rings used in mechanical equipment. Describe the applications and discuss why you think retaining rings of the type used were chosen by the designer.
Recommended