Что такое пружинный штифт?
Пружинный штифт, также известный как трубчатый или скрученный, представляет собой механический крепежный элемент, используемый для соединения двух или более деталей в сборке. Пружинные штифты представляют собой полые цилиндрические детали, которые изготавливаются из различных типов пружинной стали или других материалов. Они предназначены для запрессовки в отверстия, диаметр которых меньше диаметра штифта.
Основное отличие пружинного штифта от классического полнотелого штифта заключается в том, что его радиальная жесткость значительно ниже, чем у материала, в который он устанавливается. Сплошные штифты имеют гладкую поверхность или с элементами фиксации, такими как канавки, насечки или зазубрены. Такие полнотелые пальцы обычно фиксируются за счет деформации материала, в который они устанавливаются. Однако в случаях, когда штифт и отверстие обработаны с высокой точностью (шлифовка и развертка), посадка крепежа может быть очень точно контролируемой, с небольшим зазором или небольшим натягом, что не приводит к деформации материала. Тем не менее, такая точная обработка делает этот метод крепления одним из самых дорогостоящих.
С другой стороны, гибкость пружинного штифта позволяет ему компенсировать большие допуски отверстий по сравнению с жесткими сплошными штифтами. Это делает подготовку отверстий менее трудоемкой и менее дорогой, что снижает общую стоимость производства. Сравнительно низкая жесткость также имеет дополнительное преимущество – пружинные штифты не повреждают отверстие (при правильном выборе), что позволяет проводить обслуживание без необходимости замены деталей.
Существует два основных типа пружинных штифтов: разрезные пружинные штифты и спиральные пружинные штифты.
Разрезные пружинные штифты
Разрезной пружинный штифт характеризуется С-образным поперечным сечением и прорезью, идущей параллельно его оси. Хотя точное происхождение этих штифтов неизвестно, они использовались в механических устройствах на протяжении всей современной истории. Со временем, благодаря различным отраслевым стандартам, их сфера применения значительно расширилась. Существует несколько действующих стандартов, но шесть из них являются наиболее распространенными: ASME B18.8.2, ASME B18.8.4M, ISO 8752 (DIN 1481) и ISO 13337 (DIN 7346).
Спиральные пружинные штифты
Спиральный пружинный штифт отличается поперечным сечением в виде 2¼ витков. История спирального штифта более ясна: он был изобретен в 1948 году Германом Коэлем, основателем компании SPIROL, специально для решения задачи, связанной с сильными вибрациями и динамическими нагрузками – ротора реактивного двигателя.
В отличие от традиционных крепежных элементов, таких как гайки и болты, которые имеют тенденцию ослабляться при сильной вибрации, или жестких сплошных штифтов, которые передают динамические нагрузки на стенки отверстия и могут нарушить фиксацию, спиральный штифт был разработан таким образом, чтобы быть достаточно прочным для сопротивления нагрузкам, но при этом достаточно гибким для их поглощения, что сохраняет целостность материала отверстия и сборки. Спиральные штифты доступны в трех вариантах исполнения (стандартное, тяжелое и легкое) для оптимального сочетания прочности и гибкости для различных применений и материалов основы. Наиболее распространенные стандарты для спиральных штифтов: ISO 8750 (DIN 7343), ISO 8748 (DIN 7344), ISO 8751 (DIN 7343), ASME B18.8.2 и ASME B18.8.3M. Эти нормативные документы мало различаются между собой и считаются практически эквивалентными.
Физические характеристики и различия
Поперечное сечение
Основное различие между спиральным и разрезным пружинным штифтом заключается в их поперечном сечении (см. Рисунок 1). Разрезной штифт имеет С-образную форму и обычно изготавливается из более толстой полосы материала, тогда как спиральный штифт изготавливается из более тонкой полосы для достижения характерного сечения с 2¼ витками при том же номинальном диаметре. Это различие влияет на гибкость штифта. Щелевой штифт может сжиматься только до определенного предела, после чего он закрывает свой зазор и фактически становится жесткой, цельной трубой. Паз позволяет разрезному штифту поглощать допуск отверстия во время установки, но удары и вибрации после установки не гасятся, поскольку дальнейшее гибкое движение ограничено закрытым пазом. Это может привести к преждевременному выходу из строя соединения и повреждению основной детали.
С другой стороны, спиральный штифт может сжиматься после установки благодаря практически бесконечной гибкости витков. На самом деле, когда правильно выбранный свернутый пружинный штифт используется в сборке, он будет постоянно поглощать вибрации и ударные нагрузки, защищая материал отверстия для максимизации срока службы сборки.
Прорезь/стык
Еще одно ключевое отличие – конструкция края, где заканчивается стальная полоса. У разрезного штифта это прорезь. В некоторых конфигурациях прорезь может быть такой же ширины, как и толщина полосы (ISO 8752), что позволяет штифтам сцепляться друг с другом (см. Рисунок 2). Такие штифты не рекомендуется использовать в автоматизированных линиях сборки, так как это может привести к заклиниванию оборудования.
Спиральный штифт, благодаря нескольким виткам материала, имеет гладкий шов вместо открытой прорези (см. Рисунок 3). Это не только предотвращает сцепление штифтов, но и обеспечивает гладкую поверхность для вращения, что особенно полезно в шарнирных соединениях. Еще одно преимущество спирального штифта – его прочность не зависит от ориентации, в отличие от С-образного разрезного штифта, прочность которого может варьироваться на 5% в зависимости от ориентации прорези относительно нагрузки (0° или 180°, см. Рисунок 4).
Фаска
В некоторых конфигурациях штифтов с прорезями диаметр фаски указывается просто как «меньше номинального диаметра штифта» (ISO 8752). Это предотвращает предварительное выравнивание штифта с отверстием перед установкой и не позволяет штифту компенсировать несоосность между закрепленными деталями. Другие стандарты разрезных штифтов предусматривают более контролируемый диаметр фаски, разработанный так, чтобы быть меньше отверстия с запасом специально для облегчения сборки.
Все спиральные штифты имеют фаску, диаметр которой меньше отверстия. Фаска обжата с плавным переходом, что обеспечивает беспроблемную и безупречную сборку.
Прямые торцы
Из-за различных методов производства штифты с прорезями часто имеют торцы, не совсем перпендикулярные своей оси. Это может стать препятствием при автоматической подаче, где штифты, уложенные друг на друга, могут цепляться за соседние части и вызывать заклинивание. Это также может быть вызвано маленькими «выступами» материала, которые иногда образуются на конце пальца в процессе изготовления (Рисунок 5).
Свернутые пружинные штифты имеют прямые торцы, которые позволяют им самовыравниваться в установочном устройстве. Это гарантирует, что штифт останется прямым, и что равномерное усилие будет приложено во время установки в отверстие.
Рекомендации по выбору штифтов в зависимости от применения
В динамических условиях
Когда речь идет о применении в условиях динамических нагрузок, спиральные штифты превосходят другие типы штифтов с прессовой посадкой. В динамических условиях штифт подвергается вибрации, толчкам или ударным воздействиям, и для достижения максимально длительного срока службы он должен их поглощать.
Свернутые штифты были специально разработаны для сохранения гибкости после вставки и поглощения изменяющихся нагрузок и вибраций (Рисунок 6). Исследования показали, что спиральный штифт явно превосходит щелевой штифт в испытаниях на усталость по обоим параметрам:
- По максимальной нагрузке для бесконечного срока службы;
- По количеству циклов до отказа при заданной нагрузке.
У разрезного штифта очень ограниченная гибкость – большая часть которой расходуется во время монтажа. После установки у щелевых штифтов остается очень мало зазора для поглощения изменяющихся нагрузок. Когда прорезь закрывается, щелевой штифт становится жесткой, цельной трубой и действует аналогично цельнолитому штифту, передавая нагрузку напрямую основному материалу. Это может повредить отверстие, делая детали непригодными для использования или требующими доработки.
Есть еще один фактор, влияющий на срок службы прорезных штифтов – ориентация паза. По результатам тестирования было установлено, что срок службы щелевого штифта может сократиться примерно на 50%, если прорезь ориентирована под углом 90° к нагрузке (Рисунок 4).
С другой стороны, срок службы спиралевидного штифта не зависит от его ориентации в отверстии.
Автоматическая сборка
В условиях высокоавтоматизированного производства крайне важно обеспечить стабильное качество установки и предотвратить остановку производственной линии. Благодаря уникальным характеристикам, цилиндрический спиральный штифт идеально подходит для таких условий. Отсутствие прорези, прямые торцы, фаска с плавным переходом и постоянное усилие установки обеспечивают беспроблемный монтаж и минимальное время простоя.
