Download - keys & splines

Transcript
Page 1: keys & splines

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

Page 2: keys & splines

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

Page 3: keys & splines

Interference FitsInterference Fits

Interference FitsInterference Fits� ������������� ������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������Reference Lecture 15 NotesReference Lecture 15 Notes�

Page 4: keys & splines

M ott, Figure 11-1

������������������������������

����������������������������

Keys and Keys and KeyseatsKeyseats

Keyseat

Page 5: keys & splines

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.

Page 6: keys & splines

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

Page 7: keys & splines

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

Page 8: keys & splines

Fillet Radii FabricationFillet Radii Fabrication

����� !

"�#$��%������������&���������

����������������������'�������

$���(��)���

M SC Catalog, Fanfara, Figure 3-6

Page 9: keys & splines

M ott, Figure 11-1

*����&�������+��������+��������������������'�����������������

������������������������+������&�����*�����������������������

��'������������'���*���������+���������������������������

��������������,������������*�������������������&�������������

������������&����������%������������������������������

Square and Rectangular Square and Rectangular Parallel KeysParallel Keys

Page 10: keys & splines

Square and Rectangular Square and Rectangular Key Geom etryKey Geom etry

“Keys and “Keys and KeyseatsKeyseats,” ANSI ,” ANSI Standard B17.1Standard B17.1--19671967�

-�������������,��������.�

��������������������������

/����������������&�������

�����������'����� ���������

���������������

Page 11: keys & splines

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���������������,�������

���������������������&����

�����������������������������

�����+������������

�����������������

&�������������+�

������������&�����������

���������������

��������������������������

��������'���������������

Page 12: keys & splines

Representative Holding Representative Holding Power ValuesPower Values

Shigley, Table 8-13

$�������������������������

�+����������������0�������

�"�����������������������

�������� $������0������1

��������'�������������

Page 13: keys & splines

Tapered KeysTapered Keys

M ott, Figure 11-3

2���+������&����������������������������������������������&�

���������������*������������������������������������������

��������&�����������&���������������3�����������������

���������������������������������������,�����������������

�&�������������������������*�������'���������������������

���������"���������&�������������������'�������������������

���������'������&������������������������������'������

&��+���������

Page 14: keys & splines

GibGib Head KeysHead Keys

4����������������������������������������'������

*����,���������������������������+������������

������+�����'���&������+����������������+����

���

M ott, Figure 11-3, Shigley, Fig. 8-28

Page 15: keys & splines

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.

��������+������������������������'����������������������&�

�������������������������*���-�������'������������������������

����+��������������+�������������'���

Page 16: keys & splines

Circular (Pin) KeysCircular (Pin) Keys

/�+����������������������������������������������������

�������������'��������������������������������������'������"�

&���������������&�����������'��������������'��������

Fanfara, Figure 3-6, M ott, Figure 11-3

Page 17: keys & splines

Tapered BushingsTapered Bushings

M ott, Fig. 11-10, www.em erson-ept.com

*��������&�������������&���+����&�������������

����������+��������+����������������������������

���������������������������0�

��������'�����������������

�����+��,���������+�������

Page 18: keys & splines

Stress Analysis of Stress Analysis of Parallel KeysParallel Keys

"�'���������������������������5��6�������&��

�����������0���� 6�������&�������������������

������������&����+��������

*

3

3

Shear PlaneShear PlaneBearing SurfaceBearing Surface

Page 19: keys & splines

( )( )

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)

Page 20: keys & splines

Required Key LengthRequired Key Length(Shear)(Shear)

��

��

���

����

8

��!/�

��!//

=

=

2-/

9*87

8

��!/

2-7

*�

��

���

��

��

���

=

==

3����)�,����/�����

/������3������*�����0�

��������������������+���

���+����&�5�

*�����������+����������

'������&������&�������+�

���������+��������������������

�������������&����������������

Page 21: keys & splines

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

��

��& =

Page 22: keys & splines

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�������������������������'������������������

Page 23: keys & splines

Stress Analysis of Stress Analysis of W oodruff KeysW oodruff Keys

/�����"���

$

��

��

$ −

"�

$

$ +��

���

� −=��

���

"

Page 24: keys & splines

Shear Analysis of Shear Analysis of W oodruff KeysW oodruff Keys

$

��

��

$ − ( )

( )

���

���

��

2"

*�

�$� -��"���/�����"

�$�"

"�

$

$

=

−=≡

−=

+��

���

� −=��

���

"

��

��

����08

��!/� =

Page 25: keys & splines

Shear PinsShear Pins

*�������+�������������������������������������������

�������������������+������������������-�%�������������

����+���������������������������������

M ott, Fig. 11-9

Page 26: keys & splines

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�����&���+������: �< ��������������

*���������&���������&����+�'�������������������&������

��������*�������������������������������������������'��������

�����+���������������������������������'����������"���������'���

���'����������������������������������������������������

������'���+��������

Page 27: keys & splines

Assignm entAssignm ent

�� 2��������������+�����������������'���������+�������&��

����������������������� �����1�����������������*���

'����������������"4/4��� ������1�������������*���+����

��������� �0�����&1���������������������&���+������

9��������

� "�=1&���������������������0�� ��&1������������������>!�

�1�����������������*�����������������������"/*)�������

���������������������&���+��������>!�����2���+���

���������'������'����������*���'���������������"4/4��� ��

����1����������������������"���"2������+������

�������&�������������������'������'��������

Page 28: keys & splines

SplinesSplines

Page 29: keys & splines

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

Page 30: keys & splines

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.

Page 31: keys & splines

Splined Splined Shaft and HubShaft and Hub

www.advanceadapters.com

External External SplineSpline

Internal Internal SplineSpline

Page 32: keys & splines

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

Page 33: keys & 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

Page 34: keys & splines

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.

Page 35: keys & splines

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)

Page 36: keys & splines

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.

Page 37: keys & splines

InvoluteInvolute SplinesSplines

Involute splines generally have a 30o pressure angle.

Mott, Fig. 11-8

Page 38: keys & splines

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.

Page 39: keys & splines

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

Page 40: keys & splines

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.

Page 41: keys & splines

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.

Page 42: keys & splines

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.

Page 43: keys & splines

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

Page 44: keys & splines

Different Types of Retaining Different Types of Retaining RingsRings

www.mdmetric.com

Page 45: keys & splines

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

Page 46: keys & splines

Smalley Compression Spring Smalley Compression Spring Retaining SystemRetaining System

www.smalley.com

Higher restoring forces can be obtained using compression rings manufactured by Smalley.

Page 47: keys & splines

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

Page 48: keys & splines

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

Page 49: keys & splines

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.

Page 50: keys & splines

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

Page 51: keys & splines

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.