Медные втулки

Для правильного выбора размера, материала и спецификации медных втулок необходимо учитывать сочетание условий (например, несущая способность, рабочая скорость, требования к смазке) и сценариев установки (например, диаметр вала, материал корпуса, рабочая среда), а также сосредоточиться на совместимости основных параметров. Ниже приводится подробное объяснение с трех позиций: определение размера, выбор допуска и ключевые параметры:

Размер медных втулок должен точно соответствовать диаметру вала и посадочному корпусу. Основное – определение трех ключевых параметров: внутренний диаметр (соответствие валу), наружный диаметр (соответствие корпусу) и длина:

Основной принцип: внутренний диаметр медной втулки должен быть немного больше диаметра вала (образуя зазор посадки). Размер зазора регулируется в соответствии с рабочими характеристиками для балансировки эксплуатационной гибкости и стабильности:

• Низкая скорость и большая нагрузка (например, прессы, валы дробилок): требуется меньший зазор (0,01-0,03 мм), чтобы избежать увеличения локального износа, вызванного тряской между валом и втулкой;
• Высокая скорость и малая нагрузка (например, валы двигателей, валы вентиляторов): требуется больший зазор (0,03-0,08 мм), чтобы зарезервировать пространство для теплового расширения медной втулки (коэффициент теплового расширения меди ≈16*10⁻⁶/°C, выше, чем у стали) для предотвращения заклинивания при высокой температуре;
• Хорошая смазка (например, масляная ванна, принудительная смазка): зазор можно умеренно увеличить (0,05-0,12 мм) для улучшения текучести смазочной среды;
• Жесткая среда (например, пыль, сухое трение/граничная смазка): зазор должен строго контролироваться (≤0,03 мм) для уменьшения попадания примесей и сухого износа;
• Адаптация материала: чистая медь (красная медь) относительно мягкая, поэтому зазор следует брать по нижнему пределу (≤0,02 мм), чтобы избежать деформации; латунь и бронзу можно выбирать в соответствии с обычными зазорами;
• Формула расчета: Рекомендуемый внутренний диаметр d = диаметр вала + зазор посадки. Точность диаметра вала обычно h6/h7 (зона допуска вала), а допуск внутреннего диаметра медной втулки соответственно выбирается как H7/H8 (зона допуска отверстия) для образования «посадки с зазором».

Наружный диаметр медной втулки должен образовывать стабильную посадку с посадочным корпусом (обычно чугун, стальная пластина или алюминиевый сплав), чтобы предотвратить скольжение втулки в корпусе во время работы:

• Малая нагрузка, сценарии, требующие разборки (например, детали общего машиностроения): переходная посадка (допуск втулки g6, допуск корпуса H7), допускающая небольшой зазор или натяг (±0,01 мм) для балансировки фиксации и удобства разборки;
• Большая нагрузка, вибрационные сценарии (например, сельскохозяйственная техника, строительная техника): посадка с натягом (допуск втулки r6, допуск корпуса H7), величина натяга 0,01-0,04 мм (чем больше диаметр, тем больше величина натяга), чтобы обеспечить надежную фиксацию медной втулки и избежать ослабления от вибрации;
• Адаптация материала корпуса: когда корпус изготовлен из мягких материалов, таких как алюминиевый сплав, величина натяга уменьшается вдвое (0,005-0,02 мм) для предотвращения деформации и растрескивания корпуса.

Выбор длины должен избегать недостаточной опоры из-за слишком короткой длины и проблем с теплоотводом или обработкой, вызванных слишком большой длиной:

• Риск слишком короткой длины: недостаточная площадь опоры, чрезмерная нагрузка на единицу площади, что приводит к локальному раздавливанию и деформации медной втулки;
• Риск слишком большой длины: плохой отвод тепла в середине медной втулки (хотя медь обладает отличной теплопроводностью, чрезмерное соотношение длины к диаметру приводит к накоплению тепла), увеличение сложности обработки и более высокие затраты;
• Рекомендуемое соотношение: L=(1,2-3)*d (внутренний диаметр) для обычных сценариев;
• Специальная адаптация: для тонких валов и условий вибрации его можно увеличить до L=(3-4)*d, но необходимо спроектировать осевые масляные канавки (ширина 2-3 мм, глубина 0,5-1 мм) для помощи в отводе тепла и смазке;
• Ограничение материала: чистая медь имеет низкую прочность, поэтому длина не должна превышать 3d, чтобы избежать деформации изгиба.

Медные втулки работают в среде динамического трения, поэтому контроль допуска должен избегать свободной посадки, заклинивания или чрезмерного износа:

• Допуск внутреннего диаметра: класс H7 (например, d=50 мм, диапазон допуска 0~+0,025 мм) или класс H8 (0~+0,039 мм) для обеспечения равномерного зазора медных втулок в одной партии;
• Допуск наружного диаметра: класс g6 (например, D=60 мм, диапазон допуска -0,012~-0,002 мм) или класс r6 (+0,028~+0,038 мм), соответствующий допуску корпуса для образования стабильной посадки;
• Основное требование: допуск соосности между внутренним и наружным диаметрами одной и той же медной втулки ≤0,01 мм, чтобы избежать неравномерного зазора и локального износа, вызванного эксцентриситетом.

• Допуск круглости: ≤0,005 мм (внутренний диаметр ≤50 мм) или ≤0,01 мм (внутренний диаметр >50 мм), чтобы избежать «точечного контакта» между валом и втулкой, вызванного овальностью, что усиливает износ;
• Допуск цилиндричности: ≤0,01 мм/м для обеспечения равномерной посадки между внутренней стенкой медной втулки и всей длиной вала, обеспечивая сбалансированную силу;
• Допуск перпендикулярности торцевой поверхности: ≤0,01 мм/м, чтобы избежать осевого перемещения, вызванного неравномерным усилием на торцевой поверхности.

• Шероховатость внутренней стенки: Ra≤0,8 мкм (полированная обработка) для уменьшения коэффициента трения с валом (коэффициент трения между медью и сталью ≈0,15, который можно уменьшить до 0,08-0,1 после полировки);
• Шероховатость наружной стенки: Ra≤1,6 мкм для улучшения посадки с корпусом и повышения стабильности фиксации;
• Снятие фаски с кромки: оба конца сняты фаской под углом 1*45° или 2*30°, чтобы избежать царапин вала или корпуса во время установки и направить приток смазочной среды.

Медные втулки в основном делятся на три категории: чистая медь, латунь и бронза. Различия в производительности определяют применимые сценарии:

• Адаптация к нагрузке: для давления ≤15 МПа можно выбрать латунь; для 15-30 МПа выбирается оловянная бронза; для >30 МПа предпочтительна алюминиевая бронза (высокая прочность, ударопрочность);
• Адаптация к скорости: для линейной скорости ≤3 м/с можно выбрать чистую медь или латунь; для 3-10 м/с подходит оловянная бронза (износостойкость); для >10 м/с необходимо сочетать принудительную смазку + бронзовый материал;
• Коррозионная среда: для влажных, кислотно-щелочных сред (например, химическое оборудование) предпочтительна алюминиевая бронза или оловянная бронза (превосходная коррозионная стойкость по сравнению с латунью и чистой медью);
• Сценарии без масла/с низким содержанием масла: выбирается свинцовосодержащая бронза (например, ZCuSn10Pb1), так как свинец образует самосмазывающийся слой для уменьшения сухого износа.

• Конструкция масляной канавки/масляного отверстия: для условий большой нагрузки и высокой скорости на внутренней стенке медной втулки следует открыть осевые масляные канавки (ширина 2-3 мм, глубина 0,5-1 мм) или кольцевые масляные канавки, а также установить масляные отверстия (апертура 2-4 мм) на концах для обеспечения непрерывной смазки;
• Конструкция толщины стенки: обычная толщина стенки δ=(D-d)/2=3-8 мм; для условий большой нагрузки ее можно увеличить до 8-15 мм; для материалов из чистой меди толщина стенки должна быть увеличена на 20% по сравнению с латунью/бронзой для компенсации недостаточной прочности;
• Конструкция упора: для условий сильной вибрации на наружной стенке медной втулки можно открыть стопорную канавку (ширина 3-5 мм, глубина 1-2 мм) и зафиксировать ее стопорным штифтом для предотвращения вращения по окружности.