Spline-asgeleiding: Types, normen en materialen

Spline-assen zijn fundamentele mechanische componenten die worden gebruikt om koppel over te brengen tussen een as en een naaf (of tandwiel), terwijl relatieve axiale beweging mogelijk wordt gemaakt of een precieze hoekpositie wordt gewaarborgd. Ze zijn in wezen een evolutie van de spiebaan en de spie, die aanzienlijk meer sterkte, betere uitlijning en een meer evenwichtige lastverdeling bieden dankzij de meerdere, integraal bewerkte spieën (splines) die passen op overeenkomstige interne splines op de naaf. Het begrijpen van de verschillende typen, gestandaardiseerde afmetingen en geschikte materialen voor spline-assen is essentieel voor het ontwerpen van robuuste en efficiënte krachtoverbrengingssystemen in industrieën als de automobielindustrie, zwaar materieel, de lucht- en ruimtevaart en machinegereedschap.

Types spline-asprofielen

De geometrie van het spline-profiel is de bepalende eigenschap die de draagkracht, uitlijningseigenschappen en geschiktheid voor verschillende toepassingen bepaalt. De belangrijkste typen spline-asprofielen zijn:

1. Parallelle spie-splines (splines met rechte zijden):

Dit zijn het oudste en eenvoudigste type. De splines zijn gelijkmatig verdeeld over de asomtrek en hebben rechte zijden die parallel lopen aan de as van de as. Ze brengen koppel over via de zijkanten van de spieën.

• Voordelen: Eenvoudig te produceren (vaak door frezen of vertanden) en relatief eenvoudig te meten. Ze maken axiale beweging onder belasting mogelijk.

• Nadelen: De lastverdeling is vaak ongelijkmatig, waardoor de spanning zich concentreert op de hoeken. Ze kunnen last hebben van speling (losheid) en zijn niet ideaal voor toepassingen met een zeer hoog koppel waarbij een precieze centrering vereist is.

2. Vertanding-splines:

Vertandingen lijken op parallelle spie-splines, maar hebben doorgaans een ondiepere, fijnere tandsteek en zijn niet bedoeld voor axiale beweging onder belasting. Ze worden voornamelijk gebruikt voor semi-permanente verbindingen of wanneer de naaf stijf aan de as moet worden bevestigd. Ze worden vaak gedefinieerd door een groot aantal tanden.

• Voordelen: Bieden een zeer nauwkeurig centreringseffect en uitstekende stijfheid voor statische verbindingen.

3. Evolvente splines:

Dit is het meest voorkomende en robuuste type spline, dat gebruikmaakt van de evolvente curve—hetzelfde profiel dat wordt gebruikt voor tandwieltanden. Het evolvente profiel maakt een veel betere lastverdeling mogelijk en zorgt voor een zelfcentrerende werking. Koppel wordt overgebracht via de flanken van de evolvente tanden.

• Voordelen: Hoge sterkte en duurzaamheid dankzij een gunstige spanningsverdeling. Ze zorgen voor een uitstekend centreringseffect, waardoor radiale belastingen en trillingen worden geminimaliseerd. Het productieproces (vertanden, vormen of rollen) is sterk gestandaardiseerd vanwege de gelijkenis met de productie van tandwielen. Ze kunnen worden geproduceerd voor glijdende (axiale beweging) of vaste omstandigheden.

• Nadelen: Complexer om te produceren en te meten dan splines met rechte zijden.

Belangrijkste spline-normen

Om uitwisselbaarheid en consistente prestaties te garanderen, worden de afmetingen van spline-assen beheerst door verschillende belangrijke internationale en nationale normen. Deze normen definiëren de kritische afmetingen, toleranties en pasvereisten.

1. ANSI B92.1 (American National Standards Institute):

Dit is de dominante norm in Noord-Amerika voor evolvente splines. Het omvat de geometrie van zowel vlakke wortel- als fillet-wortel-splines (de radius aan de basis van de tand). Het specificeert de relatie tussen de steekcirkeldiameter, de drukkingshoek (meestal $30^{circ}$, $37.5^{circ}$ of $45^{circ}$) en het aantal tanden. De norm definieert ook vier verschillende pasvormklassen (klasse 1, 2, 3 en 4), variërend van nauw glijdend tot perspassing, op basis van tolerantie-afwijkingen.

2. DIN 5480 (Deutsches Institut für Normung):

De belangrijkste Europese norm voor evolvente splines, DIN 5480, is zeer uitgebreid en wordt wereldwijd veel gebruikt, vaak de voorkeur genietend vanwege de gedetailleerde specificaties en nauwe toleranties. Het gebruikt een modulesysteem (vergelijkbaar met metrische tandwielen) om de grootte te definiëren en is bijzonder rigoureus in het definiëren van de flanktoleranties, die direct van invloed zijn op de speling en de pasvormkwaliteit.

3. ISO 4156 (International Organization for Standardization):

Deze norm is bedoeld om de verschillende nationale normen voor splines met rechte zijden en evolvente splines te harmoniseren, en biedt een wereldwijd erkende reeks specificaties voor uitwisselbaarheid, met name gericht op de cilindrische pasvorm voor evolvente splines.

4. SAE J499 (Society of Automotive Engineers):

Deze norm richt zich specifiek op splines met parallelle zijden en definieert afmetingen en toleranties die vaak worden gebruikt in de automobielindustrie en zwaar materieel waar eenvoud en robuustheid prioriteit hebben.

Deze normen vormen de blauwdruk voor het gehele productieproces, van het selecteren van de juiste frees of vormsnijder tot het definiëren van de Go/No-Go maten die worden gebruikt bij kwaliteitscontrole. De pasvorm wordt bepaald door de spelingtoeslag en de grote en kleine diameter-pasvormen, die er gezamenlijk voor zorgen dat de spline-as werkt zoals bedoeld, of deze nu soepel moet glijden of stijf moet blijven staan.

Materialen voor spline-assen

De materiaalkeuze voor een spline-as wordt bepaald door de eisen van de toepassing op het gebied van sterkte, hardheid, slijtvastheid en, af en toe, corrosiebestendigheid. Omdat spline-assen koppeloverbrengers zijn, zijn ze onderhevig aan hoge torsiespanning, buigspanning en flankcontactdruk.

1. Laag-koolstofstaal (bijv. AISI 1018, 8620):

Deze worden vaak gebruikt wanneer de as na het bewerken gecarboneerd (gehard) wordt. Carboneren creëert een hard, slijtvast oppervlak (hoge oppervlakt hardheid) met behoud van een taaie, schokabsorberende kern (lage kernhardheid). Dit is de standaardkeuze voor transmissie-assen in de automobielindustrie met een hoog volume.

2. Medium-koolstofstaal (bijv. AISI 4140, 4340):

Deze staalsoorten bieden een hoge kernsterkte en zijn uitstekend geschikt voor assen die een grotere algehele taaiheid en een hoge vermoeiingsweerstand vereisen. Ze worden typisch gehard en ontlaten (warmtebehandeld) om een gewenste balans van hardheid en ductiliteit te bereiken. 4140 is een veelvoorkomende, veelzijdige keuze, terwijl 4340 is gereserveerd voor toepassingen met extreem hoge spanningen vanwege de superieure hardbaarheid en sterkte.

3. Roestvast staal (bijv. AISI 300- en 400-serie):

Gebruikt in corrosieve omgevingen, zoals apparatuur voor de scheepvaart of voedselverwerking. De 400-serie (zoals 416) wordt vaak gebruikt wanneer zowel corrosiebestendigheid als matige sterkte nodig zijn, omdat ze warmtebehandeld kunnen worden voor een grotere hardheid.

4. Gereedschapsstaal (bijv. D2, H13):

Deze worden zelden gebruikt voor de as zelf, maar kunnen worden geselecteerd voor sterk belaste componenten in gespecialiseerde machines waar extreme slijtvastheid en maatvastheid van het grootste belang zijn, vaak in koudbewerking of omgevingen met hoge temperaturen.

De productiesequentie is cruciaal: het asmateriaal wordt typisch bewerkt tot zijn bijna-eindafmetingen, de splines worden gesneden (vertand, gevormd of gerold) en vervolgens wordt het onderdeel warmtebehandeld om de uiteindelijke vereiste hardheid en sterkte te bereiken. Precisieslijpen kan volgen op de warmtebehandeling om eventuele vervorming te corrigeren en de uiteindelijke, precieze maattoleranties te bereiken, met name op de steekcirkeldiameter, die de meest kritische afmeting is voor een goede spline-functie. De keuze van materiaal en warmtebehandeling bepaalt uiteindelijk de levensduur en betrouwbaarheid van de gehele krachtoverbrengingsconstructie.