Применение и виды металлических втулок

Вращающиеся детали механизма требуют тщательного контроля за состоянием составляющих элементов. Дело в том, что при движении между запчастями образуются силы трения, которые приводят к нагреву и износу механизма, а также снижают коэффициент полезного действия всего агрегата. Предупредить поломки и повысить КПД можно, если использовать металлические втулки. В статье рассказываем о них: для чего они нужны, из каких материалов изготавливаются, в каких отраслях и агрегатах применяются. 

Что такое втулка и как она появилась

Металлическая втулка – это полая цилиндрическая (или коническая) деталь, которая необходима для сопряжения двух подвижных элементов конструкции. Она имеет разные размеры: длину, диаметр и толщину стенок. 

Когда появилась втулка? На заре индустриализации, когда производство вышло на новый виток развития и получило распространение, компании столкнулись с проблемой быстрого износа подвижных механизмов машин. Поэтому еще в начале XIX века были созданы втулки. Интересно, что первый усовершенствованный механизм – это велосипед. Французский инженер Моро спроектировал и внедрил в производство втулку, как деталь приводной системы. До того, как на велосипеде была установлена втулка, велосипедистам приходилось постоянно крутить педали, в том числе при спуске с горы. А с помощью цилиндрической детали у транспорта появился свободный ход. То есть колеса крутятся, а педали – нет. Сейчас невозможно представить велосипед без свободного хода. 

Несмотря на то, что с момента возникновения втулки прошло несколько столетий, детали осталась практически неизменными по конструкции. Конечно, производители совершенствуют форму, материал изготовления и другие параметры, но остаются прежними отличительные свойства элемента – о них поговорим подробнее. 

Для чего нужна втулка

Чтобы рассмотреть сферы применения втулки, необходимо понять, как она работает. Само изделие цилиндрической формы остается неподвижным. Его можно сравнить с частью толстостенной круглой трубы – полость внутри, ровные стенки по сечению. 

Представим любую подвижную конструкцию, в которой одна деталь вращается относительно другой. При движении образуется трение, соответственно, деталь быстро изнашивается. Если между элементами вставить втулку (например, поместить в отверстие, в котором вращается вал), то вся нагрузка ляжет именно на нее, а конструктивные детали останутся целыми. 

В сложном механизме намного проще поменять одну втулку, чем полностью демонтировать подвижный или неподвижный элемент. Поэтому основная задача втулки – это защита деталей от механических повреждений и продление срока их эксплуатации. 

Дополнительно втулки могут нести такую пользу: 

• Улучшение скольжения. Такие металлы, как медь, латунь, бронза, имеют высокие антифрикционные свойства. Что это значит: при контакте с ними сила трения ниже, чем при движении по стали или другим металлам. 
• Снижение температуры при вращении вала. Это свойство – последствие предыдущего. Чем ниже сила трения, тем меньше тепловой энергии вырабатывается при вращении. 
• Возможность добавления смазки и других жидких составов. Они могут улучшать скольжение, препятствовать нагреву и появлению коррозии. Эти составы лучше задерживаются во втулке, чем в незащищенных подвижных соединениях. 
• Защита металлического сочленения от попадания влаги, пыли и других загрязнений. Втулка выполняет дополнительную роль ширмы, предупреждая засорение подвижного узла механизма. 
• Увеличение коэффициента полезного действия. Чем ниже сила трения между подвижными деталями, тем выше производительность узла. 

Другие, более специфические цели использования металлических втулок необходимо рассматривать на конкретном примере, их разновидностях. Об этом и расскажем далее. 

Виды металлических втулок

Классификацию втулок можно вести по нескольким основаниям – размерам, материалу и способу изготовления, назначению. Рассмотрим подробнее. 

По форме

Классические виды втулок: 

• Цилиндрическая – имеет одинаковое сечение на всем протяжении.
• Коническая – отличается более суженным концом, как правило, имеет форму усеченного конуса и сквозное отверстие.
• Резьбовая – на внутренней и внешней поверхностях цилиндра или конуса нанесена резьба. Используется для разъемных прочных соединений и быстрой установки.
• Составная – она имеет сплошной разрез вдоль всей своей оси. То есть она представляет собой не цилиндр, а, скорее, завальцованный лист – вкладыш. 
• Со ступенчатым отверстием. Это переходный элемент, который необходим при сочленении двух деталей с разными размерами. Один или два края втулки имеют больший или меньший диаметр, чем основа. Дополнительно на выступающей части может быть нанесена резьба. 
• Перфорированная – по всей поверхности втулки нанесены сквозные отверстия. Перфорация необходима, если деталь должна не задерживать, а, напротив, способствовать проникновению жидкостей и газов. 

Кроме того, все втулки, вне зависимости от формы, отличаются размерами. Учитывают такие параметры, как толщина металлической стенки, шаг и глубина резьбы (при наличии), внутреннее и внешнее сечение цилиндра, размер перфорации, если она есть, а также длина изделия. 

Для каждого подвида втулок есть свои ГОСТ и другие нормативные документы. В них подробно прописаны максимально допустимые отклонения размеров от норм, а также используемые для их изготовления сплавы. Для примера, ГОСТ 24833-81 устанавливает стандарты изготовления втулок скольжения из бронзы и бронзовых сплавов. 

По назначению

Классификация втулок, в зависимости от области применения: 

• Подшипниковые – самые распространенные. Устанавливаются повсеместно в машинах и устройствах, где необходимо обеспечить вращение вала. 
• Переходные – они используются в тех случаях, когда диаметр отверстия станка не соответствует размерам оснастки. То есть для перехода от одного сечения к другому. В основном, это конические втулки.
• Закрепительные – из названия понятно, что их задача – надежно зафиксировать подшипник на валу или две другие детали.
• Резьбовые – ограничивают подвижность элементов, надежно фиксируя их. 
• Втулки скольжения – предназначены для снижения силы трения, изготавливаются из антифрикционных материалов. 

По материалу изготовления

По методу изготовления втулки бывают цельнотянутыми и разрезными. Первые производятся так: заготовку из цветного металла нагревают и протягивают через фильеры, получается цельная втулка без шва. Разрезные элементы изготавливают из листового проката. Лист вальцуют и затем сваривают. 

В качестве сырья используют разный металл и сплавы. Его выбор зависит от желаемых свойств втулки, долговечности, антифрикционных качеств. Также материал изготовления напрямую влияет на стоимость готового изделия. Рассмотрим самые распространенные виды: 

• Чугунные втулки. Доступный вариант, с точки зрения невысокой стоимости. Втулки из чугуна имеют высокую твердость, прочность, жаропрочность и износостойкость. Основной недостаток – сложно найти качественный сплав. Если в чугуне много присадок, абразивных веществ, то изделие может царапать вал, оставлять зазубрины.
• Стальные втулки. Очень прочные, однако не обладают хорошими антифрикционными свойствами. Применяются там, где важна ударная прочность и устойчивость к повышенным температурам. Еще одно преимущество – хорошая электропроводимость.
• Медные втулки. Медь в чистом виде используется редко, так как она достаточно дорогая, чаще элемент добавляют в бронзу или латунь. Однако медные втулки имеют очень хорошие характеристики: они устойчивы к коррозии, долговечны и хорошо снижают силу трения. В чистом виде медные втулки в основном применяют в электротехнических изделиях, а также в судостроении и авиакосмической отрасли. 
• Бронзовые втулки. Самый распространенный вариант, благодаря хорошему сочетанию антифрикционных свойств и доступной стоимости. Используются повсеместно при широком диапазоне температур. Особенно ценится бронза для втулок скольжения в машинах и агрегатах. Высокая устойчивость к коррозии. 
• Латунные втулки. Если сравнивать изделия из латуни с бронзовыми и медными, то они, при сохранении основных положительных свойств, более дешевые и износостойкие, прочные. Их активно применяют при изготовлении сельскохозяйственной техники и станков. 

Кроме самых распространенных материалов, втулки делают и из других цветных металлов: из алюминия, титана и их сплавов. Также изготавливают втулки из пластиков, однако, металлические изделия обычно отличаются большей долговечностью и способностью работать в сложных условиях, чем пластмассовые.

Сферы применения металлических втулок

В зависимости от разновидностей втулок, их можно использовать практически во всех отраслях. Изначально деталь применяли именно в машиностроении и станкостроении. Постепенно сфера использования втулок расширялась. Сейчас невозможно представить автомобиль, самолет или корабль без этого элемента. В любом механическом устройстве, в котором есть подвижный узел, скорее всего будет и втулка – в том или ином виде. 

Втулка – это расходная деталь, которую часто демонтируют и устанавливают новую. Это позволяет сохранить технику в исправном состоянии долгое время. Поэтому устройства и станки со втулками могут быть на оснащении у любого завода: текстильного, пищевого и так далее. 

Если втулка в ходе работы аппарата соприкасается с продуктами питания или химикатами, используются материалы, обладающие минимальной химической инертностью. Например, это могут быть втулки из пищевого алюминия или нержавейки. 

Невосприимчивость металлических втулок к коррозии и способность работать в сложных условиях и агрессивных средах позволяет применять их в таких отраслях как добыча полезных ископаемых, переработка нефтепродуктов. 

Ценность металлических втулок тем выше, чем универсальнее их применение. И пока нет полноценного аналога этим деталям, спрос на них будет постоянно расти.