Naprężenia w śrubach łożyskowych.

W silnikach spalinowych obudowy łożysk głównych i korbowodowych są dzielone.

Elementem łączącym są śruby. Wyróżnia się dwa przypadki złącza śrubowego.

Jedno (rys. a ) składa się z dwóch elementów łączonych śrubę i śrubę z nakrętką.

Drugie (rys. b) składa się z jednego elementu łączonego, którym jest jednocześnie nakrętką. W pierwszym przypadku przy skręconej śrubie łączone elementy są ściskane a śruba jest rozciągana. W drugim przypadku elementem ściskanym jest dolny element łączony, zaś śruba jest rozciągana.

Rodzaje złącz śrubowych w łożyskach głównych.

Elementy złącza ulegające ściskaniu przyjęto nazywać kolumienkami lub kołnierzami. Kolumienka jest częścią połączenia ulegająca ściskaniu.

W skręconej śrubie występują naprężenia σr ,którym odpowiada siła rozciągająca śrubę Qw zwana napięciem wstępnym. Pod wpływem napięcia wstępnego śruba wydłuża się o λ

δ rs

Qw ⋅ Is

1

λ = Ε ⋅ Is =

⋅ Is =

= Qw⋅

Ε s

Fs ⋅ Es

Cs

Gdzie:

Es – wydłużenie wstępne śruby

Is – długość śruby

Es – moduł sprężystości wzdłużnej śruby

Fs – pole przekroju śruby

Cs – sztywność śruby

Równocześnie elementy ściskane ulegają skróceniu o ∆w

22

δ k

Qws ⋅ Ik

1

w

∆ = Ε k ⋅ Lk =

⋅ Ik =

= Qw

Ek

Fk ⋅ Ek

Ck

Gdzie:

Ek – skrócenie kolumienki

Lk – długość kolumienki

Ek – moduł sprężystości wzdłużnej kolumienki

Fk – pole przekroju kolumienki

Ck – sztywność kolumienki.

Sztywność C można określić jako siłę, która wywołuje jednostkowe odkształcenia.

Zależności te w postaci graficznej przedstawia poniższy rysunek.

Charakterystyka śruby.

Charakterystyka kolumienki.

23

Sprowadzając obie charakterystyki do jednego układu otrzymujemy charakterystykę złącza śrubowego.

Charakterystyka złącza śrubowego.

Jeżeli w napiętym wstępnie złączu pojawi się dodatkowo siła Qd starająca się oddzielić od siebie ściskane elementy, to spowoduje ona dodatkowe obciążenie śruby. Śruba wydłuży się o dodatkową wartość λd spowodowaną działaniem siły Qds. Dodatkowe wydłużenie śruby powoduje wydłużenie kolumienki, czyli zmniejszenie jej skrócenia również o wartość λd. W wyniku działania siły dodatkowej Qd śruba rozciągana jest teraz siłą Qd + Qw, a kolumienka ściskana siła Qw - Qdk Qds + Qdk = Qd.

Zmiany w złączu pod wpływem dodatkowego obciążenia.

Z powyższego rysunku wynika, że wzrost i spadek naprężeń w elementach złącza nie jest równy dodatkowemu napięciu Qd. Ponadto, przyrost napięcia w śrubie nie jest równy zmniejszeniu napięcia w kolumience i zależy od sztywności śruby i kolumienki co przedstawia poniższy rysunek.

24

Wpływ zmian sztywności śruby na rozkład sił w złączu.

Naprężenia okresowe charakteryzowane są przez następujące wielkości:

- średnie naprężenie cyklu

- amplituda naprężeń

- współczynnik stałości obciążenia.

Zależność między amplitudą naprężeń a liczba cykli zmian obciążenia, po którym element obciążony ulega zniszczeniu zmęczeniowemu przedstawia tzw. krzywa Wohlera.

Krzywa Wohlera.

Wykres zmęczeniowy Haigha przedstawia natomiast zależność między naprężeniem średnim a amplitudami granicznymi cykli zmęczeniowych. Przykładowo dla σa1 i σm1

nie nastąpi uszkodzenie śruby, natomiast dla σa2 i σm2 należy spodziewać się zmęczeniowego pęknięcia śruby.

25

Wykres Haigha.

Pomiar napięcia wstępnego.

W praktyce pomiar napięcia wstępnego dokonuje się poprzez:

- pomiar wydłużenia śruby λ

- pomiar ciśnienia oleju w specjalnej prasie hydraulicznej do napinania śrub

- pomiar momentu skręcającego śrubę podczas dokręcania kluczem dynamo metrycznym

- podgrzanie śruby do określonej temperatury, zmontowanie w stanie gorącym i dokręcenie nakrętki do pierwszego oporu.

Pomiar wydłużenia śruby λs np. za pomocą mikrometru, nie jest zawsze możliwe. Nie jest możliwe gdy nakrętka ciężko dostępna lub obudowana łożyskiem.

Podczas napinania śruby kluczem dynamo metrycznym, mierzony na kluczu moment Md służy do pokonania momentu skręcającego Ms na gwincie oraz do pokonania momentu tarcia Mt na oporowej powierzchni nakrętki lub łba śruby.

Md = Ms + Mt

Ms = f µ Mt = f µ o Gdzie:

µ - współczynnik tarcia na powierzchniach gwintu

µo – współczynnik tarcia na powierzchniach oporowych kolumienki i nakrętki lub łba śruby.

26

27