Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn - 1 -
Ćw. 3. Wyznaczenie rozkładu sił w złączu nitowym.
1. Podstawowe wiadomości i pojęcia.
Połączenia nitowe – połączenia nierozłączne za pomocą nitów róŜnych części konstruk-
cyjnych (blach, kształtowników itp.), wykonanych z róŜnych materiałów.
Nit składa się z łba, trzonu (szyjki) i zakuwki (wykonywanej przy zamykaniu nitu), jak
pokazano na rys. 3.1.
Rys. 3.1 Zakuwanie nitu
Kształty i wymiary nitów są znormalizowane. RozróŜnia się:
-
nity normalne z łbami: kulistym, płaskim, soczewkowym, grzybkowym (rys. 3.2);
-
nity specjalne: okrętowe, drobne do łączenia metali nieŜelaznych, rurkowe, drąŜone,
wybuchowe itp. (rys.3.3).
Rys. 3.2 Nity normalne
Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn - 2 -
Rys. 3.3 Nity specjalne:
a – d) drobne, e) okrętowy, f – h) rurkowe, i) drąŜony, j) wybuchowy (przed i po zamknięciu)
Nity wykonuje się ze stali (St2A, St3A, St2N, St3N), z metali nieŜelaznych i ich stopów
(miedzi, mosiądzu, aluminium) oraz z tworzyw termoplastycznych (do nitowania tworzyw
sztucznych i skóry).
Połączenia nitowe stosuje się jako:
-
połączenia mocne – w budowie mostów, konstrukcji budowlanych, dźwignic itp.,
-
połączenia szczelne – w budowie zbiorników otwartych na ciecze lub ciała sypkie,
-
połączenia mocno – szczelne w budowie zbiorników i kotłów wodnych i parowych,
-
połączenia luźne, np. do łączenia ogniw łańcucha,
-
połączenia zwykłe, którym nie stawia się Ŝadnych szczególnych wymagań (w bla-
charstwie, kaletnictwie itp.)
Rys. 3.4 Połączenia nitowe:
a – c) zakładkowe, d) nakładkowe jednostronne, e – g) nakładkowe dwustronne
Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn - 3 -
Na rys. 3.4 przedstawiono róŜne rodzaje połączeń i szwów nitowych. Połączenie nitowe
charakteryzuje: średnica nitów d, podziałka szwu nitowego t, odległość między szwami nito-
wymi a oraz odległość szwu nitowego od brzegu łączonych elementów e.
Obliczenia wytrzymałościowe połączeń nitowych obejmują:
-
obliczenie nitów na ścinanie,
-
obliczenie blach łączonych na rozerwanie w przekrojach niebezpiecznych,
-
obliczenie ścian otworów w blachach na naciski powierzchniowe spowodowane
przez nity.
Dla potrzeb ćwiczenia rozpatrzmy połączenie nitowe, w którym nity są rozmieszczone
szeregowo wzdłuŜ linii działania obciąŜenia (rys. 3.5). Siła Q rozciąga złącze, starając się
przesunąć jeden pas względem drugiego. Gdyby pasy wykonane były z materiału doskonale
sztywnego, siły działające na kaŜdy z nitów byłyby sobie równe. W rzeczywistości w wyniku
odkształceń spręŜystych pasów, charakter rozkładu sił w złączu jest bardziej złoŜony.
Rys. 3.5 Schemat obciąŜenia i rozkładu sił w złączu nitowym.
Siła tnąca przenoszona przez i-ty nit wynosi:
i
i
i
i
i
Q
Q
T
),
1
(
)
1
(
,
−
+
−
=
gdzie:
i
i
Q
),
1
(
−
- siła działająca na odcinku jednego z pasów po lewej stronie rozpatrywanego nita,
)
1
(
,
+
i
i
Q
- siła działająca na odcinku tego samego pasa po prawej stronie rozpatrywanego
nita,
W niniejszych rozwaŜaniach pomijamy siły tarcia powstające na powierzchni styku pa-
sów przy ich wzajemnym przemieszczaniu.
Charakter zmian sił działających na poszczególnych odcinkach jest uwidoczniony na rys.
3.5. W pasie I zaczynając od prawej strony, zmieniają się one stopniowo, osiągając wartość
zero za ostatnim nitem. W pasie II siły zmieniają się podobnie lecz w kierunku przeciwnym.
Przykładowo na odcinku 3,4 pasa I działa siła:
)
(
'
4
5
4
,
3
T
T
Q
Q
+
−
=
,
natomiast na odpowiadającym odcinku 3,4 pasa II działa siła
)
(
'
'
3
2
1
4
,
3
T
T
T
Q
Q
+
+
−
=
,
przy czym spełniony jest zawsze warunek:
Q
Q
Q
=
+
4
,
3
4
,
3
''
'
Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn - 4 -
Odkształcenia rozpatrywanych odcinków pasów będą odpowiednio równe:
4
,
3
1
4
,
3
'
'
Q
F
E
t
t
⋅
=
∆
4
,
3
2
4
,
3
'
'
'
'
Q
F
E
t
t
⋅
=
∆
gdzie:
t – podziałka szwu,
E – moduł spręŜystości wzdłuŜnej materiału pasów,
F
1
, F
2
– pola przekrojów pasów (bez uwzględnienia osłabienia otworami pod nity).
Jak widać z powyŜszych równań, odkształcenia odpowiadających sobie pasów nie będą
jednakowe, co wywołuje złoŜony stan obciąŜenia nitów (zginanie, ścinanie nitów oraz naciski
na nity i ścianki otworów). Oczywiste jest, Ŝe ze zwiększeniem róŜnicy odkształceń spręŜys-
tych
''
i
'
t
t
∆
∆
odpowiadających sobie odcinków pasów, zwiększa się obciąŜenie nitów. RóŜ-
nica będzie największa na skrajnych odcinkach złącza (odcinek 1,2 i 4,5), a najmniejsza w
ś
rodkowej części. JeŜeli przekroje obu pasów są jednakowe (F
1
= F
2
), końcowe nity będą ob-
ciąŜone najbardziej, ale jednakowo, natomiast nity środkowe - najmniej (rys. 3.6a). JeŜeli
przekroje pasów są róŜne (F
1
≠ F
2
), rozkład sił działających na poszczególne nity będzie wy-
glądał tak, jak podano na rys. 3.6b. W tym przypadku siły działające na nity skrajne nie będą
równe. Najbardziej obciąŜony będzie nit pierwszy od strony pasa o mniejszym przekroju. Po-
dobny rozkład obciąŜeń występuje takŜe dla połączeń nakładkowych.
Rys. 3.6 Rozkład sił tnących działających na poszczególne nity w złączu
2. Schemat i opis stanowiska laboratoryjnego
Przedstawione na rys. 3.7 stanowisko laboratoryjne posiada następujące elementy: 1 –
korpus, 2 – dźwignia, 3 – siłownik hydrauliczny, 4 – prasa hydrauliczna, 5 – manometr, 6 –
złącze (próbka) ze szwem nitowym, 7 – tensometry pomiarowe, 8 – tensometr kompensacyj-
ny i wzorcowania, 9 – mostek tensometryczny TDA – 6, 10 – rejestrator.
Stanowisko to umoŜliwia wyznaczenie rozkładu sil w próbce rozciąganej ze szwem nito-
wym. ObciąŜenia wzdłuŜnego próbki dokonuje się poprzez dźwignię 2, za pomocą siłownika
3, który zasilany jest olejem z praski hydraulicznej 4. Wielkość siły wywieranej na próbkę
określa się poprzez pomiar ciśnienia oleju w cylindrze siłownika 3 za pomocą manometru 5
(uwzględniając takŜe przełoŜenie dźwigni 2). Pomiaru sił dokonuje się za pomocą układu
pomiarowego złoŜonego z tensometrów 7 i 8, mostka tensometrycznego 9 oraz rejestratora
10. PoniewaŜ układ mierzy bezpośrednio odkształcenia spręŜyste, zatem po odczycie tychŜe
Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn - 5 -
odkształceń z rejestratora naleŜy w celu określenia wielkości sił skorzystać z charakterystyki
cechowania układu pomiarowego.
Rys. 3.7 Stanowisko pomiarowe
Kolejność czynności przy wykonywaniu ćwiczenia
-
sprawdzić czy badana próbka jest nieobciąŜona (manometr 5 wskazuje zero),
-
włączyć do sieci i uruchomić mostek tensometryczny wraz z rejestratorem,
-
wyzerować układ pomiarowy (mostek, tensometry i rejestrator),
-
dokonać obciąŜania i odciąŜania próbki dla kilku wartości ciśnień, a odczytane
wskazania z tensometru wzorcowania wpisać do tabeli (w celu wykonania charakte-
rystyki wzorcowania układu pomiarowego. Pomiary powtórzyć trzykrotnie.
Siła wzdłuŜna działająca na próbkę
η
⋅
⋅
⋅
=
i
p
F
Q
gdzie:
Q – siła wzdłuŜna,
F – pole pow. tłoka w cylindrze,
p - ciśnienie wskazywane przez manometr,
i – przełoŜenie dźwigni,
η
– sprawność dźwigni
Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn - 6 -
W celu wyznaczenia charakterystyki wzorcowania układu pomiarowego naleŜy obliczyć
współczynniki regresji liniowej:
n
x
a
Q
b
x
n
x
Q
x
n
Q
x
a
n
n
i
i
n
i
n
i
n
i
n
i
i
n
i
∑
∑
∑
∑
∑
∑
∑
⋅
−
=
⋅
−
⋅
⋅
−
=
1
1
1
2
2
1
1
1
1
gdzie:
a, b – wsp. regresji liniowej,
x
i
– odczyt wzorcowania,
Q
i
– siła odpowiadająca odczytowi x
i
,
n – ilość odczytów wzorcowania
Na podstawie wskazań układu pomiarowego i zaleŜności na siłę wzdłuŜną działającą na
próbkę, mierzone przez tensometry siły określamy z zaleŜności:
b
ax
Q
i
i
+
=
a napręŜenia:
s
g
Q
i
i
⋅
=
gdzie:
g – grubość,
s – szerokość rozpatrywanego pasa
Literatura:
1. 1. Mały Poradnik Mechanika, tom 2, WNT, Warszawa 1984.