© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 1

PKM Laboratorium numer 2

prowadzący: dr inż. Marcin Szczęch

Laboratorium składa się z dwóch ćwiczeń:

Ćwiczenie nr 1:

Badanie mechanizmu

śrubowego

Ćwiczenie to prowadzone jest według procedury opisanej w skrypcie AGH „Laboratorium z Podstaw
Konstrukcji Maszyn”, Maria Porębska, Marian Warszyński.

Ćwiczenie nr 2:

Badanie no

śności złącza śrubowego napiętego wstępnie

Instrukcja przedstawiona będzie poniżej.

Przed przystąpieniem do zajęć należy przygotować się z tematyki ćwiczeń. Uczestnicy laboratorium
zobowiązani są do zapoznania się z budową stanowisk oraz przebiegiem ćwiczeń.

Przewidziane jest sprawdzenie wiedzy w formie kartkówki.

SPRAWOZDANIE

•

Sprawozdanie należy oddać osobiście w godzinach konsultacji lub poza nimi jeżeli będę
dysponował czasem.

•

Ostateczny termin oddania sprawozdania podany jest przy wynikach badań na stronie
internetowej.

•

Maksymalna ilość osób na jedno sprawozdanie to 3.

•

Należy sporządzić jedno sprawozdanie z dwóch ćwiczeń.

•

Wnioski sporządzić osobno dla ćwiczenia numer 1 i 2.

•

Sprawozdanie może być wydrukowane w kolorze czarno-białym.

•

Osoby odrabiające laboratorium na innej grupie wykonują sprawozdanie według danych
dla swojej grupy.

Sprawozdanie powinno zawiera

ć:

- schematy stanowisk laboratoryjnych,
- wyniki pomiarów,
- obliczenia, wykresy,
- wnioski.

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 2

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2

1. Temat: Badanie nośności złącza śrubowego napiętego wstępnie

2. Cel

ćwiczenia:

- porównanie dokładności i powtarzalności napinania śrub kluczem dynamometrycznym i napinaczem

hydraulicznym

- określenie wpływu zatłuszczenia (zabrudzenia) powierzchni gwintu i powierzchni oporowych śrub na

nośność złącza.

3. Wst

ęp:

Połączenia śrubowe, aby mogły spełniać odpowiedzialną rolę muszą być wstępnie zaciśnięte

z odpowiednią siłą. Siłę tą wywołuję się wprowadzając naprężenia rozciągające z zakresu sprężystego.
Najpopularniejszym i najprostszym sposobem wprowadzania określonego napięcia w śrubach jest
dokręcanie odpowiednim momentem nakrętki na śrubie za pomocą klucza dynamometrycznego. Metoda
ta jest łatwa i bardzo skuteczna, ale niedokładna. Z powodzeniem jest stosowana w niezbyt
odpowiedzialnych złączach śrubowych z wymaganą niewysoką siłą zacisku. Jednak zjawiska jakie
występują podczas dokręcania nakrętki, powodują znaczny rozrzut wielkości napięcia, nawet przy
przyłożeniu momentu o dokładnej wartości. Dyskwalifikuje to tą metodę dla złącz o dużej
odpowiedzialności.

Inną, coraz częściej wykorzystywaną metodą napinania śrub jest wykorzystanie napinaczy

hydraulicznych, cechujących się znacznie wyższą dokładnością i powtarzalnością wartości napięcia.
Napięcie wywoływane jest specjalnym siłownikiem hydraulicznym po czym jest ono blokowane nakrętką
dokręconą niewielkim momentem. Po odjęciu czynnika wymuszającego zacisk pozostaje praktycznie na
poprzednim poziomie.

3.1.

Charakterystyka podstawowych metod napinania

śrub

Wykonanie złącza śrubowego z napięciem wstępnym wymaga obliczenia jego wartości w etapie

projektowania, a następnie określenia wartości napięcia jakie jest uzyskiwane w śrubach w trakcie
realizacji połączenia. Niestety bezpośredni pomiar napięcia śruby jest trudny w normalnych warunkach,
dlatego stosuje się metody pośredniego określenia jego wartości po przez pomiar innych wielkości
fizycznych. Najpowszechniejszą metodą tworzenia złącza śrubowego z zadaną wartością napięcia jest
przyłożenie do nakrętki określonego momentu dokręcającego za pomocą klucza dynamometrycznego.
Jednak metoda ta nie jest zbyt dokładna, ponieważ moment dokręcenia nie określa wprost napięcia w
śrubie, ale jest wynikiem oddziaływania zmiennych o charakterze losowym. Na wahania momentu
wpływa wiele czynników, których precyzyjne wyznaczenie jest niezwykle trudne albo nawet niemożliwe.
Są to miedzy innymi: tarcie statyczne i kinetyczne, nieregularność i nieprostopadłości współpracujących
powierzchni, smarowanie, błędy wykonania gwintu i powierzchni współpracujących, niejednolitość śrub
itp. Dla zwykłych śrub określono, że rozrzut wartości momentu dokręcania, przy wymaganym stałym
napięciu wstępnym, dochodzi do ± 30 %, a dla śrub i nakrętek kołnierzowych nawet do ±50%. Dlatego
przyjmuje się, że połączenie można napinać w oparciu o moment dokręcenia jeżeli tolerancja
poprawności wykonania złącza wynosi powyżej ±30%. Podstawowym problemem tej metody napinania
jest brak precyzyjnej wartości i powtarzalności napięcia wstępnego w złączu śrubowym. Główną
przyczyną dużego rozrzutu wartości napięcia wstępnego przy stałym, nawet precyzyjnie dobranym
momencie dokręcania jest to, że przyłożony moment jest w 85%÷90% tracony na pokonanie sprzężeń

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 3

ciernych podczas napinania, które występują zarówno na powierzchni czołowej dokręcanej nakrętki jak i
na powierzchni gwintu. Wykres na rys. 1 przedstawia procentowy rozkład wykorzystania momentu
obrotowego do rozciągnięcia napinanej śruby oraz zużywanego na pokonanie oporów tarcia.

Rys. 1. Rozkład wykorzystania momentu przy dokręcaniu nakrętki

Inną metodą napinania złącz śrubowych jest stosowanie napinaczy hydraulicznych. Metoda ta

wykorzystuje ciśnienie cieczy hydraulicznej, która podawana z pompy wywiera nacisk na tłok. Tłok
natomiast, pracując w cylindrze napinacza, przenosi siłę pochodzącą od ciśnienia cieczy na napinaną
śrubę, tym samym ją rozciągając. Wówczas dokręca się nakrętkę na śrubie i zwalnia ciśnienie płynu.
Śruba poddana odkształceniu sprężystemu wprowadza napięcie do złącza. Metoda ta jest o tyle skuteczna,
że pozwala na uniezależnienie napięcia od tarcia na gwincie i powierzchni oporowej nakrętki. Prosta
zależność siły od ciśnienia oddziaływującego na powierzchnię tłoka umożliwia dość dokładne określenie
wartości napięcia w śrubie.

4. Opis stanowiska:

Badanie złączy śrubowych odbywa się na stanowisku laboratoryjnym przedstawionym na rys. 2.

Wielkością bezpośrednio mierzoną podczas przeprowadzania ćwiczenia jest siła zrywająca połączenie
cierne pomiędzy trzema płytami skręconymi ze sobą za pomocą dwóch śrub M12. Zmierzona siła jest
odnoszona do wartości napięcia śrub, będącego wynikiem przyłożenia określonego momentu
dokręcającego na kluczu dynamometrycznym lub ciśnienia na napinaczu hydraulicznym. Hydrauliczne
napinanie śrub realizowane jest za pomocą niewielkiego napinacza hydraulicznego - rys. 3. Po dokręceniu
śrub 4 złącze obciąża się siłą wywołaną przez dokręcenie pokrętła 8 na cięgnie 6. Siła mierzona na
dynamometrze 5 przenoszona jest przez dźwignię 7 z przełożeniem 5:1 na płytę 3, powodując jej
przesunięcie. Przesunięciu temu zapobiega siła tarcia wywołana dokręceniem śrub 4. W chwili gdy siła
tarcia zostanie przezwyciężona odczytuje się wartość siły obciążającej z uwzględnieniem przełożenia
dźwigni 7 i na tej podstawie określa nośność połączenia. Doświadczenie należy przeprowadzić
kilkakrotnie dla klucza dynamometrycznego i napinacza przy różnym stanie powierzchni gwintu
i powierzchni oporowej nakrętki, w celu określenia powtarzalności napięć. Warunki współpracy płyt 2 i 3
należy zapewnić w przybliżeniu jednakowe.

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 4

Rys. 2. Stanowisko laboratoryjne do badań połączeń gwintowych

1-rama, 2-płyta zewnętrzna, 3-płyta wewnętrzna, 4-napinana śruba, 5-dynamometr kabłąkowy, 6-cięgno,

7-dźwignia przenosząca obciążenie, 8-pokrętło, 9-środek obrotu dźwigni, 10-podkładki centrujące.

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 5

Rys. 3. Napinacz hydrauliczny

1-korpus napinacza, 2-tłok napinacza, 3-cięgno, 4-wkrętka oporowa, 5-pierścień dokręcający,

6-nakrętka śruby napinanej, 7-nakrętka napinająca, 8-śruba napinana, 9-tłok (nurnik) prasy,

10-korpus prasy, 11-pokrętło prasy, 12-manometr, 13-elementy łączone, 14-korek zaślepiający,

15-dźwigienka, 16-uszczelnienie gumowe, 17-uszczelnienie aluminiowe.

5. Przebieg

ćwiczenia

Przed każdą próbą należy nanieść warstwę środka smarnego na współpracujące powierzchnie płyt złącza,
w celu zmniejszenia gwałtowności zerwania połączenia ciernego i zapewnienia porównywalnych
warunków współpracy.

5.1. Badanie nośności złącza o suchych powierzchniach oporowych śrub i gwintu

1.

założyć śruby przeczyszczone benzyną do złącza korzystając z podkładek centrujących,

2.

ustawić dźwignię obciążającą 7 w skrajnym położeniu, na które pozwala ogranicznik,

3.

wyzerować czujnik dynamometru 5,

4.

dokręcić wstępnie nakrętki obu śrub,

5.

kluczem dynamometrycznym dokręcić kolejno śruby z obliczonym momentem M=78.5Nm,

6.

dla tak skręconego złącza wprowadzić siłę obciążającą za pomocą dźwigni 7, poprzez dokręcenie
nakrętki na cięgnie 6 kluczem pełniącym rolę pokrętła 8,

7.

podczas równomiernego obciążania dźwigni 7 obserwować wskazania czujnika dynamometru 5,

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 6

8.

po przekroczeniu (zerwaniu) sprzężenia ciernego pomiędzy skręconymi płytami 2,3 złącza nastąpi
spadek wartości przenoszonej siły. Maksymalną uzyskaną wartość wpisać do tab.1. (kolumna 3),

9.

ponownie rozpocząć równomierne obciążanie dźwigni i odczytać wartość wskazań czujnika przy
drugim przekroczeniu nośności złącza. Czynność tą powtórzyć do uzyskania 4 wartości wskazań,
które zapisać w tab.1,

10.

rozkręcić złącze i doprowadzić powierzchnie płyt do stanu wyjściowego sprzed próby
(rozprowadzić środek smarny),

11.

przeprowadzić czynności wg punktów 1÷4,

12.

wykorzystując napinacz hydrauliczny napiąć śruby wywierając ciśnienie p=24MPa, w celu
uzyskania takiego samego napięcia w śrubach jak przy użyciu klucza dynamometrycznego,

13.

przeprowadzić czynności wg punktów 6÷10.

5.2. Badanie nośności złącza o zatłuszczonych powierzchniach oporowych śrub i gwintu

1.

przesmarować gwint śruby i powierzchnie oporowe nakrętek smarem plastycznym

2.

założyć tak przygotowane śruby do złącza

3.

przeprowadzić czynności wg punktów 2÷13 z podrozdziału 5.1. ale dla zatłuszczonych śrub złącza.

4.

wyniki zapisać w tab.2

6. Tabele pomiarowe

Tab.1. Dla suchych powierzchni oporowych śrub i gwintu.

Metoda

napinania

Moment

dokręcenia

/ ciśnienie

napinania

Wskazania

czujnika

dynamometru

Wartości sił

obciążających

dźwignię

Nośność

złącza

Siła napięcia

wyznaczona

z nośności

złącza na

podstawie
pomiarów

Teoretyczna
siła napięcia

Kolejne

pomiary

F

d

[kN]

F

i

[kN]

Q

F

[kN]

Q

W

[kN]

Klucz

dynamometryczny

78.5 Nm

x

1

x

2

x

3

x

4

Napinacz

hydrauliczny

24 MPa

y

1

y

2

y

3

y

4

Tab.2. Dla zatłuszczonych powierzchni oporowych śrub i gwintu.

Metoda

napinania

Moment

dokręcenia

/ ciśnienie

napinania

Wskazania

czujnika

dynamometru

Wartości sił

obciążających

dźwignię

Nośność

złącza

Siła napięcia

wyznaczona

z nośności

złącza na

podstawie
pomiarów

Teoretyczna
siła napięcia

Kolejne

pomiary

F

d

[kN]

F

i

[kN]

Q

F

[kN]

Q

W

[kN]

Klucz

dynamometryczny

78.5 Nm

v

1

v

2

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 7

v

3

v

4

Napinacz

hydrauliczny

24 MPa

z

1

z

2

z

3

z

4

7. Kroki opracowania wyników

7.1. Na podstawie wartości momentu dokręcenia nakrętek i ciśnienia napinania hydraulicznego musimy

wyznaczyć teoretyczne wartości napięć śrub Q

w

- rys. 2.

7.1.1. Dla klucza dynamometrycznego korzystając ze wzoru:

]

)

(

[

5

.

0

µ

ρ

γ

⋅

+

′

+

⋅

⋅

=

m

S

w

d

tg

d

Q

M

[Nm]

gdzie:
M - moment dokręcenia nakrętki

d

s

=10,863mm – średnica podziałowa śruby M12 (wielkość wynika z normy dla gwintów

metrycznych)

௠

=

ௗ

೚

ା௦

ଶ

- średnia średnica powierzchni oporowej nakrętki

µ

=0,12 – współczynnik tarcia gwintu ( w naszym przypadku stal po stali)

h=1,75 mm – skok gwintu M12
d

o

=12 mm – średnica otworu dla blachy nr 2 i 3 z rys. 2

s=19 mm – zewnętrzna średnica nakrętki (wymiar pod klucz)

γ

- kąt wzniosu linii śrubowej



ᇱ

- pozorny kąt tarcia



௥

- kąt roboczy gwintu dla metrycznego 30

0

Zależności matematyczne między poszczególnymi wielkościami



() =

ℎ



∙

௦



( )

=



 

(

௥

)

7.1.2. Dla napinacza hydraulicznego

A

Q

p

w

=

[MPa]

gdzie:

A - czynne pole powierzchni tłoka napinacza w naszym przypadku 1660 mm

2

p - ciśnienie napinacza

7.2. Wyznaczyć nośność złącza F

i

na podstawie odczytanych wskazań czujnika dynamometru

otrzymanych podczas pomiarów

7.2.1. W pierwszym kroku z wykresu charakterystyki dynamometru z rys. 4 wyznaczyć wartości sił

oddziaływujących na dźwignię F

d

- rys. 2

7.2.2. Obliczyć nośności złącza F

i

- rys. 2. Liczba 5 wynika z przełożenia na ramieniu dźwigni.

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 8

F

i

=5

.

F

d

Rys. 4. Charakterystyka dynamometru

7.3. Obliczyć napięcia w śrubach złącza Q

F

(rys. 2) na podstawie wyznaczonych nośności.

F

i

= m

.

Q

Ci

.

µ

F

gdzie:

F

i

- nośność złącza

m = 2 – liczba powierzchni tarcia
µ

F

= 0,05 – wyznaczony eksperymentalnie współczynnik tarcia pomiędzy powierzchniami tarcia

Q

Ci

– całkowity nacisk na złącze pochodzący od napięcia wszystkich śrub

Po przekształceniu zależności powyżej obliczmy:



஼௜

=



௜



∙ 

ி

Następnie obliczamy nacisk pochodzący od jednej śruby:



ி

=



஼௜



n = 2 – ilość śrub w złączu

7.4. Porównać wartości uzyskanych nośności w zależności od metody i warunków napinania. Wyjaśnić

potencjalne przyczyny zaistnienia znacznych rozbieżności nośności. Wyniki porównać z wartościami
teoretycznymi siły napięcia.

7.5. Sporządzić zależności na nośności złącza F

i

w funkcji numeru pomiaru w przypadku dwóch metod

pomiarowych dla powierzchni suchej i zatłuszczonej gwintu. Wyjaśnić we wnioskach różnicę
między poszczególnymi pomiarami.

0

1

2

3

4

5

6

0

20

40

60

80

100

120

140

160

S

ił

a

o

b

ci

ą

ż

a

ją

ca

d

zw

ig

n

ię

F

d

[

k

N

]

Wskazania czujnika dynamometru

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 9

PRZYKŁADOWE OPRACOWANIE WYNIKÓW BADA

Ń

1. Wyniki ćwiczenia

Tab.1. Dla suchych powierzchni oporowych śrub i gwintu.

Metoda

napinania

Moment

dokręcenia

/ ciśnienie

napinania

Wskazania

czujnika

dynamometru

Wartości sił

obciążających

dźwignię

Nośność

złącza

Siła napięcia

wyznaczona

z nośności

złącza na

podstawie
pomiarów

Teoretyczna
siła napięcia

Kolejne

pomiary

F

d

[kN]

F

i

[kN]

Q

F

[kN]

Q

W

[kN]

Klucz

dynamometryczny

78,5 Nm

x

1

26

0,908

4,453

44,533

39,88

x

2

31

1,082

5,31

53,096

x

3

33

1,152

5,652

56,522

x

4

33

1,152

5,652

56,522

Napinacz

hydrauliczny

24 MPa

y

1

26

0,908

4,453

44,533

39,84

y

2

27

0,943

4,625

46,245

y

3

28

0,978

4,796

47,958

y

4

27

0,943

4,625

46,245

Tab,2, Dla zatłuszczonych powierzchni oporowych śrub i gwintu,

Metoda

napinania

Moment

dokręcenia

/ ciśnienie

napinania

Wskazania

czujnika

dynamometru

Wartości sił

obciążających

dźwignię

Nośność

złącza

Siła napięcia

wyznaczona

z nośności

złącza na

podstawie
pomiarów

Teoretyczna
siła napięcia

Kolejne

pomiary

F

d

[kN]

F

i

[kN]

Q

F

[kN]

Q

W

[kN]

Klucz

dynamometryczny

78,5 Nm

v

1

57

1,99

9,763

97,629

39,88

v

2

65

2,27

11,133

111,331

v

3

73

2,549

12,503

125,034

v

4

76

2,654

13,017

130,172

Napinacz

hydrauliczny

24 MPa

z

1

27

0,943

4,625

46,245

39,84

z

2

30

1,048

5,138

51,384

z

3

30

1,048

5,138

51,384

z

4

31

1,082

5,31

53,096

2. Wyznaczenie wartości teoretycznych napięć śrub Q

w

.

2.1. Dla klucza dynamometrycznego (wyjaśnienie poszczególnych oznaczeń w punkcie 7.1.1.)

88

,

39

]

)

(

[

2

=

⋅

+

′

+

⋅

=

µ

ρ

γ

m

S

w

d

tg

d

M

Q

[kN]

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 10

S

d

h

tg

⋅

=

π

γ

→

°

=

935

,

2

γ

r

tg

α

µ

ρ

cos

=

′

→

°

=

′

889

,

7

ρ

2.2. Dla napinacza hydraulicznego (wyjaśnienie poszczególnych oznaczeń w punkcie 7.1.2.)

84

,

39

=

⋅

=

A

p

Q

w

[kN]

3. Wyznaczenie nośności złącza z otrzymanych wyników
3.1. Wartości sił oddziaływujących na dźwignię F

d

[kN] z wykresu cechowania dynamometru (rys. 4).

Wartości przedstawione są dla danych pomiarowych z tab. 1.

Klucz dynamometryczny

Napinacz hydrauliczny

F

d

0,908

1,082

1,152

1,152

F

d

0,908

0,943

0,978

0,943

3.2. Wartości nośności złącza F

i

:

F

i

=5

.

F

d

Klucz dynamometryczny Napinacz hydrauliczny

F

i

4,453

5,31

5,652

5,652

F

i

4,453

4,625

4,796

4,625

3.2. Wartości napięcia w śrubach złącza Q

F

na podstawie pomiaru nośności (wyjaśnienie

poszczególnych oznaczeń w punkcie 7.3.). Wyjaśnij we wnioskach różnicę między siłą Q

F

(otrzymaną z pomiarów), a siłą Q

w

(wartość teoretyczna).

F

i

F

m

n

F

Q

µ

⋅

⋅

=

Klucz dynamometryczny Napinacz hydrauliczny

Q

F

44,533

53,096

56,522

56,522

Q

F

44,533

46,245

47,958

46,245

4. Sporządzenie zależności na nośności złącza F

i

w funkcji numeru pomiaru w przypadku dwóch

metod pomiarowych dla powierzchni suchej i zatłuszczonej gwintu.

Rys. 5. Zależność nośności złącza F

i

w funkcji numeru pomiaru

0

2

4

6

8

10

12

14

1

2

3

4

N

o

śn

o

ść

z

łą

cz

a

F

i

[k

N

]

Numer pomiaru

Powierzchnie śruby suche-Klucz dyn.
Powierzchnie śruby zatłuszczone-Klucz dyn
Powierzchnie śruby suche-Napinacz
Powierzchnie śruby zatłuszczone-Napinacz

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 11

Wnioski mogą być:

„przyczynowe” – wyjaśnienie przyczyn zaistniałego zjawiska

„skutkowe” – jakie potencjalne skutki może mieć taki stan rzeczy przy wykorzystywaniu
takiego mechanizmu/złącza dla jego pracy i pracowników

„spostrzeżeniowe” – na co należałoby uważać przy wykorzystaniu mechanizmu/złącza

„zleceniowe” – co Twoim zdaniem wskazane byłoby zrobić, aby polepszyć niekorzystne
zjawisko, niekorzystną pracę złącza

Należy zamieścić 3÷6 rzeczowych i sensownych wniosków dla każdego ćwiczenia.

Pomocna literatura
1. Maria Porębska, Marian Warszyński "Laboratorium z podstaw konstrukcji maszyn",
2. Karol Szewczyk, "Połączenia gwintowe",
3. Eugeniusz Mazanek, "Podstawy konstrukcji maszyn Cz.1",
4. Osiński Zbigniew, "Podstawy konstrukcji maszyn"

© Marcin Szczęch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Strona 12