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 nośności 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 zawierać:
- schematy stanowisk laboratoryjnych,
- wyniki pomiarów,
- obliczenia, wykresy,
- wnioski.
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 1
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. Wstęp:
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 ą 30 %, a dla śrub i nakrętek kołnierzowych nawet do ą50%. Dlatego
przyjmuje się, że połączenie można napinać w oparciu o moment dokręcenia jeżeli tolerancja
poprawności wykonania złącza wynosi powyżej ą30%. 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 dokrÄ™cania jest to, że przyÅ‚ożony moment jest w 85%÷90% tracony na pokonanie sprzężeÅ„
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 2
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 dz
wignię 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
dz
wigni 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 SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 3
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-dz
wignia przenosząca obciążenie, 8-pokrętło, 9-środek obrotu dz
wigni, 10-podkładki centrujące.
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 4
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-dz
wigienka, 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 dz
wignię 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 dz
wigni 7, poprzez dokręcenie
nakrętki na cięgnie 6 kluczem pełniącym rolę pokrętła 8,
7. podczas równomiernego obciążania dz
wigni 7 obserwować wskazania czujnika dynamometru 5,
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 5
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 dz
wigni 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 czynnoÅ›ci 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 czynnoÅ›ci 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 czynnoÅ›ci wg punktów 2÷13 z podrozdziaÅ‚u 5.1. ale dla zatÅ‚uszczonych Å›rub zÅ‚Ä…cza.
4. wyniki zapisać w tab.2
6. Tabele pomiarowe
Tab.1. Dla suchych powierzchni oporowych śrub i gwintu.
Siła napięcia
wyznaczona
Wskazania Wartości sił
Nośność z nośności Teoretyczna
Moment
czujnika obciążających
złącza złącza na siła napięcia
Metoda dokręcenia
dynamometru dz
wigniÄ™
/ ciśnienie
napinania podstawie
napinania
pomiarów
Kolejne
Fd [kN] Fi [kN] QF [kN] QW [kN]
pomiary
x1
x2
Klucz
78.5 Nm
dynamometryczny
x3
x4
y1
y2
Napinacz
24 MPa
hydrauliczny
y3
y4
Tab.2. Dla zatłuszczonych powierzchni oporowych śrub i gwintu.
Siła napięcia
wyznaczona
Wskazania Wartości sił
Nośność z nośności Teoretyczna
Moment
czujnika obciążających
złącza złącza na siła napięcia
Metoda dokręcenia
dynamometru dz
wigniÄ™
/ ciśnienie
napinania podstawie
napinania
pomiarów
Kolejne
Fd [kN] Fi [kN] QF [kN] QW [kN]
pomiary
v1
Klucz
78.5 Nm
dynamometryczny
v2
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 6
v3
v4
z1
z2
Napinacz
24 MPa
hydrauliczny
z3
z4
7. Kroki opracowania wyników
7.1. Na podstawie wartości momentu dokręcenia nakrętek i ciśnienia napinania hydraulicznego musimy
wyznaczyć teoretyczne wartości napięć śrub Qw - rys. 2.
7.1.1. Dla klucza dynamometrycznego korzystajÄ…c ze wzoru:
2
M = 0.5Å"Qw[dS Å"tg(Å‚ + Á ) + dm Å" µ] [Nm]
gdzie:
M - moment dokręcenia nakrętki
ds=10,863mm  średnica podziałowa śruby M12 (wielkość wynika z normy dla gwintów
metrycznych)
= - średnia średnica powierzchni oporowej nakrętki

µ=0,12  współczynnik tarcia gwintu ( w naszym przypadku stal po stali)
h=1,75 mm  skok gwintu M12
do=12 mm  średnica otworu dla blachy nr 2 i 3 z rys. 2
s=19 mm  zewnętrzna średnica nakrętki (wymiar pod klucz)
ł - kąt wzniosu linii śrubowej
- pozorny kÄ…t tarcia
- kÄ…t roboczy gwintu dla metrycznego 300
Zależności matematyczne między poszczególnymi wielkościami
!
( )=
"


( )=
( )
7.1.2. Dla napinacza hydraulicznego
Qw
p = [MPa]
A
gdzie:
A - czynne pole powierzchni tłoka napinacza w naszym przypadku 1660 mm2
p - ciśnienie napinacza
7.2. Wyznaczyć nośność złącza Fi 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 dz
wigniÄ™ Fd - rys. 2
7.2.2. Obliczyć nośności złącza Fi - rys. 2. Liczba 5 wynika z przełożenia na ramieniu dz
wigni.
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 7
Fi=5.Fd
6
5
4
3
2
1
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Wskazania czujnika dynamometru
Rys. 4. Charakterystyka dynamometru
7.3. Obliczyć napięcia w śrubach złącza QF (rys. 2) na podstawie wyznaczonych nośności.
Fi = m.QCi.µF
gdzie:
Fi - nośność złącza
m = 2  liczba powierzchni tarcia
µF = 0,05  wyznaczony eksperymentalnie współczynnik tarcia pomiÄ™dzy powierzchniami tarcia
QCi  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 Fi w funkcji numeru pomiaru w przypadku dwóch metod
pomiarowych dla powierzchni suchej i zatłuszczonej gwintu. Wyjaśnić we wnioskach różnicę
między poszczególnymi pomiarami.
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 8
Siła obci
ąż
aj
Ä…
ca dzwigni
Ä™
Fd [kN]
PRZYKA
ADOWE OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAC

1. Wyniki ćwiczenia
Tab.1. Dla suchych powierzchni oporowych śrub i gwintu.
Siła napięcia
wyznaczona
Wskazania Wartości sił
Nośność z nośności Teoretyczna
Moment
czujnika obciążających
złącza złącza na siła napięcia
Metoda dokręcenia
dynamometru dz
wigniÄ™
/ ciśnienie
napinania podstawie
napinania
pomiarów
Kolejne
Fd [kN] Fi [kN] QF [kN] QW [kN]
pomiary
x1 26 0,908 4,453 44,533
Klucz x2 31 1,082 5,31 53,096
78,5 Nm 39,88
dynamometryczny
x3 33 1,152 5,652 56,522
x4 33 1,152 5,652 56,522
y1 26 0,908 4,453 44,533
Napinacz y2 27 0,943 4,625 46,245
24 MPa 39,84
hydrauliczny
y3 28 0,978 4,796 47,958
y4 27 0,943 4,625 46,245
Tab,2, Dla zatłuszczonych powierzchni oporowych śrub i gwintu,
Siła napięcia
wyznaczona
Wskazania Wartości sił
Nośność z nośności Teoretyczna
Moment
czujnika obciążających
złącza złącza na siła napięcia
Metoda dokręcenia
dynamometru dz
wigniÄ™
/ ciśnienie
napinania podstawie
napinania
pomiarów
Kolejne
Fd [kN] Fi [kN] QF [kN] QW [kN]
pomiary
v1 57 1,99 9,763 97,629
Klucz v2 65 2,27 11,133 111,331
78,5 Nm 39,88
dynamometryczny
v3 73 2,549 12,503 125,034
v4 76 2,654 13,017 130,172
z1 27 0,943 4,625 46,245
Napinacz z2 30 1,048 5,138 51,384
24 MPa 39,84
hydrauliczny
z3 30 1,048 5,138 51,384
z4 31 1,082 5,31 53,096
2. Wyznaczenie wartości teoretycznych napięć śrub Qw.
2.1. Dla klucza dynamometrycznego (wyjaśnienie poszczególnych oznaczeń w punkcie 7.1.1.)
2M
Qw = = 39,88 [kN]
2
[dS Å"tg(Å‚ + Á ) + dm Å" µ]
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 9
h µ
2 2
tgÅ‚ = Å‚ = 2,935° tgÁ = Á = 7,889°
Ä„ Å" dS cosÄ…r
2.2. Dla napinacza hydraulicznego (wyjaśnienie poszczególnych oznaczeń w punkcie 7.1.2.)
Qw = p Å" A = 39,84
[kN]
3. Wyznaczenie nośności złącza z otrzymanych wyników
3.1. Wartości sił oddziaływujących na dz
wigniÄ™ Fd [kN] z wykresu cechowania dynamometru (rys. 4).
Wartości przedstawione są dla danych pomiarowych z tab. 1.
Klucz dynamometryczny Napinacz hydrauliczny
0,908 0,908
1,082 0,943
Fd Fd
1,152 0,978
1,152 0,943
3.2. Wartości nośności złącza Fi:
Fi=5.Fd
Klucz dynamometryczny Napinacz hydrauliczny
4,453 4,453
5,31 4,625
Fi Fi
5,652 4,796
5,652 4,625
3.2. Wartości napięcia w śrubach złącza QF na podstawie pomiaru nośności (wyjaśnienie
poszczególnych oznaczeń w punkcie 7.3.). Wyjaśnij we wnioskach różnicę między siłą QF
(otrzymaną z pomiarów), a siłą Qw (wartość teoretyczna).
Fi
QF =
n Å" m Å" µF
Klucz dynamometryczny Napinacz hydrauliczny
44,533 44,533
53,096 46,245
QF QF
56,522 47,958
56,522 46,245
4. Sporządzenie zależności na nośności złącza Fi w funkcji numeru pomiaru w przypadku dwóch
metod pomiarowych dla powierzchni suchej i zatłuszczonej gwintu.
14
12
Powierzchnie śruby suche-Klucz dyn.
10
Powierzchnie śruby zatłuszczone-Klucz dyn
8
Powierzchnie śruby suche-Napinacz
Powierzchnie śruby zatłuszczone-Napinacz
6
4
2
0
1 2 3 4
Numer pomiaru
Rys. 5. Zależność nośności złącza Fi w funkcji numeru pomiaru
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 10
No
Å›
no
ść
zł
Ä…
cza Fi [kN]
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 zamieÅ›cić 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 SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 11
© Marcin SzczÄ™ch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Strona 12