Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Chełmie

Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa

LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Data wykonania ćwiczenia: 16.12.2014r.	Nr ćwiczenia: 8	Ocena:
Wykonali: Konrad Oleszczuk, Konrad Ochman, Hubert Piróg	Grupa: Va
Temat: Wyznaczanie charakterystyki sprężyn	Prowadzący:

1. Podstawy teoretyczne

Sprawność – skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci, stosunek wartości wielkości wydawanej przez układ do wartości tej samej wielkości dostarczanej do tego samego układu^[1].

Tak określoną sprawność można wyznaczyć następująco:

gdzie:

η – sprawność,

E_wy – energia przetworzona w dżulach (J),

E_we – energia dostarczona w J.

Obszar przestrzenny ograniczony walcową lub stożkową powierzchnią odniesienia (powierzchnia boczna walca lub stożka) i powierzchnią gwintową nazywa się gwintem. Powierzchnię gwintową opisuje, wykonując ruch śrubowy, linia konturowa przekroju osiowego gwintu, tworząc tzw. zarys gwintu. Każdy punkt linii konturowej przemieszcza się po własnej linii śrubowej, przy czym osie tych linii pokrywają się z osią gwintu. Jeżeli powierzchnią odniesienia jest powierzchnia boczna walca, to mówi się, że jest to gwint walcowy, jeżeli stożka – gwint stożkowy.

Średnica gwintu [d]: jest to średnica okręgu opisanego na zewnętrznych wierzchołkach gwintu w prostopadłym przekroju poprzecznym śruby. Średnica ta odpowiada średnicy wewnętrznej D nakrętki.

Skok gwintu [P]: odległość pomiędzy wierzchołkami gwintu w przekroju wzdłużnym śruby lub nakrętki.

Zaokrąglenie szczytu i dna bruzdy gwintu [R]: w gwintach trójkątnych unika się pozostawiania ostrych krawędzi szczytu gwintu jak i bruzdy gwintu, gdyż powoduje to spiętrzenie naprężeń w obszarze takiego karbu. Promień R typowo wynosi około jedną dziesiątą część skoku gwintu (R ok. 0.1 * P)

W połączeniach śrubowych zazwyczaj są stosowane gwinty metryczny zwykłe o zarysie trójkątnym symetrycznym. Gwinty te odznaczają się względnie dużą wytrzymałością oraz są najbardziej odporne na obluzowywanie się pod wpływem drgań. Wadami takich gwintów są mała sprawność i złe środkowanie stąd też nie znajdują one zastosowania w mechanizmach śrubowych. Są stosowane przede wszystkim w połączeniach spoczynkowych.

Gwint drobnozwojowy (zwykły) - występują w elementach niezbyt dokładnych produkowanych seryjnie lub masowo. Gwinty drobne maja mniejsza podziałkę niż gwinty zwykle o tej samej średnicy. Ze wglądu na mniejsza głębokość gwintu są one stosowane w celu zwiększenia średnicy rdzenia śruby; są nacinane na tulejach, rurach itd. Charakteryzują sie wysoka samohamownością, zabezpieczająca połączenie przed luzowaniem.

Gwint grubo zwojowy (gruby) - stosowany w zarysach trapezowych (przy d ≥ 22mm). Głównie w przypadkach, gdy o obciążalności połączenia decydują naciski jednostkowe na powierzchniach roboczych gwintu, np. w połączeniach spoczynkowych odkręcanych.

Gwint prawy to gwint śruby, którą wkręcamy kręcąc w prawo czyli zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Jest to podstawowy kierunek gwintu stosowany w większości zastosowań.

Gwint lewy - gwint śruby, którą wkręca się kręcąc w lewo, czyli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Gwint niesymetryczny jest to gwint trapezowy. Gwint niesymetryczny charakteryzuje się dużą wytrzymałością, gwinty te mogą pracować tylko w jednym kierunku.

Gwinty o zarysie trapezowym są stosowane przede wszystkim w połączeniach bezpośrednich (gwintowych) ruchowych, np. W celu zamiany ruchu obrotowego na liniowy (posuwisty). Gwinty te odznaczają się wysoką sprawnością, dużą wytrzymałością i dobrymi warunkami technologicznymi. Rozróżnia się gwinty trapezowe symetryczne i niesymetryczne, zwykłe, drobno zwojone i grubo zwojone.

1. Gwinty trapezowe symetryczne są stosowane w mechanizmach silnie obciążonych, przenoszących obciążenie w obu kierunkach, pracujących rzadko i przy małej prędkości poślizgu.

2. Gwinty trapezowe niesymetryczne podobnie jak gwinty trapezowe symetryczne, odznaczają się duża wytrzymałością, szczególnie w warunkach obiążeń zmiennych. Stosuje się je przede wszystkim w mechanizmach o dużej prędkości poślizgu i gdy jest wymagana względnie większa sprawność. Mogą one przenosić obciążenia tylko w jednym kierunku , nie jak symetryczne w dwóch.

Gwint prostokątny nieznormalizowany jest stosowany w wyjątkowych przypadkach w produkcji jednostkowej, ponieważ jego zadania są spełniane przez gwint trapezowy. Gwint prostokątny może przenieść mniejsze obciążenie oraz ma nieco bardziej skomplikowaną budowę niż gwint trapezowy.

Gwint okrągły posiada zaokrąglony zarys przez co charakteryzuje się dużą wytrzymałością zmęczeniową. Jest on stosowany w połączeniach często rozłącznych, m. in. w złączach wagonowych, hakach dźwigów czy w przewodach pożarniczych.

Gwint stożkowy powstaje podobnie jak gwint walcowy z tą różnicą, że jest nacinany na powierzchni stożka. Gwinty stożkowe są stosowane do łączenia przewodów rurowych wodnych, paliwowych, smarowych itd. Zapewniają one szczelność połączenia bez stosowania dodatkowych uszczelnień. Gwint stożkowy jest wykonywany na rurze lub na złączce, jest on w geometrii podobny do walcowego, lecz nacięty na powierzchni stożkowej. Gwinty stożkowe używane są w gwintowych połączeniach rurowych (trójniki, kolanka, mufy) i szybkozłączach. Są to najczęściej gwinty calowe. Gwinty stożkowe rurowe mają oznaczenie R, np. R 1/2", przy czym wymiar 1/2" (pół cala) jest średnicą wewnętrzną rury - nie jest to żaden z wymiarów gwintu. Średnica rury często podawana jest także w milimetrach, stąd np. rura o średnicy wewnętrznej 1" (jednocalowa) jest oznaczana także jako 25 (1 cal ~ 25 mm)

Gwint toczny jest specjalnym rodzajem gwintu. W gwintach tocznych są wprowadzone kulki, które znajdują się między śrubą a nakrętką. Średnice i skoki tych gwintów są znormalizowane. Gwinty toczne są wykonane z dużą dokładnością, umożliwiającą uzyskanie bezluzowej pracy i wysokiej sprawności.

Do nacinania gwintów zewnętrznych używa się narzynek, głowic gwinciarskich lub specjalnych frezów. Gwinty zewnętrzne wykonuje się również metodą walcowania. Do wykonywania gwintów wewnętrznych służą gwintowniki. Gwinty można także wykonywać metodami obróbki plastycznej i odlewniczymi. Gwinty zarówno wewnętrzne jak i zewnętrzne o różnych średnicach nacina się również na tokarkach.

Nakrętka - łącznik w połączeniu śrubowym. Jest pierścieniem z naciętym na całej długości otworu gwintem. Nakręcana jest na wolny koniec trzonu śruby zgodnie z wymaganiami montażowymi.

Ze względu na kształt, nakrętki dzielą się na:

a) sześciokątne

b) koronowe

c) czworokątne

e) okrągłe otworowe

f) okrągłe rowkowe

g) skrzydełkowe

h) radełkowe

Samohamowność - jest to właściwość układów mechanicznych polegająca na możliwości napędzenia go tylko z jednej strony.

Przykładem może być połączenie śruba-nakrętka, w którym układ może być napędzany tylko poprzez przyłożenie momentu siły do nakrętki – przyłożenie siły do śruby nie powoduje poruszenia mechanizmu.

Samohamowność występuje gdy pozorny kąt tarcia jest większy od kąta nachylenia linii śrubowej.

Gwinty samohamowne mają niską sprawność:

η ≤ 0,5 (50%).  w przypadku występowania drgań, uderzeń itp. każdy gwint jest nie samohamowny.

2. Stanowiska pomiarowe

Śruba I współpracuje z nakrętką 2. Do dolnego końca śruby przyczepiona jest belka 3 za pomocą zawleczki 4 Wzdłuż rowków śruby nawinięte są dwie linki 5 w dolnym jej końcu przymocowane do śruby. Linki, schodzące ze śruby przerzucone są przez krążki 7 i przytwierdzone do belki 3.

Jesli masa1 (łączna masa odważników, belki i szalki) jest dostatecznie duża, to wyjęcie zawleczki 4 spowoduje opadanie ciężaru , a śruba pod działaniem sił w linkach zacznie się obracać i podnosić do góry. Uderzenie masy m1 po przebyciu drogi H1 i śruby po przebyciu drogi H2 łagodzi amortyzator 8. Pomiar liczby obrotów n ułatwia urządzenie regulacyjne 10 związane z nakrętką śruby.

3. Obliczenia oraz tabela pomiarów

Wielkość	G [m*s^-2]	M [kg] podstawki	Mc [kg]	N – ilość obrotów	H [m] (odl. Do ziemii)	H1 [m]	R [m]	r [m]
Pręt mosiężny	9,81	10N	278N	8	0,89	0,095	0,01	0,02

Lp	Masa[N]	T[s]	T średnie[s]	η
M1	120 N	4,5 s	4,3 s	≈0,2980595
		4,1 s
M2	100 N	5,4 s	5,4 s	≈0,2521222
		5,4 s
M3	80N	13,3 s	13,15 s	≈0,2142149
		13 s
M4	75N	13,8 s	13,85	≈0,1998317
		13,9 s
Średnia sprawność śruby	0,241057075

4. Wnioski

W tym ćwiczeniu mieliśmy za zadanie wyznaczyć sprawność śruby dla różnych ciężarów. Nasze pomiary rozpoczęliśmy od ciężaru 120 N aby obniżać ciężar o 20 N. Zaobserwowaliśmy, że najniższym ciężarem przy którym mogliśmy dokonać pomiaru

było 75 N. Każdy pomiar powtórzyliśmy dwa razy dla dokładniejszego wyznaczenia szukanej wartości i zapisaliśmy w tabeli. Średnia wartość sprawności śruby wyniosła: 0,241057075.