1. Cel ćwiczenia

- eksperymentalne wyznaczenie nośności złączy przy określonym momencie dokręcania nakrętki;

- porównanie nośności złączy o powierzchniach stykających się suchych i nasmarowanych.

2. Opis stanowiska

Ćwiczenie realizowane jest na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Badaniom podlega złącze śrubowe nakładkowe o płaskich powierzchniach styku. Złącze badano przy różnych stanach powierzchni stykających się, tzn.:

- przy powierzchniach suchych (przemytych benzyną),

- przy powierzchniach smarowanych (smarem plastycznym).

Natomiast warunki współpracy powierzchni śruby i nakrętki (gwint) oraz nakrętki i podkładki pozostają w obydwu przypadkach w przybliżeniu jednakowe (lekko posmarowane olejem maszynowym).

3. Przebieg ćwiczenia

• Badanie nośności złącza o suchych powierzchniach styku:

1) Przetrzeć powierzchnie styku elementów łączonych czyściwem zwilżonym benzyną;

2) Dokonać połączenia, stawiając nakładki względem płytki tak, aby rysy na nakładkach pokrywały się z rysami na płytce;

3) Dokręcić nakrętki momentem M=30Nm mierzonym na podziałce klucza dynamometrycznego;

4) Założyć połączenie do maszyny wytrzymałościowej;

5) Obciążać złącze do chwili przesunięcia płytki względem nakładek zapisując w tabeli maksymalną odczytaną siłę F;

6) Wyjąć połączenie z maszyny wytrzymałościowej, poluzować nakrętki, ustawić nakładki względem płytki w połączeniu wyjściowym, dokręcić momentem M=40Nm i ponowić próbę;

7) Powtórzyć próbę dla momentu dokręcania M=50Nm.

• Badanie nośności złącza ze smarowanymi powierzchniami styku:

1) Posmarować powierzchnie styku płytki nakładek smarem plastycznym;

2) Dokonać połączenia złącza jak poprzednio;

3) Przeprowadzić próby jak wcześniej dla momentów M=30, 40, 50Nm zapisując wielkości maksymalne siły F w tabeli.

4. Wyniki pomiarów

Lp	M[Nm]	F [N]	Qc [N]	μs
		Na sucho	Smarowanie
1	30	14 800	7000	28 017,79877
2	40	17 800	9100	37 357,06503
3	50	18 500	14 000	46 696, 33129

5. Opracowanie wyników pomiarów:

Znając wartość momentów dokręcania M[Nm], wyliczono wartość napięcia wstępnego w śrubie [Q] przekształcając wzór:

M = 0,5Q[d_s · tg(ϒ+ρ’) + d_m·μ]

gdzie:

d_s - średnica gwintu [mm]

ϒ – kąt wzniosu linii śrubowej gwintu śruby, tgϒ= $\frac{h}{\begin{matrix} \text{πds} \\ \\ \end{matrix}}$

h – skok gwintu [mm]

ρ’ – pozorny kąt tarcia na gwincie, ρ’ = arctg(μ’), μ’= $\frac{\mu}{\cos\alpha_{r}}$

μ - współczynnik tarcia na powierzchni roboczej gwintu

α_r - kąt pochylenia roboczej powierzchni gwintu (dla gwintu metrycznego α_r =30^◦ )

d_m – średnia średnica powierzchni oporowej nakrętki [mm], dla śrub złącznych M16 wynosi:

d_m = $\frac{0,95s + d_{0}}{2}$ = $\frac{0,95\ \bullet 24 + 17}{2}$ = 19,9 [mm]

s – rozwartość klucza do zakręcania nakrętki [mm]

d₀ – średnica otworu w podkładce [mm]

Q = $\frac{2M}{d_{s\ } \bullet \text{tg}\left( \gamma + \rho^{'} \right) + d_{m}\mu}$ Q_c = 2Q = $\frac{4M}{d_{s\ } \bullet \text{tg}\left( \gamma + \rho^{'} \right) + d_{m}\mu}$

Wartość siły napięcia wstępnego Q_c w złączu jest dwa razy większa od Q, ponieważ w złączu występują dwie śruby.

6. Obliczenia:

Przyjęto:

d_s = 14,701 [mm] μ = 0,1 s = 24 [mm]

h = 2 [mm] α_r = 30^◦ d₀ = 17 [mm]

ϒ = arctg $\frac{h}{\begin{matrix} \text{πds} \\ \\ \end{matrix}}$ = arctg$\ \frac{2}{\pi \bullet 16}$ = 2,27852^◦

ρ’ = arctg $\frac{\mu}{\cos\alpha_{r}}$ = arctg $\frac{0,1}{\cos 30^{}}$ = 6,58677^◦

d_m = $\frac{0,95s + d_{0}}{2}$ = $\frac{0,95\ \bullet 24 + 17}{2}$ = 19,9 [mm]

Wartość siły napięcia wstępnego dla trzech momentów dokręcania:

Q_c = $\frac{4\ \bullet 30}{14,701\ \bullet tg\left( 2,27852 + 6,58677 \right) + 19,9\ \bullet 0,1}$ = 28 017,79877 [N]

Q_c = $\frac{4\ \bullet 40}{14,701\ \bullet tg\left( 2,27852 + 6,58677 \right) + 19,9\ \bullet 0,1}$ = 37 357,06503 [N]

Q_c = $\frac{4\ \bullet 50}{14,701\ \bullet tg\left( 2,27852 + 6,58677 \right) + 19,9\ \bullet 0,1}$ = 46 696,33129 [N]

Obliczenie współczynnika tarcia statycznego według wzoru:

μ = $\frac{F}{Q_{c}}$

Na sucho:

μ_s = $\frac{14\ 800}{28017,79877}$ = 0,5282

μ_s = $\frac{17\ 800}{37357,06503}$ = 0,4765

μ_s = $\frac{18\ 500}{46696,33129}$ = 0,3962

Ze smarowaniem:

μ_s = $\frac{7000}{28017,\ 79877}$ = 0,2498

μ_s = $\frac{9100}{37357,06503}$ = 0,2436

μ_s = $\frac{14\ 000}{46696,33129}$ = 0,2998

7. Wykresy:

F = f(M) dla złącza z powierzchniami suchymi i smarowanymi:

Na sucho:

Ze smarowaniem:

Wykresy μs = f(Qc) dla złącza z powierzchniami suchymi i smarowanymi:

Na sucho:

Ze smarowaniem:

Wnioski:

Współczynnik tarcia badanych złączy o powierzchniach stykających się suchych wynosi średnio μs = 0,4670, natomiast złączy o powierzchniach stykających się smarowanych średnio μs = 0,2644. Również maksymalna siła obciążania dla złącza suchego jest znacznie wyższa niż dla złącza smarowanego - wartości wynoszą odpowiednio około 17 033 [N] oraz 10 033 [N]. Otrzymane wyniki świadczą o bardzo dużym znaczeniu smarowania powierzchni stykających się złącza.