Definicja osi i wałów. Wytrzymałość zmęczeniowa wałów.
Wałem lub osią– nazywamy element maszyny, na którym są osadzone inne elementy wykonujące ruchy obrotowe lub oscylacyjne. Wał lub oś urzeczywistnia ich geometryczną oś obrotu.
Wał – służy głównie do przenoszenia momentu obrotowego; za jego pośrednictwem przenoszone są na łożyska obciążenia działające na elementy na nim osadzone. Wał poza skręcaniem narażony jest głównie na zginanie, skręcanie i rozciąganie.
Oś – nie przenosi momentu obrotowego, jest obciążona głównie momentem gnącym
Wytrzymałość wałów: naprężenia rzeczywiste muszą być mniejsze od naprężeń dopuszczalnych lub najwyżej im równe.
σ ; σ ;
gdzie:
σ - naprężenia rzeczywiste normalne przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu, w Pa,
F - obciążenia rozciągające, ściskające, ścinające lub nacisk, w N,
S - pole powierzchni przekroju narażonego na zniszczenie lub pole powierzchni nacisku, w m2
M - obciążenie momentem (przy zginaniu Mg, przy skręcaniu Ms), w Nm,
W - wskaźnik wytrzymałości przekroju (przy zginaniu Wx, przy skręcaniu Wo), w m3,
k - naprężenia (lub naciski) dopuszczalne, w Pa.
Obliczanie na zginanie i skręcanie : $\sigma_{z} = \sqrt{\sigma_{g}^{2} + \left( \alpha + \tau_{s} \right)^{2}}$ $\sigma_{g} = \frac{M_{g}}{W_{x}}$ $\tau_{s} = \frac{M_{g}}{W_{o}}$ $\sigma_{z} = \frac{M_{z}}{W_{x}} \leq k_{\text{go}}$
Wo = 0, 2d3 2Wx = Wo $d = \sqrt[3]{\frac{10M_{z}}{k_{\text{go}}}}$
Moment zastępczy: $M_{z} = \sqrt{M_{g}^{2} + \frac{{\alpha \bullet M}_{s}}{2}}$
Materiały stosowane na wały. Kształtowanie wałów.
Stal konstrukcyjna zwykłej jakości st3,st4,st5
stal konstrukcyjna wyższej jakości 25,35,45, są podatne na obróbkę cieplną
stal konstrukcyjna stopowa dla ulepszenia cieplnego 55HS, 45HS
stal chromowo-niklowa
stal konstrukcyjna stopowa do nawęglania i azotowania 15H,18H2N2 (drobi ale bardzo dobry materiał)
stale konstrukcyjne stopowe o specjalnych własnościach
wały odlewane są ze staliwa lub żeliwa sferoidalnego- stosowane w wyjątkowych przypadkach 2SO45,2SP50
wały kute znakomita wytrzymałość.
Kształt wałów powinien spełniać cztery wymagania :
najprostszy technologicznie
musi zapewniać wymaganą wytrzymałość wału
zróżnicowane powierzchnie muszą stworzyć dobre bazy do ustalenia części osadzonych na wale
taniość produktu.
Przeważnie wał jest najprostszy technologicznie, a te warunki najlepiej spełnia gładki wał cylindryczny o stałej d na całej długości. Typowe kształtowania osadzeń na wałach:
Kształtowanie wałów 6 etapów:
zdefiniowanie problemu
wyznaczanie zarysu teoretycznego
zastąpienie zarysu teoretycznego zarysem stopniowym
naniesienie na model geometryczny wału dalszych koniecznych nieciągłości geometrycznych
naniesienie promieni przejścia w miejscu występowania wszystkich nieciągłości geometrycznych
naniesienie tolerancji kształtu i bicia (prostoliniowość, bicie, bicie całkowite, chropowatość)
Sztywność giętna i skrętna wałów
Ugięcie wału następuje pod wpływem obciążenia go siłami pochodzącymi od ciężaru elementów osadzonych na wale, od sił międzyzębnych itd. Miarą odkształcenia giętnego jest wartość strzałki ugięcia f i kąta ugięcia β, wyznaczanego w punktach podparcia wału.
W najprostszym przypadku osi ruchomej obciążonej jednym kołem umieszczonym pośrodku jej długości strzałka ugięcia wyraża się wzorem:
$f = \frac{F \bullet l^{3}}{48E \bullet J_{x}}$ a kąt ugięcia $\beta = \frac{F \bullet l^{2}}{16E \bullet J_{x}}$
E – moduł Younga, Jx – moment bezwładności poprzecznej przekroju, F – siła l – długość wału
fdop = (0,0002-0,0003), a w przypadku wałków przekładni zębatych w obrabiarkach fdop = (0,005-0,01)m Dopuszczalny kąt ugięcia β przyjmuje się w granicach od 0,0003 rad dla łożysk ślizgowych do 0,05 rad dla łożysk wahliwych
Skręcenie wału w ramach odkształceń sprężystych może powodować nieprawidłową pracę niektórych maszyn, a zwłaszcza urządzeń podziałowych. We wszystkich przypadkach, w których odkształcenia skrętne mogą powodować np. zaklinowanie części ruchomych w prowadnicach, niesynchroniczny ruch, błędy wskazań przyrządów itp. - sprawdza się wartość kąta skręcenia wału. Dla okrągłego, gładkiego (lub prawie gładkiego) wału kąt skręcenia φ
$$\varphi = \frac{M_{s} \bullet l}{G \bullet J_{o}}\ \lbrack\text{rad}\rbrack\ \ \ \text{lub}\text{\ \ }\varphi = \frac{180}{\pi} \bullet \frac{M_{s} \bullet l}{G \bullet J_{o}}\ $$
Ms – moment skręcający, G – moduł sprężystości poprzecznej (G=80 000 – 85 000 MPa),
Jo– biegunowy moment bezwładności przekroju, l – długość wału
Jeżeli wał jest schodkowy, wówczas kąt skręcenia oblicza się osobno dla każdego odcinka, a kąt skręcenia całego wału jest sumą kątów wyznaczonych dla poszczególnych odcinków.
Wartość dopuszczalnego kąta skręcenia φdop zależy od funkcji wału w maszynie. Dla wałów maszynowych najczęściej przyjmuje się φ ≤ 0,25°, tj. φ ≤ 0,0044 rad na 1 m długości wału. W przypadku wałków skrętnych, służących m.in. do łagodzenia nierównomierności momentu obrotowego, dopuszcza się φ ≤ 11° i więcej (np. dla wałka w sprzęgle Cardana, półosi samochodowych itp.).
Klasyfikacja osi. Modele obliczeniowe osi.
Podział osi :
Gładkie
Kształtowe
Pełne
Drążone
Okrągłe
Profilowe
W zależności od pełnionej funkcji w maszynie:
główne
pomocnicze
pośredniczące
napędzające (czynne)
napędzane (bierne).
Całkowite
Składane
Model obliczeniowy: należy określić kierunki i wartości obciążeń zewn i reakcji w podporach. Przy wyznaczaniu sił zewn należy określić rodzaj zmienności. Przy osiach ruchomych występuje zwykłe obciążenie obustronnie zmienne , przyjmujemy naprężenie dopuszczalne kgo. W przypadku osi nieruchomej kglub kgj lub.
Warunek na wytrzymałość:
$\sigma_{g} = \frac{M_{g}}{W_{x}} = \frac{32M_{g}}{\pi d^{3}} \leq k_{\text{go}}$ lub kgj, kg; $d = \sqrt[3]{\frac{32M_{g}}{\pi k_{\text{go}}}}$
Mg – moment gnący, Wx – wskaźnik wytrzymałości na zginanie, d – średnica wału
Warunek wytrzymałościowy na naciski powierzchniowe między czopem wału a podporą : $p = \frac{P}{\text{dg}} \leq p_{o}$ lub pj, ps,
p – siła g – grubość podpory d – średnica czopa
Typy przekładni mechanicznych – typy sprzężenia. Przełożenie kinematyczne.
Typy przekładni mechanicznych:
Przekładnia zębata – sprzężenie kształtowe, bezpośrednie
Przekładnia łańcuchowa – sprzężenie kształtowe, pośrednie
Przekładnia cierna – sprzężenie cierne, bezpośrednie
Przekładnia pasowa – sprzężenie cierne, pośrednie
Przełożenie kinematyczne – nie jest cechą stałą przekładni, zależy od kierunku przeniesienia momentu obrotowego.
Sprzężenie kształtowe: $V_{a} = \frac{\pi \bullet D_{a} \bullet h_{a}}{60}$ $V_{b} = \frac{\pi \bullet D_{b} \bullet h_{b}}{60}$ $i_{\text{ab}} = \frac{D_{b}}{D_{a}}$
Sprzężenie cierne: $\varepsilon = \frac{V_{a} - V_{b}\ }{V_{a}} \bullet 100\%$
Pojęcie podstawowe dotyczące przekładni mechanicznych. Porównać przełożenie geometryczne – przełożenie kinematyczne.
Reduktor – jest to przekładnia zwalniająca w której koło napędzające (czynne) ma większą prędkość niż napędzane (bierne)
Multiplikator – jest to przekładnia zwiększająca prędkość w której koło napędzające ma mniejszą prędkość niż napędzane
Przekładnia samohamowna – jeśli przekazanie ruchu i momentu obrotowego jest możliwe tylko w jedną stronę, tzn. że jest w sposób stały zakodowane gdzie możemy podłączyć silnik i gdzie jest wyjście
Przekładnia niesamohamowna – jeśli przekazanie ruchu i momentu obrotowego jest możliwe w obie strony, co za tym idzie silnik będzie można podłączyć w oba wyjścia
Nawrotnica – mechanizm służący do zmiany kierunku obrotowego
Porównać przełożenie geometryczne – przełożenie kinematyczne:
Przełożeniem geometrycznym nazywamy przełożenie określone stosunkiem charakterystycznych parametrów geometrycznych: $u = \frac{d_{2}}{d_{1}} = \frac{z_{2}}{z_{1}}$
Przełożeniem kinematycznym nazywamy stosunek prędkości dwóch sprzężonych kół przekładni: $i = \frac{\omega_{2}}{\omega_{1}} = \frac{n_{2}}{n_{1}}$
W przekładni zębatej przełożenia geometryczne i kinematyczne są jednakowe i równe ilorazowi liczb zębów obu kół:
$$u = i = \frac{z_{2}}{z_{1}} = \frac{\omega_{2}}{\omega_{1}}$$
Przełożenie kinematyczne różni się nieznacznie od przełożenia geometrycznego, m.in. ze względu na poślizgi kół lub pasów, wskutek błędów wykonawczych i podatności zębów oraz innych czynników.
Ewolwentowy zarys zęba koła zębatego – konstrukcja ewolwenty, -wady i zalety ewolwenty, wyjaśnić efekt podcinania stopy zęba.
Ewolwenta(rozwijająca) – jest to krzywa, którą zakreśla koniec naciągniętej nici rozwijającej się z okręgu koła stałego.
Konstrukcję ewolwenty wykonujemy następująco: Dany okrąg dzielimy na dowolną liczbę równych części. Przez punkty podziału prowadzimy styczne do okręgu, na których odkładamy odcinki równe odpowiednim łukom. Znalezione punkty na prostych stycznych łączymy przy pomocy krzywika, otrzymując szukaną krzywą.
Zalety:
zęby kół można wykonać przy pomocy noża zębatkowego, który daje się łatwo i dokładnie wykonać,
może być wykonany metodą obwiedniową, która jest tanią i dokładną metodą wykonania zębów kół,
przy pomocy tego samego narzędzia można wykonać koła o różnych liczbach zębów, które dają się kojarzyć w dowolne pary, bez względu na liczbę zębów w kole,
zmiany odległości osi kół nie wpływają na stałość przełożenia,
kierunek działania siły międzyzębnej nie ulega podczas pracy zmianie,
przy pomocy tego samego narzędzia można wykonać zęby korygowane.
Wady:
wysokie naciski pomiędzy zębami, wynikające z tego, że zęby stykają się wypukłościami.
Podcinanie stopy zęba
Podczas nacinania zębów nożem zębatkowym według metody obwiedniowej może nastąpić zjawisko podcinania stopy zęba koła przez zęby narzędzia. Przy dużej liczbie zębów w kole przejście ewolwenty w okolicy okręgu zasadniczego w krzywą ograniczającą stopę zęba następuje w miejscu, gdzie styczne do obu krzywych wzajemnie się pokrywają. Przy małej liczbie zębów w kole część ewolwenty powyżej okręgu zasadniczego zostanie ścięta.
Geometria (rysunek + zależności) przekładni walcowych o zębach prostych oraz graniczna liczba zębów
Graniczna liczba zębów jest to najmniejsza liczba zębów, która nie wykazuje podcięcia stopy zęba. $z_{\text{gr}} = \frac{2y}{\operatorname{}\alpha_{0}}$
Jest tym mniejsza im mniejszy jest współczynnik wys. zęba y i im większy jest nominalny kąt przyporu α0.
Korekcja zarysu zazębienia walcowego koła zębatego o zębach prostych – cel stosowania, korekcja typu P/P -0.
Cele modyfikacji zarysu zazębienia:
uniknięcie podcięcia zęba u podstawy;
uzyskanie nowej odległości międzyosiowej różnej od zerowej;
zwiększenie wytrzymałości zębów na zginanie poprzez zwiększenie ich grubości u podstaw;
zwiększenie trwałości zęba poprzez powiększenie promieni krzywizn ewolwenty;
uzyskanie korzystnego poślizgu międzyzębnego;
zwiększenie liczby przyporu poprzez zmianę kąta przyporu.
Korekcję typu P stosuje się ze względów:
konstrukcyjnych, gdy poszukuje się nowej odległości osi dla kół współpracujących;
chęci uzyskania zębów bez podcięcia, gdy nie jest spełniony warunek z1 + zg ≥ 2zg;
wytrzymałościowych (zwiększenie wytrzymałości zębów na zginanie w wyniku zwiększenia grubości zębów.
Pozorna odległość międzyosiowa (po przesunięciu obu zarysów występuje zbyt duży luz obwodowy):
ap = a0 + (x1+x2)m
W celu zachowania niezmienione wartości luzu należy ściąć zęby o wartość k•m (powstaną tzw. zęby dzikie):
k • m = ap − ar
W wyniku tej korekcji koła podziałowe odsunęły się od siebie a między nim utworzyły się dwa koła toczne toczące się po sobie bez poślizgu.
Istotą korekcji P – 0 jest to, że:
odległość międzyosiowa pozostaje niezmienna;
w kole mniejszym stosuje się korekcję dodatnią, w kole mniejszym ujemną;
jako warunek konieczny występuje x1 = −x2.
Korekcję P-0 można przeprowadzać, gdy z1 + z2 ≥ 2zg.
Przez sumowanie wysokości głów zębów obu współpracujących kół uzyskuje się charakterystyczną zależność dla korekcji P-0: $y = \frac{h_{a_{1}} + h_{a_{2}}}{2m}$
W wyniku tej korekcji uzyskuje się zęby bez podcięcia, ponadto całkowita wysokość zęba nie ulega zmianie oraz pojawiają się korzystniejsze warunki poślizgowe.
Rozkład sił na wieńcu koła zębatego o zębach prostych.
Siła normalna do powierzchni stykających się zębów:
$F_{n} = \frac{F}{\cos \propto_{w}}$
Składowa obwodowa działająca na obwodzie koła tocznego:
$F_{t} = \frac{2M_{s_{1}} \bullet 10^{3}}{d_{w_{1}}} = \frac{2M_{s_{2}} \bullet 10^{3}}{d_{w_{2}}}$
Składowa promieniowa:
Fr = Ftg∝w
∝w – kąt przyporu w kole tocznym.
Budowa łożyska tocznego, wady i zalety. Oznaczanie łożysk tocznych.
Budowa łożyska tocznego: W łożyskach tocznych powierzchnie czopa i gniazda są rozdzielone elementami toczonymi które umożliwiają ruch obrotowy czopa bez poślizgu względem oprawy dzięki przetaczaniu się.
Elementy łożyska toczonego:
pierścień wewnętrzny
pierścień zewnętrzny
części toczne, koszyk
bieżnie główne
bieżnie pomocnicze.
Elementami tocznymi najczęściej są:
kulka
wałeczek walcowy
igiełka
wałeczek stożkowy
baryłk
Zadaniem koszyczka jest oddzielenie części toczonych od siebie i równomierne ich rozmieszczanie wzdłuż bieżni. Bieżnie główne przenoszą obciążenie w głównym kierunku działania łożyska, a bieżnie pomocnicze w innych kierunkach.
Wady:
głośność
są wrażliwe na obciążenia w chwili gdy się nie obracają
ustępują łożyskom ślizgowym przy dużych średnicach
ustępują łożyskom ślizgowym przy największych prędkościach obrotowych.
Zalety:
małe tarcie przy rozruchu
proste smarowanie i małe zużycie smaru
większa nośność łożyska w odniesieniu do jednostkowej szerokości łożyska
nie wymagają dotarcia
normalizacja wymiarów jakości i trwałości
Oznaczanie łożysk tocznych:
W znormalizowanym systemie oznaczania łożysk każde łożysko ma numer składający się z grup cyfrowych i literowych, w których zakodowane są jego cechy.
1. rodzaj łożyska. 2. określa proporcje wymiarów – jest to odmiana wymiarowa. Stosuje się tu odmiany średnicowe, polegające na tym, że do zadanej średnicy d dobiera się odpowiednio średnice zewnętrzne D. Odmiany te noszą nazwy: szczególnie lekka, bardzo lekka, lekka, średnia, ciężka itp. W ramach odmiany średnicowej tworzy się odmiany szerokościowe różniące się stosunkiem szerokości do średnicy B/d lub H/d. Noszą one nazwy: bardzo wąska, wąska, normalna, szeroka. 3. informuje o średnicy otworu łożyska. Za nią znajduje się oznaczenie odmiany konstrukcyjnej. Grupa a końcu numeru informuje o charakterze specjalnego wykonania. Typ łożyska określony jest przez rodzaj i odmianę konstrukcyjną. Grupa łożysk danego rodzaju i o danej odmianie wymiarowej, a także o danej odmianie konstrukcyjnej nazywa się serią łożyska.
Zastosowania poszczególnych rodzajów łożysk tocznych
Łożysko kulkowe zwykłe poprzeczne – Jest najtańsze. Przenosi obciążenia poprzeczne, ma zdolność do przenoszenia relatywnie dużych obciążeń skośnych. Sztywne łożysko, wymagające wysokiego poziomu współosiowości wału
Łożysko kulkowe dwurzędowe – Nośność porównywalna z łożyskiem tocznym jednorzędowym kulkowym, jest od niego szersze. Ma zdolność do przenoszenia relatywnie dużych sił wzdłużnych. Znane jako tzw. łożysko remontowe.
Łożysko do iskrowników – Łożysko kulkowe jednorzędowe, rozbieralne (pierścień można zsunąć).
Łożysko wałeczkowe – W stosunku do łożyska kulkowego ma zwiększoną obciążalność siłami poprzecznymi, ma kilkukrotnie mniejsze opory ruchu. Nie przenosi sił skośnych ani wzdłużnych, jest sztywniejsze od łożysk kulkowych. Stosowane w bardzo sztywnych wałkach.
Łożysko igiełkowe – Ma najmniejsze wymiary zabudowy. Możliwość trzypoziomowej modyfikacji łożyska modyfikacji: pozbawienie pierścienia zewnętrznego, pozbawienie pierścienia zewnętrznego i wewnętrznego (zostaje koszyk z elementami tocznymi), pozbawienie pierścienia zewnętrznego i wewnętrznego oraz koszyka (zostają same igiełki). Kierunek obrotowy musi być stały. Stosowane w zwartych konstrukcjach
Łożysko stożkowe – Posiada zdolność do przenoszenia obciążeń wzdłużnych. Jest łożyskiem rozbieralnym. Zabudowuje się je zawsze parami. Są bardzo wrażliwe na siłę docisku. Stosowane tam, gdzie na wałach występują duże siły promieniowe i osiowe.
Łożysko baryłkowe – Posiada możliwość kątowego przenoszenia pierścienia. Najdroższe ze wszystkich łożysk tocznych, rzadko spotykane w układach mechanicznych. Stosowane w maszynach wielkogabarytowych.
Przypadki ruchomości pierścieni łożyska względem obciążenia. Nośność i trwałość łożysk tocznych, obciążenie zastępcze.
a) I – ruchomy wałek (ruchomy pierścień wewnętrzny względem obciążenia) v=1 Ra,b – obciążenie łożyska A, B Pierścień wewnętrzny pasowany ciasno na wale. Pierścień zewnętrzny (nie obraca) pasowany luźno w osłonie.
b) II- ruchoma osłona, pierścień zew łożyska obraca się względem obciążenia. v=1,2.
Pierścień wewnętrzny pasowany ciasno. Pierścień zewnętrzny pasowany luźno
c) III – niepewny , pierścień wewnętrzny i zewnętrzny mogą obracać się względem obciążenia,
a) są wyłączone (koło obraca się swobodnie względem wału na łożysku.
b) są załączone a)pierścień zew obraca się względem reakcji "R"
Obciążenie zastępcze jest to obciążenie tylko poprzeczne dla łożysk poprzecznych lub tylko wzdłużne dla łożysk wzdłużnych, pod działaniem którego łożysko z obracającym się pierścieniem oprawy osiągnie taką samą trwałość, jak w rzeczywistych warunkach obciążenia i przy rzeczywiście obracających się względem kierunku siły pierścieniach, wzór: P=X•V•Fr+Y•Fa; Fr, Fa [N] - obciążenia łożyska poprzeczne (promieniowe) i wzdłużne (osiowe),
V – wsp. przypadku obciążenia, X, Y – wsp. i obciążenia ruchowego poprzecznego i wzdłużnego.
Trwałość łożysk jest to okres pracy łożyska przy stałej prędkości obrotowej (w liczbie obrotów lub godzinach) jaki osiągnie lub przekroczy 90% łożysk danej grupy przed wystąpieniem pierwszych objawów zmęczenia materiału.
Nośność ruchowa łożyska jest to wyrażona w niutonach, wartość obciążenia, przy którym łożysko osiągnie trwałość równą 1 mln obrotów. W przypadku łożysk poprzecznych i skośnych, obciążenie powinno być stałe i działać w płaszczyźnie prostopadłej do osi. Dla łożysk wzdłużnych kierunek stałego obciążenia powinien być wzdłuż osi.
Nośność spoczynkowa łożyska odnosi się do łożysk, które obracają się bardzo wolno (do 10 obr/min) lub wychylają się w niewielkich granicach. W tych przypadkach nie zachodzi zmęczeniowe zużycie powierzchni pracujących, a dopuszczalne obciążenie łożyska jest ograniczone wielkością wywołanego odkształcenia plastycznego w miejscach styku części tocznych z bieżniami.
Teoria tarcia i smarowania – ogólne założenia, rodzaje tarcia, wyjaśnić od czego zależy współczynnik tarcia, dlaczego nie zależy od pola powierzchni tarcia. Rodzaje smarów i cechy je charakteryzujące.
Tarcie (opory ruchu) to całość zjawisk fizycznych towarzyszących przemieszczaniu się względem siebie dwóch ciał fizycznych (tarcie zewnętrzne) lub elementów
Rodzaje tarcia:
tarcie suche
tarcie płynne
tarcie graniczne
tarcie mieszane
tarcie zewnętrzne
tarcie ślizgowe
tarcie spoczynkowe (tarcie statyczne)
tarcie ruchowe (tarcie kinetyczne
tarcie toczne
tarcie wewnętrzne
Smarowanie – wprowadzenie smaru między współpracujące powierzchnie elementów konstrukcyjnych w celu zmniejszenia tarcia i wyeliminowania jego skutków (np. zmniejszenie strat energetycznych, zużycie elementów maszyn
Oleje
Smary – jednostkowe (jednopunktowe, indywidualne) , grupowe ( wielopunktowe, centralne), ciągłe nieciągłe (np. okresowe),ciśnieniowe, bezciśnieniowe
stale (np. smary Tovotte’a do łożysk tocznych ŁK )
ciekle (smary olejowe lub wodne)
gazowe, (powietrzne lub wodorowe)
Pasty
Suche materiały smarujące
Dodatki / Mox-Active
Jeżeli ciało nie porusza się, to siła tarcia statycznego równoważy siłę wypadkową pozostałych sił działających na ciało, ma jej kierunek, a zwrot przeciwny. Maksymalną wartość siły jaka może wystąpić określa wzór: Ts ≥ Tk
Działających na ciało, ma jej kierunek, a zwrot przeciwny. Maksymalną wartość siły jaka może wystąpić określa wzór: Ts − μ • N. Jeżeli ciało porusza się to siła tarcia dynamicznego ma kierunek ruchu ciała, zwrot przeciwny kierunkowi ruchu, wartość T jest równa: Td = μ • N
Zadania smarowania:
zmniejszanie tarcia
usuwanie zanieczyszczeń ze współpracujących części
ochrona przed korozją
odprowadzenie ciepła z obszaru tarcia
tłumienie drgań
amortyzacja obciążeń uderzeniowych
zmniejszenie luzów i skutków ich powiększania się
Rodzaje smarowania smarem ciekłym:
hydrodynamiczne
hydrostatyczne
μ Współczynnik tarcia zależny od rodzaju powierzchni stykających się ciał N– siła nacisku N, siła prostopadła do powierzchni styku ciał.
Łożyska ślizgowe niesmarowane i smarowane okresowo - podział łożysk ślizgowych tej grupy, wybrane cechy konstrukcyjne (mat i geom.) niesmarowanego lub smarowanego okresowo łożyska, model obliczeniowy.
Łożyska niesmarowane:
Współpraca możliwa dzięki odpowiedniemu zróżnicowaniu materiałów pod względem: twardości i rodzaju.
Łożyska smarowane hydrodynamicznie: Wtłoczenie warstwy rozdzielającej odbywa się poprzez dynamiczne „wtłoczenie” oleju w wyniku względnego ruchu dwóch powierzchni
Dobór i projektowanie opiera się na dwóch wielkościach: Pdop i (pv)dop
Z uwzględnieniem lepkości dynamicznej oleju i możliwości odchylenia się osi panwi i czopu
Przy doborze materiału pomogą nam parametr Zeunner’a: p – naciski v – prędkość linowa na powierzchni czopa
Materiały na łożysko ślizgowe:
• metal na metal
• metal na polimer
• polimer na polimer (czop stalowy powlekany tworzywem sztucznym)
Materiały:
• Stal St3, St4 (pv)dop=(0,18-0,20)
• żeliwo szare (słabe chłodzenie, pdop= 2-3 MPa), (pv)dop=(0,18-0,20)
• brązy i mosiądze (dobre chłodzenie (pv)dop=(0,6-0,8), pdop= 4-5 MPa)
• teflon zbrojony (pdop= 14-140 MPa) ! (pv)dop wynosi nawet 1,2 (parametr Zeunner’a)
• poliamidy
• poliacytale
• poliamidy (popularne, pdop= 2,5-12 MPa
Łożyska ślizgowe pracujące zgodnie z hydrodynamiczną teorią smarowania – ogólne założenia teorii, wyjaśnić sposób powstawania klina smarnego w poprzecznym hydrodynamicznym łożysku ślizgowym. ,
Teoria smarowania:
Przepływ smaru w łożysku jest przepływem laminarnym, a smar jest cieczą niutonowską. Tarcie wewnętrzne jest proporcjonalne poprzez lepkość do gradientu prędkości.
Zakładamy brak poślizgu smaru na powierzchni czopa, prędkość warstw smaru przylegających do czopa jest równa prędkości czopa
Siły bezwładności są pomijalnie małe
Smar jest cieczą nieściśliwą
Powierzchnie czopa i panwi są nieodkształcalne
Realizacja klinu smarnego wymaga spełnienia 3 warunków:
Istnieje prędkość poślizgu większa od prędkości granicznej
Spełnia warunki geometrycznego tzn. istnienia pomiędzy ślizgającymi się po sobie powierzchni, przestrzeni zwiększającej się w kierunku ruchu
Ciągłego dostarczania do tej powierzchni wystarczającej ilości smaru.
Zalety i wady łożysk ślizgowych w porównaniu z łożyskami tocznymi. Materiały stosowane na łożyska ślizgowe hydrodynamiczne – konstrukcja panewki. Smarowanie łożysk ślizgowych pracujących w zakresie tarcia płynnego.
Zalety łożysk ślizgowych w porównaniu z łożyskami tocznymi:
większa zdolność do tłumienia drgań, wyższa klasa dokładności wykonania uzyskana tym samym kosztem
znacznie większa odporność na obciążenia udarowe, większa trwałość
w przypadku uzyskania tarcia płynnego, mniejsze wymiary poprzeczne
mniejszy poziom hałasu
łatwiejszy montaż i demontaż.
Wady łożysk ślizgowych w porównaniu z łożyskami tocznymi:
znacznie większy luz poprzeczny
konieczność stosowania skomplikowanych układów smarowania
większa wartość zużycia czynników smarnych
brak normalizacji
występowanie niekorzystnych zjawisk np. stick-slip (wzrost oporów tarcia w czasie rozruchu i zatrzymania)
skomplikowana i droga technologia wykonania w celu uzyskania najwyższych klas dokładności.
Smarowanie łożysk ślizgowych pracujących w zakresie tarcia płynnego.
Uzyskanie tarcia płynnego jest możliwe, gdy ciśnienie smaru w szczelinie jest większe niż naciski jednostkowe czopa na panewkę. W celu zmniejszenia oporów ruchu pomiędzy panwią i czopem powinniśmy wytworzyć warstewkę nośną smaru lub gazu. Częściej jest stosowana metoda hydrodynamiczna – pod wpływem ruchu obrotowego czopa względem panwi powstaje tzw. klin smarowy. Aby uzyskać klin smarowy musi być zapewniona odpowiednia prędkość obrotowa, odpowiednia ilość smaru, niewielka chropowatość czopa i panwi, niewielki luz łożyskowy. Niespełnienie któregoś z warunków – tarcie półpłynne.
Materiały stosowane na łożyska ślizgowe hydrodynamiczne:
Do najczęściej stosowanych materiałów należą stopy łożyskowe, np. stopy cynowe, zwane babbitami, o składzie: 89%Sn, 8%Sb i 3%Cu lub zbliżonymi. Stopy te odznaczają się bardzo dobrymi własnościami ślizgowymi, dobrą odkształcalnością, odpornością na zatarcie i odpornością na korozję. Stosuje się je w postaci warstwy wylewnej na podłożu stalowym.
Podobne własności mają stopy ołowiowe, np. Ł16 (16%Sb, 2%Cu, 16%Sn, reszta Pb). Do materiałów często stosowanych należą brązy odlewnicze cynowe i ołowiowe o dużej twardości i wytrzymałości.
Wykres Stribeck’a, parametr Hersey’a. Zakres bezpiecznej pracy łożyska ślizgowego hydrodynamicznego.
Z wykresu Stribeck’a widać prawidłowość: ze zwiększeniem obciążenia maleje współczynnik tarcia płynnego. Jeśli na osi odciętych charakterystyki tarciowej łożyska nanieść nie prędkość czopa, lecz bezwymiarowy parametr $\lambda = \eta \bullet \frac{n"}{p}\ $ zwany liczbą Herseya, to wszystkie prawe gałęzie krzywych Stribecka zejdą się w jedną (n” oznacza prędkość Obr/s)
Jako miarę niezawodności działania łożyska przy tarciu płynnym można więc przyjąć „współczynnik bezpieczeństwa tarcia płynnego”, określony stosunkiem wartości liczby Hersey’a dla punktu pracy łożyska, do krytycznej wartości tej liczby $x = \frac{\lambda}{\lambda_{\text{kr}}}$
Zakres bezpiecznej pracy łożyska ślizgowego hydrodynamicznego
Parametr bezpiecznej pracy, tj. pracy w zakresie tarcia płynnego. Im dalej na prawo od punktu krytycznego będzie położony punkt pracy łożyska, tym pewniej będzie ono pracowało w warunkach tarcia płynnego. Jako miarę niezawodności działania łożyska przy tarciu płynnym można więc przyjąć „współczynnik bezpieczeństwa tarcia płynnego” określony stosunkiem wartości liczby Hersey’a dla punktu pracy łożyska do krytycznej wartości tej liczby
Podział sprzęgieł mechanicznych i omówienie wybranych przykładów.
Sprzęgła mechaniczne:
Sztywne
Niedzielone
Tulejowe
Dzielone w płaszczyźnie równoległej do osi wału
łubkowe
Dzielone w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału
kołnierzowe
Samonastawne
Sworzniowe
Kłowe
Oldhama
Łańcuchowe
Zębate jednostronne
Zębate dwustronne
Przegubowe (Cardana)
Podatne
Z pakietami sprężyn płaskich rozmieszczonych osiowo
Palcowe z wkładkami gumowymi
Oponowe
Włączalne
Asynchroniczne
Zębate włączalne
Synchroniczne
Cierne tarczowe
Cierne stożkowe
Cierne wielopłytkowe włączane elektromagnetycznie
Specjalne
Bezpieczeństwa
Przeciążeniowe
Jednokierunkowe