TEMAT: POŁĄCZENIA ŚRUBOWE

W budowie maszyn, w miejscach połączeń konstrukcji budowlanych, śruba jest łącznikiem w połączeniach śrubowych. Śruba składa się z łba oraz trzonu. Na części lub całej długości trzonu śruby nacięty jest gwint.

W tego rodzaju połączeniach śruba (1) i nakrętka (2), łączą dwa lub więcej elementów (3). Elementy te w miejscu łączenia są przewiercane, tak by otwór mieścił śrubę z pasowaniem luźnym. Śruba w takim połączeniu może przenosić tylko i wyłącznie obciążenia osiowe, np. jeżeli elementy połączenia są od siebie w sposób naturalny odciągane np. pokrywa kotła połączona z jego korpusem. Nakrętka w takim połączeniu dokręcana jest na tyle mocno by zapewnić integralność połączenia, gdy nie jest ono obciążone.

W przypadku gdy elementy łączone są obciążone siłami wzdłużnymi działającymi w osi prostopadłej do osi śruby, należy zapewnić połączenie cierne pomiędzy tymi elementami. Realizuje się to przez wstępne naprężenie śruby. Nie spełnienie warunku wstępnego naprężenia, doprowadza do przesunięcia się elementów względem siebie, które ostatecznie swymi krawędziami oprą się o śrubę powodując jej ścinanie, a w ekstremalnych sytuacjach zniszczenie.

Oprócz siły osiowej pochodzącej od obciążenia złącza lub naprężenia osiowego, śruba jest obciążona skręcającym momentem siły. Zgodnie z tym, obliczenia wytrzymałościowe połączenia polegają na sprawdzeniu śruby ze względu na kryterium wytrzymałości na rozciąganie kr i skręcanie ks.

Połączenia śrubowe dociskowe (wkrętowe)

W tego rodzaju połączeniach wkręt przytwierdza jeden element złącza do drugiego. W elemencie nawiercony jest otwór z naciętym wewnętrznym gwintem, w który wkręcany jest wkręt.

Wkręty do drewna mogą być wkręcane w miękkie drewno bezpośrednio bez żadnego przygotowania. W przypadku twardego drewna może być konieczne nawiercenie otworu pod wkręt wiertłem co najmniej o numer mniejszym niż wkręt.

Wkręty do materiałów budowlanych (cement, gips, cegła itp.) umieszczane są w tych materiałach z pomocą kołków rozporowych po wcześniejszym nawierceniu otworu w materiale, o rozmiarze odpowiadającym wielkości kołka.

Śruba:

1. element ruchowego połączenia gwintowego, mający gwint zewnętrzny;

2. łącznik gwintowy (w pośrednim spoczynkowym połączeniu gwintowym) z gwintem zewnętrznym.

Śruba pasowana z gwintem M24, długości l = 160 mm, oraz trzpieniem średnicy d₁ w tolerancji k6, śruba pasowana z łbem sześciokątnym:

Śruba M24 x 160 PN - 66/M - 82341

Śruba M12 o długości l = 80 mm, oraz długości części gwintowanej b = 30 mm . Własności mechaniczne klasy 8, śruba z łbem walcowym z gniazdem sześciokątnym:

Śruba M12 x 60 - 8 PN - 87/M - 82302

Śruby mają nacięty gwint na całej długości lub tylko na części

Wkręty - mają nacięty na łbie rowek (rowki) i są dokręcane wkrętakami.

Rodzaje wkrętów (a, b, c) i śrub (d ÷ l)

Zakończenia śrub i wkrętów

Łeb śruby

Łeb śruby, który umożliwia uchwycenie jej w czasie montażu, może mieć różny kształt. Do typowych kształtów łbów śruby należą:

a) sześciokątny

b) czworokątny

c) wieńcowy

d) młoteczkowy

e) walcowy z gniazdem sześciokątnym

f)oczkowy

Nakrętka - to krótki łącznik gwintowy z gwintem wewnętrznym, najczęściej znormalizowany. Kształt nakrętki zależy od sposobu ich nakręcania na śruby lub od sposobu zabezpieczenia.

Nakrętki - podstawa to nakrętki sześciokątne normalne, spotykane również o zmniejszonym wymiarze pod „klucz”, niskie oraz wysokie, nakrętki okrągłe, koronowe.

Nakrętki o zmniejszonym wymiarze pod „klucz” wywierają większe naciski na powierzchnię oporową. Zmniejsza to wymiary elementów łączonych, np.: kołnierzy, łap.

Nakrętka okrągła rowkowa - używana jest do osadzania elementów kół, łożysk na wałach.

Nakrętka koronowa - razem z zawleczką - zabezpiecza przed samo odkręceniem gwintu lub regulacją położenia nakrętki.

Nakrętki ślepe - zabezpieczają przed wycieknięciem cieczy.

Stosowanie łączników gwintowych, zakręcanych wkrętakami, zmniejsza wymiary elementów łączonych i wpływa na estetykę wyrobu.

Wada: Brak możliwości uzyskania napięć wstępnych. Unikamy jej poprzez wkręt + nakrętka w otworze luźnym.

W ogólnej budowie maszyn stosujemy często śruby specjalne fundamentowe z trzpieniem stożkowym, oczkowe z uchem itp. Głębokość zabetonowania zależy od gatunku betonu i obciążenia np.:

Śruba fundamentowa z pręta żebrowanego - głębokość zabetonowania:

15 ÷ 25d - przy obciążeniu statycznym

20 ÷ 30d - przy obciążeniu zmiennym

Śruby z łbem stożkowym dają dobre osiowanie.

Podkładki - mają na celu wyrównanie i zmniejszenie nacisków na powierzchniach oporowych złącza, zabezpieczenie powierzchni przed zużyciem, spełnienie roli zabezpieczenia.

Projektowanie śrub

1. wyjście gubione;

2. wyjście podcięte;

3. wyjście wtoczone;

4. wyjście odsadzone (wybrane R na całym obwodzie).

Powierzchnie gwintu i trzpienia śruby - chropowatość R_z = 0,32; 0,16μm.

Materiał na śruby:

• stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości (St3S, St4S, St5);

• stal automatowa (A11, A45);

• stal konstrukcyjna wyższej jakości (35, 45, 55);

• stal stopowa (podwyższa własności wytrzymałościowe).

Zabezpieczenie przed korozją:

• oksydowanie;

• miedziowanie;

• niklowanie;

• cynkowanie;

• smary grafitowe.

Projektowanie połączeń gwintowych to:

• ustalenie wymiarów śrub;

• zaprojektowanie kształtu elementów łączonych.

W przypadku zmiennych obciążeń, drgań połączenia bezwzględnie musimy zabezpieczyć przed samoczynnym odkręcaniem.

Połączenie pracujące w ruchu obrotowym - gwinty lewe - możemy zrezygnować z dodatkowych zabezpieczeń.

Połączenia wielośrubowe - najczęściej przyjmuję parzystą liczbę śrub. Mało śrub o większych d i dużo śrub o małych d.

Przykłady rozmieszczenia śrub w połączeniach wielośrubowych.

Gwint - powstaje przez wycięcie bruzd o określonym kształcie wzdłuż linii śrubowej. Powstałe występy oraz bruzdy, obserwowane w płaszczyźnie przechodzącej przez oś gwintu tworzą zarys gwintu.

Zarys gwintu tworzy linia konturowa przekroju osiowego gwintu.

Zarysy gwintu: a) trójkątny, b) trapezowy symetryczny, c) trapezowy niesymetryczny, d) prostokątny, e) okrągły

Mechanizmy śrubowe - służą do zmiany ruchu obrotowego na postępowo zwrotny. Stosowane są do celów napędowych m.in. do przesuwu stołu lub suportu w obrabiarkach, tworzą zespoły robocze.

Wymiary nominalne gwintu, śruby i nakrętki wg PN, są oparte na zarysie nominalnym (wspólny dla gwintu zewnętrznego i wewnętrznego).

Parametry gwintów

Zarys nominalny gwintu metrycznego

d - średnica gwintu śruby;

d₁ - średnica rdzenia śruby d₃;

d₂ - średnica podziałowa śruby;

D - średnica dna wrębów nakrętki D₄;

D₁ - średnica otworu nakrętki;

D₂ - średnica podziałowa nakrętki (d₂ = D₂);

P - podziałka gwintu;

P_h - skok gwintu w gwintach wielokrotnych (P_h = n ⋅ P);

n - krotność gwintu;

α - kąt gwintu (między bokami zarysu);

γ - wznios gwintu równy wzniosowi linii śrubowej, obliczany na średnicy linii podziałowej wg zależności:

tgγ =

Pozostałe wymiary znajdują się w tabelach PN.

Rodzaje gwintów i ich zastosowanie

Gwint metryczny stosowany jest dla zakresu średnic 1 ÷ 600 mm PN - 83/M - 02013, dla 0,25 ÷ 0,9 mm PN - 74/M - 02012.

Polska Norma ustala 3 zakresy (szeregi) średnic gwintu.

Uwaga: Skok gwintu metrycznego może być zwykły lub drobny.

M20 - gwint zwykły

M20 x 2 - gwint metryczny drobny (drobnozwojowy)

M16 - gwint metryczny (prawy)

LHM16 - gwint metryczny (lewy)

Skok gwintu metrycznego drobnego wynosi: 2; 1,5; 1; 0,75; 0,5.

Gwint drobny stosujemy w celu zwiększenia dokładności regulacji przemieszczeń osiowych, zwiększając d₁ i zwiększając ilość zwojów gwintu na długości skręcania.

Gwint metryczny stosujemy głównie w połączeniach spoczynkowych.

Zalety gwintów metrycznych:

• duża wytrzymałość;

• duża samohamowność;

• mała wrażliwość na niedokładność wykonania.

Wady gwintów metrycznych:

• duża niedokładność osiowania;

• niska sprawność.

Gwint trapezowe dzieli się na:

• symetryczne;

• niesymetryczne.

Wśród nich rozróżnia się gwinty:

• drobne;

• zwykłe;

• grube.

Gwinty trapezowe są stosowane przeważnie w połączeniach ruchowych (mechanizmach śrubowych). Charakteryzują się one dużą wytrzymałością , oraz wysoką sprawnością.

Gwinty trapezowe symetryczne - przenoszą duże obciążenia obukierunkowe i mają małe prędkości ruchu. Dodatkową zaletą jest możliwość regulacji i kasowania luzów poosiowych.

Gwinty trapezowe niesymetryczne - charakteryzują się największą wytrzymałością. Pracują tylko przy jednostronnym kierunku obciążenia. Powierzchnie robocze są pochylone pod kątem α_r = 3°. Kąt pomiędzy powierzchniami pomocniczymi α_p = 30°, ewentualnie α_p = 45°.

T_r 32 x 6 - gwint trapezowy symetryczny

S = 32 x 6 - gwint trapezowy niesymetryczny

32 - średnica , 6 - skok

Gwint prostokątny - jest nieznormalizowany. Stosuje się go tylko w produkcji jednostkowej. Zastępuje się go gwintem trapezowym, ponieważ jest łatwiejszy do wykonania i przenosi większe obciążenia.

Gwint rurowy walcowy - jest gwintem trójkątnym. Stosowany głównie do łączenia przewodów rurowych. Jest to gwint calowy drobnozwojowy o kącie gwintu α = 55°. Jako średnicę gwintu d podajemy średnicę otworu rury z gwintem zewnętrznym (w calach).

Gwint okrągły - ma okrągły gwint PN - 84/M - 02035. Posiada dużą wytrzymałość zmęczeniową, zwłaszcza przy obciążeniu udarowym. Stosuje się go w połączeniach spoczynkowych, często montowanych i demontowanych, np. w przewodach pożarowych, złączach wagonowych.

Gwinty stożkowe - powstaje podobnie jak gwint walcowy, ale jest nacinany wzdłuż powierzchni stożka. W połączeniach normalnych gwint stożkowy jest na rurze i w złączce. W połączeniach uproszczonych gwint walcowy stosuje się w złączce, a gwint stożkowy tylko na rurze. Gwinty stożkowe są stosowane do łączenia przewodów rurowych wodnych, itp. Zapewniają szczelność połączenia bez stosowania dodatkowych materiałów uszczelniających. Do znormalizowanych gwintów należą:

Gwinty toczne - w gwincie tym między śrubą i nakrętką, są wprowadzone specjalne kulki. Kulki toczą się w zamkniętym obiegu kanałem zwrotnym. Obieg ten obejmuje 3, 2 lub 1 zwój. Skoki tych gwintów są znormalizowane. Gwinty toczne wykonane są z dużą dokładnością, co umożliwia bezluzową pracę i dużą sprawność (95%). Przekładnie śrubowe toczne są stosowane w śrubach pociągowych dokładnych obrabiarek, w mechanizmach śrubowych sprzętu pomiarowego (np. jako elementy napędowe i pomiarowe w obrabiarkach sterowanych numerycznie), itp.

Wytrzymałość śrub

Połączenie obciążone tylko siłą rozciągającą.

σ_r = ≤ k_r , S =

σ_r = ≤ k_r

d₁ = lub d₁ = 1,13

σ = ≤ k_r

Połączenia obciążone siłą poprzeczną, ze śrubami ciasno pasowanymi.

Obliczenia jak dla połączeń nitowanych.

τ = ≤ k_t

Połączenie sprawdzamy na naciski powierzchniowe.

k_o = 2k_t

k_t - dla materiału słabszego

Połączenie obciążone siłą poprzeczną ze śrubami luźnymi.

Aby nie dopuścić do zginania śrub należy mocno je skręcać siłą osiową Q_o, wywołując na powierzchniach styku odpowiednie naciski.

Pod działaniem siły F na powierzchniach styku wystąpi siła tarcia T , przeciwdziałająca przesunięciu części łączonych i zabezpieczająca śrubę przed zgniotem. Wyżej wymienioną sytuację spełnia warunek:

F ≤ k ⋅ i ⋅ T

F ≤ k ⋅ i ⋅ Q_o ⋅ μ

gdzie:

• k - współczynnik pewności (0,4 ÷ 0,8);

• i - liczba powierzchni styku;

• μ - współczynnik tarcia:

0,06 - dla powierzchni smarowanych

0,1 ÷ 0,2 - dla powierzchni niesmarowanych

0,5 - dla powierzchni piaskowanych.

Na podstawie wzoru wyznaczamy siłę osiową Q_o działającą na jedną śrubę.

Q_o =

• n - liczba śrub przenoszących obciążenie F.

Średnicę rdzenia śruby obliczamy z wzoru z przypadku podstawiając:

Q = 1,3Q_o

d₁ =

Po dobraniu śruby sprawdzamy ją wg wzoru na naprężenia zastępcze - przypadek

σ_z =

10

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

Rodzaje nakrętek: a) sześciokątna,

b) koronowa, c) kwadratowa, d) okrągła rowkowa, e) okrągła otworowa,

f) skrzydełkowa, g) radełkowana

---