ZESPÓŁ SZKÓŁ TECHNICZNYCH

W OLECKU

TECHNIKUM MECHANICZNE

CZĘŚCI MASZYN

ZESZYT 1

Skrypt pod kierunkiem inż. Mieczysława Aniśko

napisał Łukasz Krużykowski

Tylko do użytku wewnętrznego

OLECKO 2001

Spis treści

1. Zasady konstruowania części maszyn...........................................................................................3

1. Ogólne zasady konstruowania części maszyn................................................................................................

2. Klasyfikacja i cechy użytkowe części maszyn...............................................................................................

3. Normalizacja części maszyn...........................................................................................................................

4. Rodzaje obciążeń............................................................................................................................................

5. Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach stałych.....................................................................................

6. Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach zmiennych...............................................................................

7. Wytrzymałość zmęczeniowo - kształtowa.....................................................................................................

8. Wytrzymałość zmęczeniowa osi i wałów.....................................................................................................

2. Połączenia nitowe........................................................................................................................ 14

1. Charakterystyka i rodzaje połączeń nitowych...............................................................................................

2. Układ sił i naprężeń w połączeniach nitowych.............................................................................................

3. Konstruowanie połączeń nitowych mocnych...............................................................................................

4. Połączenia nitowe szczelne i mocno szczelne..............................................................................................

3. Połączenia spajane......................................................................................................................23

1. Charakterystyka połączeń spawanych..........................................................................................................

2. Rodzaje spoin i ich oznaczenie.....................................................................................................................

3. Obliczanie spoin czołowych.........................................................................................................................

4. Obliczanie spoin pachwinowych..................................................................................................................

5. Połączenia zgrzewane...................................................................................................................................

6. Rodzaje i zastosowanie połączeń zgrzewanych............................................................................................

7. Wytrzymałość połączeń zgrzewanych..........................................................................................................

8. 
   Połączenia lutowane.....................................................................................................................................

9. Połączenia klejone........................................................................................................................................

4. Połączenia wciskowe...................................................................................................................37

1. Obciążalność połączeń wciskowych............................................................................................................

2. Ustalanie nacisków dopuszczalnych............................................................................................................

3. Obliczanie połączeń skurczowych...............................................................................................................

5. Połączenia kształtowe..................................................................................................................42

1. Charakterystyka i klasyfikacja połączeń kształtowych.................................................................................

2. Połączenia wpustowe...................................................................................................................................

3. Połączenia wielowypustowe........................................................................................................................

4. Obliczanie połączeń wielowypustowych równoległych...............................................................................

5. Połączenia kołkowe.......................................................................................................................................

6. Połączenia sworzniowe.................................................................................................................................

7. Połączenia klinowe.......................................................................................................................................

6. Połączenia gwintowe...................................................................................................................55

1. Ogólna charakterystyka połączeń gwintowych.............................................................................................

2. Parametry gwintów.......................................................................................................................................

3. Rodzaje gwintów i ich zastosowanie............................................................................................................

4. Łączniki gwintowe........................................................................................................................................

5. Układ sił i praca w połączeniu gwintowym..................................................................................................

6. 
   Momenty tarcia.............................................................................................................................................

7. 
   Sprawność i samohamowność gwintu.........................................................................................................

8. Wytrzymałość połączeń gwintowych..........................................................................................................

9. Połączenia obciążenia jednocześnie siłą osiową i momentem skręcającym...............................................

10. Połączenia skręcane z wstępnym zaciskiem..............................................................................................

11. Wytrzymałość gwintu................................................................................................................................

12. Projektowanie śrub....................................................................................................................................

I. Zasady konstruowania części maszyn

1. Ogólne zasady konstruowania części maszyn

Konstruowanie - jest procesem tworzenia konstrukcji, która następnie jest rejestrowana w postaci dokumentacji technicznej.

W skład dokumentacji technicznej wchodzą:

• dokumentacja konstrukcyjna (rysunki zestawieniowe, wykonawcze, obliczenia, opisy itp.);

• dokumentacja technologiczna (obejmująca technologię wykonania poszczególnych części i ich montażu).

W sensie konstrukcyjnym każda maszyna składa się z zespołów, podzespołów i części maszyn.

Zespołem - nazywamy zestaw części stanowiących gotowy wyrób.

Bardziej skomplikowane zespoły dzielimy na zespoły niższego rzędu. Każdą maszynę i zespoły możemy rozłożyć na elementy, które nazywane są częściami maszyn.

Projektowanie maszyn czy też elementów wymaga zachowania wielu warunków, które określamy jako zasady konstruowania maszyn.

Podstawowe zasady to:

• przystosowanie maszyny do określonych zadań eksploatacyjnych;

• niezawodność i trwałość;

• łatwy montaż i demontaż;

• mały ciężar i wymiary gabarytowe;

• możliwość stosowania prostych procesów technologicznych (montaż);

• niskie koszty produkcji i eksploatacji;

• estetyka produkowanej maszyny;

• inne warunki zależne m.in. od rodzaju maszyny i jej przeznaczenia.

1. Klasyfikacja i cechy użytkowe części maszyn

Części maszyn podzielić możemy na trzy grupy:

• części połączeń;

• łożyskowanie (osie, wały, łożyska);

• części napędów (przekładnie zębate, cięgnowe, cierne oraz mechanizmy śrubowe);

Połączeniem - nazywamy fragment konstrukcji w którym części łączone są powiązane za pomocą łączników tworząc połączenie pośrednie. Stosowane też są połączenia bezpośrednie (bez łączników) kształtowe lub wciskowe.

Połączenia

ruchowe spoczynkowe

rozłączne nierozłączne

Różnorodne wymagania w procesie konstruowania części maszyn wynikają z warunków technicznych jak i z ogólnych zasad konstruowania maszyn. Wymagania te określamy jako cechy użytkowe części maszyn.

Podstawowe cechy użytkowe części maszyn:

• wytrzymałościowe (wytrzymałość mechaniczna, sztywność i trwałość konstruowanych części);

• materiałowe (własności wytrzymałościowe, łatwa obrabialność, odporność na korozję i inne czynniki, odporność na zmiany temperatury w czasie pracy, łatwość nabycia, stosowanie wąskiego asortymentu materiałów itd.);

• technologiczne (łatwość wykonania, możliwość stosowania prostych procesów technologicznych o małej pracochłonności itp.);

• montażowe (łatwość montażu i demontażu oraz napraw i wymiany uszkodzonych elementów; zamienność części);

• eksploatacyjne (niezawodność i bezpieczeństwo działania, łatwość obsługi, cicha praca itd.);

• ekonomiczne (niski koszt materiału, produkcji i eksploatacji);

• estetyczne prostota i estetyka kształtu, dostosowanie wykończenia powierzchni do warunków użytkowania itp.);

• inne (mały ciężar i wymiary, szczelność połączeń, łatwość i bezpieczeństwo transportu itd.).

1. Normalizacja części maszyn

Przez pojęcie normalizacja rozumiemy opracowywanie i wprowadzanie jednolitych norm. Ma ono na celu uporządkowanie, uproszczenie i ujednolicenie:

• oznaczeń technicznych i słownictwa;

• podstawowych wielkości stosowanych w BM (wymiarów normalnych, tolerancji pasowań, zarysów gwintów itp.);

• materiałów (gatunków stali, żeliw itp.);

• gotowych wyrobów;

• niektórych metod badawczych;

• warunków odbioru jakościowego, konserwacji itp.

Obniżenie kosztów wytwarzania oraz eksploatacji maszyn i urządzeń wynika między innymi z tego, że:

• elementy znormalizowane mogą być produkowane wielkoseryjnie lub masowo;

• wprowadzenie zamienności części i zespołów;

• ułatwienie pracy konstruktora.

Rodzaje norm

Normą techniczną - nazywamy obowiązujący dokument techniczno - prawny określający właściwości, cechy wyrobów itp.

Obowiązują Polskie Normy (PN) opracowywane przez PKNMiJ. W poszczególnych branżach i resortach stosujemy normy branżowe (BN).

ISO - Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna.

Zadania ISO:

• koordynacja i ujednolicanie norm przemysłowych;

• opracowywanie norm międzynarodowych;

• wymiana doświadczeń między jej członkami.

Typizacja - działalność normalizacyjna polegająca na ograniczeniu liczby podstawowych wyrobów o zbliżonych właściwościach.

Przykład typizacji - wprowadzenie wymiarów normalnych (PN - 78/M - 0204). Są one uszeregowane wg rosnącego postępu geometrycznego, opartego na szeregu Renarda (mnożnikiem jest liczba , gdzie n = 5, 10,20 lub 40).

Typizacja w konstrukcjach maszyn polega na zachowaniu tego samego sprawdzonego w eksploatacji rozwiązania konstrukcyjnego elementu maszynowego lub całej maszyny i podobnego kształtu geometrycznego a więc również tych samych metod obróbki i montażu. Dzięki typizacji maszyny o różnych wielkościach produkowane przez określony zakład wytwórczy mają podobny wygląd.

Unifikacja - dalszy postęp w zakresie normalizacji polegający na ujednoliceniu elementów i zespołów stosowanych w podobnych maszynach.

Unifikacja w konstrukcji nowych maszyn umożliwia wykorzystanie elementów i zespołów już dawniej wyprodukowanych i sprawdzonych, bez wprowadzenia do nich jakichkolwiek zmian.

W przemyśle maszynowym w każdej maszynie może wystąpić:

• 30 ÷ 50% części znormalizowanych;

• 30 ÷ 40% części nadających się do znormalizowania;

• 10 ÷ 30% części specjalnych.

1.4 Rodzaje obciążeń

Rys. 1.1 Rodzaje cykli obciążeń i naprężeń.

Obciążenia dzielimy na:

• stałe (statyczne, niezmienne, trwałe), których wartość i kierunek są niezmienne w ciągu dość długiego czasu (rys.1.1 a);

• zmienne o różnym charakterze zmienności w czasie pracy (rys.1.1 b, c, d)

Wśród obciążeń zmiennych wyróżniamy obciążenia okresowe - najczęściej szybkozmienne - jako typowe obciążenia pracujących części maszyn.

Należą do nich obciążenia:

• wahadłowe, przy których bezwzględne wartości F_max i F_min są sobie równe (rys.1.1 c - 3);

• tętniące odzerowo, przy których w każdym cyklu pacy F_min (F_max) = 0 (rys.1.1 b - 1);

• o charakterze nieustalonym (rys.1.1 d).

Obliczenia wytrzymałościowe

Obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzamy w przypadku:

• przy projektowaniu nowych konstrukcji;

• podczas badań kontrolnych części pracujących lub ustalenie przyczyn zniszczenia części.

Obliczenia wytrzymałościowe - wykonuje się na podstawie warunku: naprężenia rzeczywiste muszą być mniejsze (lub równe) od naprężeń dopuszczalnych.

Wzory wytrzymałościowe:

σ (lub τ, lub p) = ≤ k

oraz

σ (lub τ) = ≤ k

gdzie:

σ - (sigma) - naprężenia rzeczywiste normalne przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu, w [Pa];

τ - (tau) - naprężenia rzeczywiste styczne przy ścinaniu i skręcaniu, w [Pa];

p - naciski powierzchniowe, w [Pa];

F - obciążenie rozciągające, ściskające, ścinające, nacisk w [N];

S - pole powierzchni przekroju narażonego na zniszczenie lub pole powierzchni nacisku, w [m²];

M - obciążenie momentem (przy zginaniu M_g, przy skręcaniu M_s), w [N ⋅ m];

W - wskaźnik wytrzymałości przekroju (przy zginaniu W_x, przy skręcaniu W_o ), w [m³];

k - naprężenia (lub naciski) dopuszczalne, w [Pa].

Poszczególnym obciążeniom przypisujemy następujące indeksy:

r - rozciąganie;

c - ściskanie;

t - ścinanie;

g - zginanie;

s - skręcanie;

j - obciążenia tętniące (jednostronnie zmienna);

o - obciążenia wahadłowe (obustronnie zmienne).

Przy obciążeniu rozciągająco - ściskającym wskaźniki r i c łączymy (k_rc).

Przy złożonym stanie naprężeń:

σ_z = σ_r + σ_g ≤ k_r (lub k_rj lub k_rc) (przy naprężeniach normalnych)

σ_z = ≤ k_g (lub k_gj lub k_go) (przy naprężeniach o różnych kierunkach)

Powyższy wzór oparty na hipotezie wytrzymałościowej HUBERA wymaga określenia współczynnika α (określa on stosunek naprężeń dopuszczalnych normalnych do stycznych).

α = ; α = itp.

Obliczenia realizujemy w jednostkach układu SI. Jednostką naprężenia jest Pascal

(1Pa = 1N/mm²). Stosujemy krotności (kPa, MPa).

Uprościć obliczenia można poprzez zastosowanie tzw. wzorów liczbowych.

1.5 Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach stałych

Naprężenia, które mogą pozostać w materiale bez obawy naruszenia warunku wytrzymałości i warunku sztywności nazywamy naprężeniami dopuszczalnymi. Wartości naprężeń dopuszczalnych ustalone są w zależności od własności materiału i charakteru obciążeń.

Podstawowe własności wytrzymałościowe:

• minimalna wytrzymałość na rozciąganie (tzw. wytrzymałość doraźna - R_{m. min} (materiały kruche i plastyczne);

• granica plastyczności - R_{e min} (dla materiałów plastycznych).

Za podstawę do ustalania naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach stałych przyjmujemy:

R_e - dla materiału plastycznego;

R_m - dla materiału kruchego.

W celu uzyskania określonego stopnia pewności, że dana część nie ulegnie zniszczeniu lub odkształceniu trwałemu wprowadza się współczynniki bezpieczeństwa.

Naprężenia dopuszczalne wyznaczamy z wzorów:

k = lub k =

gdzie:

.

x_e - współczynnik bezpieczeństwa dla materiałów plastycznych;

x_m - współczynnik bezpieczeństwa dla materiałów kruchych

Przeciętne wartości współczynników bezpieczeństwa Tablica 1.1

Materiał	xe	xm
Stale, staliwa, żeliwo ciągliwe	2 ÷ 2,3	-----
Żeliwa szare	-----	3,5
Stopy miedzi	3 ÷ 4	-----
Stopy aluminium	3,5 ÷ 4	-----

1.6 Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach zmiennych

Części maszyn poddane obciążeniom zmiennym (tętniącym, wahadłowym lub o nieustalonym przebiegu) wykazują znacznie niższą wytrzymałość niż przy obciążeniach stałych. Proces zmian występujących w materiale pod wpływem zmiennych obciążeń i wywołanych nimi zmiennych naprężeń nosi nazwę zmęczenia materiału.

Wartości największych naprężeń przy których badane próbki nie ulegają zniszczeniu w ciągu określonej liczby zmian obciążenia ustalane są doświadczalnie. Wartość tych naprężeń nazywamy wytrzymałością na zmęczenie i w zależności od rodzaju obciążenia oznaczamy następująco:

Z - wytrzymałość na zmęczenie;

Z_go, Z_rc, Z_so - przy obciążeniach działających w cyklu wahadłowym;

Z_gj, Z_rj, Z_cj, Z_sj - przy obciążeniach działających w cyklu odzerowo tętniącym.

Z_g, Z_r, Z_c - przy obciążeniach działających w dowolnym, jednoznacznie określonym cyklu niesymetrycznym.

Zależności umożliwiające wyznaczanie wytrzymałości na zmęczenie przy obciążeniach okresowo zmiennych przedstawia tablica 1.2

Przyjmując za podstawę odpowiednią wytrzymałość zmęczeniową wartość naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach okresowo zmiennych wyznaczam z wzoru:

k =

gdzie:

x_z - współczynnik bezpieczeństwa przy obciążeniach zmiennych.

Dla stali, staliwa i żeliwa ciągliwego - x_z = 3,5 ÷ 4

Stosowane współczynniki bezpieczeństwa w tablicach (patrz załączniki) wynoszą: dla stali i staliwa x_e = 1,9 ÷ 2,1; x_z = 3,4 ÷ 3,7 oraz dla żeliwa - x_m = 3,5; x_z = 3. Dla obliczeń „specyficznych” przyjmujemy wartość „k” wg zaleceń.

Dopuszczalne naciski powierzchniowe

Dla połączeń spoczynkowych k_o = 0,8 k_c oraz k_oj = 0,8 k_cj. Zawsze dla materiału „słabszego”.

Uwaga: Wartości k_o w większości przypadków są podawane przy omawianiu obliczeń poszczególnych połączeń.

1. Wytrzymałość zmęczeniowo - kształtowa

Gdy chcemy ustalić dokładnie wartość naprężeń dopuszczalnych (zmniejszamy wymiary elementu wg wzoru k =
zachowując wymagania wytrzymałościowe), musimy dokładnie uwzględnić inne czynniki decydujące o wytrzymałości zmęczeniowej:

• czynniki konstrukcyjne (kształt i wymiary części, rodzaj i wymiary karbu);

• czynniki technologiczne (stan warstwy powierzchniowej, rodzaj obróbki, ulepszenie powierzchni przez różne zabiegi technologiczne itp.);

• czynniki eksploatacyjne (np. przebieg i częstotliwość zmian obciążenia, przerwy w obciążeniach lub zmienność temperatury części podczas pracy).

Rys.1.2 Wykres Wöhlera (1 ÷3 - próbka złamana, 4 ÷ 6 - próbka nie złamana)

Na podstawie badań możemy wyznaczyć wytrzymałość na zmęczenie (Z_go, Z_rj) ustalamy wartość Z przy nie zmiennej próbce dla 10⁷ cykli (stal). Znając wartość Z należy uwzględnić inne czynniki mające wpływ na zmęczenie materiału. Zrealizować to możemy poprzez obliczenie całkowitego współczynnika bezpieczeństwa x_z wg zależności:

x_z = ⋅ δ

gdzie:

β - współczynnik spiętrzenia naprężeń (uwzględnia wpływ karbu i stanu powierzchni);

ε - współczynnik wielkości przedmiotu;

δ - współczynnik pewności (rzeczywisty współczynnik bezpieczeństwa 1,4 ÷ 1,7).

Spiętrzeniem lub koncentracją naprężeń nazywa się lokalne zwiększenie wartości naprężeń spowodowane nagłą zmianą przekroju, oraz rysy powierzchniowe, korozję. Miejsca te nazywamy karbami .

Rys.1.3 Przykład klasyfikacji karbów (prostszych)

Rys.1.4 Rozkład naprężeń w przekroju osłabionym karbami (ujęcie poglądowe).

Wpływ kształtu karbu uwzględnimy wprowadzając współczynnik kształtu α_k:

α_k =

Rys.1.5

Materiały mają różną podatność na działanie karbu. Uwzględnia to współczynnik wrażliwości materiału na działanie karbu η_k , dla żeliwa η_k = 0, dla stali węglowych η_k = 0,4 ÷ 0,9, szkło η_k = 1. Wpływ działania karbu na wytrzymałość zmęczeniową oznaczamy współczynnikiem karbu β_k.

β_k = 1 + η_k (α_k - 1)

Współczynnik stanu powierzchni β_p.

Wpływ działania karbu i mikrokarbów ujmuje się łącznie we współczynniku spiętrzenia naprężeń β:

β = β_k + β_p - 1

Współczynnik wielkości przedmiotu ε (charakteryzuje zmianę wytrzymałości zmęczeniowej w zależności od wymiarów elementu):

ε =

gdzie:

Z_d - wytrzymałość zmęczeniowa próbki o danej średnicy d;

Z - wytrzymałość zmęczeniowa dla podobnej próbki o średnicy wzorcowej (7 ÷ 10) [mm]

Współczynnik pewności δ (wg Rutkowskiego) przyjmuje się 1,4 ÷ 1,7 dla obliczeń dokładnych (przeciętna jakość materiału i przeciętne wykonanie), ewentualnie δ = 1,3 ÷ 1,4 - bardzo dokładne obliczenia (pełna znajomość siły naprężeń w obliczanym elemencie)

Według W. Korewy.

δ=(1,3÷1,4)- w przypadku ścisłego obliczenia na podstawie dokładnych danych doświadczalnych i wyników pomiaru naprężeń w układzie.

δ=(1,4÷1,7)- dla zwykłej dokładności obliczeń, bez doświadczalnego sprawdzania układu.

δ=(1,7÷2,0)- dla zmniejszonej wartości obliczeń, ale przy możliwości określenia bez większych trudności

obciążeń i naprężeń.

δ=(2,0÷3,0)- przy orientacyjnym określeniu obciążeń i naprężeń, dla niepewnych warunków lub specjal-

nie ciężkich warunków pracy np. elementów odlewanych (górna wartość δ).

Ustalenie wartości całkowitego współczynnika bezpieczeństwa x_z umożliwia określenie możliwie optymalnych wartości naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach zmiennych.

7. Wytrzymałość zmęczeniowa osi i wałów

W obliczeniach wałów wg wzoru d ≥ uwzględnia się wytrzymałość zmęczeniową w sposób przybliżony, przyjmując z tablic wartości naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach obustronnie zmiennych (k_go), wyznaczoną z zależności: k_go = . Dla wałów stalowych wartość współczynnika bezpieczeństwa przyjmuje się najczęściej w granicach x_z = 3,5 ÷ 4.

Dla wałów pracujących w ciężkich warunkach są wymagane dokładniejsze obliczenia, uwzględniające szczegółowe wymiary wału oraz wpływ spiętrzenia naprężeń w miejscach karbów. Należy wówczas uwzględniać kształt i wielkość karbu (rys 1.5), stan powierzchni (chropowatość), wrażliwość materiału na działanie karbu, wzmocnienie powierzchni przez obróbkę cieplną i cieplno - chemiczną oraz inne czynniki, decydujące o wytrzymałości zmęczeniowej.

Ustalenie wpływu większości podanych czynników na wytrzymałość zmęczeniową jest możliwe dopiero po zaprojektowaniu wału, tzn. po ustaleniu jego kształtów, wymiarów, chropowatości powierzchni itp.

Ponieważ wały są narażone jednocześnie na zginanie i na skręcanie, obliczanie ich wymiarów z uwzględnieniem dokładniejszych obliczeń wytrzymałości zmęczeniowej powinno być wykonane w następujący sposób:

• Obliczenie wału;

• Zaprojektowanie wymiarów wału zgodnie z obliczeniami wytrzymałościowymi, z uwzględnieniem wymagań technologiczno - konstrukcyjnych;

• Sprawdzenie wartości naprężeń zginających σ_g i skręcających τ_s w przekrojach najbardziej obciążonych i osłabionych karbami. Do obliczania naprężeń w przekrojach osłabionych (rys 1.6d,e) należy przyjąć zmniejszone wartości wskaźników wytrzymałości przekroju W₁:

Rys.1.6 Rodzaje karbów w wałach.

przy jednym rowku W_x1 = W_x - a oraz W_o1 = W_o - a

przy dwóch rowkach W_x1 = W_x - 2a oraz W_o1 = W_o - 2a

gdzie:

• a = ( b,t -szerokość i głębokość rowka).

• Obliczenie współczynników bezpieczeństwa - osobno dla zginania i dla skręcania;

x_zg = ; x_zs =

• Obliczenie współczynników β i ε - wg treści rozdziału 1.7 - oraz ustalenie rzeczywistych współczynników bezpieczeństwa;

δ_g = oraz δ_s =

gdzie:

• β_g, β_s - współczynniki spiętrzenia naprężeń przy zginaniu i skręcaniu;

• ε - współczynnik wielkości przedmiotu.

• Obliczenie ogólnego współczynnika bezpieczeństwa wg wzoru:

δ =

W dokładnych obliczeniach wytrzymałości zmęczeniowej wału wartość δ = 1,4 ÷ 2,0 uznawana jest za wartość wystarczającą do zapewnienia bezpiecznej konstrukcji. Jeżeli w wyniku obliczeń otrzyma się dla określonego przekroju δ < 1,4, należy powiększyć średnicę wału, zmniejszyć karb itd. Otrzymanie δ >> 2 oznacza, że kształt wału w danym przekroju jest zaprojektowany ze zbyt dużym współczynnikiem

bezpieczeństwa i w miarę możliwości należy zmniejszyć jego średnicę.

2. Połączenia nitowe

2.1 Charakterystyka i rodzaje połączeń nitowych

Połączenia nitowe - nierozłączne pośrednie.

Rys.2.1 Wykonanie połączenia nitowego: a) zamykanie nitu, b) połączenie nitowe

1 - części łączone, 2 - nit, 3 - wspornik, 4 - zakuwnik

Nitowanie na zimno i gorąco - temperatura podgrzania nitu 700°C - nitowanie maszynowe.

1000 - 1100°C - nitowanie ręczne.

Proces kończymy przy temperaturze 500°C.

Na gorąco - d ≥ 10 [mm]

Na zimno - d ≤ 8 [mm]

Średnice otworów pod nity (d_o):

d_o = d + 1 - nitowanie na gorąco

d_o = d + (0,1 ÷ 0,2) - nitowanie na zimno

Wady połączeń nitowych:

• bardzo ograniczone możliwości konstrukcyjne;

• osłabiają przekroje zasadnicze ;

• znaczna robocizna;

• trudność uzyskania szczelności połączenia;

• duże koszta nakładowe.

Zalety:

• łączymy materiały trudno spawalne;

• przenoszą duże drgania;

• tradycja;

• wytrzymałość przy niskich temperaturach.

Rodzaje połączeń nitowych:

• mocne (konstrukcje stalowe, duże obciążenia);

• szczelne (zbiorniki niskociśnieniowe);

• mocno - szczelne (zbiorniki wysokociśnieniowe);

• nieznacznie obciążone (drobne konstrukcje).

Ze względów konstrukcyjnych połączenia nitowe dzielimy na zakładkowe i nakładkowe (jedno lub dwustronne). Szereg nitów - szew nitowy(szwy jednorzędowe lub wielorzędowe).

Rys.2.2 Połączenia nitowe: a) zakładkowe - szew jednorzędowy, b), c) zakładkowe - szew wielorzędowy, d) nakładkowe jednostronne - szew jednorzędowy, e) nakładkowe dwustronne - szew dwurzędowy

Rodzaje nitów:

• nity normalne d > 10 [mm];

• nity drobne d < 10 [mm].

Rys. 2.3 Nity normalne

Nit z łbem kulistym zwykłym (NKz) - we wszelkich konstrukcjach nie wymagających szczelności.

NKw - w konstrukcjach ciśnieniowych (w - wzmocniony).

NP, NS - wykorzystywane są, gdy wymagana jest mniej lub więcej gładka powierzchnia .

Nity drobne:

• nity drążone;

Rys. 2.4 Nit drążony

• nity rurkowe.

Rys. 2.5 Nity rurkowe: a) bez kołnierza, b) z kołnierzem, c) z wywinięciem brzegów, d) półrurkowy

Materiały na nity - powinny być plastyczne - stal miękka o zawartości C = 0,1 ÷ 0,2 (St2N, St3N - odpowiednio St2S, St3S).

Zalecane średnice nitów (wg PN ) wynoszą : 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16;

Średnice niezalecane: 3,5; 14; 18; 22; 27; 33[mm].

l = l₁ + l_o l_o = (1,3 ÷1,8)d

gdzie:

l_o - naddatek na zakuwkę;

l₁ - łączna grubość łączonych części.

Obliczoną długość zaokrąglić w górę do wartości znormalizowanych. Przy ustalaniu średnic nitów preferować średnice zalecane (PN - 70/M - 85952).

Przykład oznaczenia nitu z łbem płaskim o średnicy d=19[mm] i długości l=55[mm]

NIT NP 19 x 55 - PN-70/M-82954

2.2 Układ sił i naprężeń w połączeniach nitowych

Rys.2.6 Rozkład sił w połączeniu nitowym zamykanym na gorąco.

Proces nitowania na gorąco kończony jest przy temp. nita > 500°C. Podczas stygnięcia nitu następuje jego skurcz wzdłużny. W trzonie powstają naprężenia rozciągające wywołujące silny docisk blach przez łeb i zakuwkę nitu. Jednocześnie powstaje między otworami w blachach a nitem niewielki luz na wskutek skurczu poprzecznego.

Obciążamy złącze siły F(rys.2.6a). Między blachami powstanie siła tarcia T przenosząca całe obciążenie. W przypadku, gdy F > T wystąpi poślizg blach w ramach luzu poprzecznego (rys.2.6b). W tym przypadku obciążenie będzie częściowo przenoszone przez siły tarcia, a częściowo przez nit (nity), który będzie ścinany i narażony na naciski powierzchniowe.

Przy obliczeniach wytrzymałościowych połączeń nitowych realizowanych na gorąco przyjmujemy tzw. umowne dopuszczalne naprężenia ścinające (k_n) - uwzględniają one wpływ sił tarcia.

W obliczeniach wytrzymałościowych połączeń nitowych realizowanych na zimno do obliczeń przyjmujemy dopuszczalne naprężenie ścinające k_t (siły tarcia są pomijane).

Wartości naprężeń dopuszczalnych, stosowane przy obliczaniu połączeń nitowych (w MPa) Tablica 2.1

		Nitowanie
Materiał nitów		na zimno		na gorąco
		kt	ko	kn	ko
St3N (St3S)		75	średnio	110	średnio
St4N (St4S)		85	∼2,5kt	125	∼2,5kn
	Uwagi: 1. Wartości kt przyjęto wg tbl.1 ( patrz załączniki ) 2. Wartości naprężeń dopuszczalnych na rozciąganie kr dla materiału blach przyjąć wg tbl.1 (załączniki).

Połączenia nitowe mocne

Rozróżniamy:

• połączenia pasów blach (rozciąganie);

• połączenia kształtowników w kratownicach (rozciąganie lub ściskanie);

• połączenia blach z kształtownikami w blachownicach (momenty zginające, rozciąganie lub ściskanie).

Obliczanie wytrzymałości połączeń nitowych mocnych:

Rys.2.7 Wymiary połączeń nitowych i przekroje narażone na zniszczenie: a) szew zakładkowy, b) szew dwunakładkowy.

Połączenia nitowe mogą ulec zniszczeniu w wyniku:

• ścięcia nitu (IV);

• owalizacji otworów nitowych lub nitów;

• rozerwanie blachy w przekroju osłabionym (I - I, II - II, III - III);

• wyrwania nitów z blachy w wyniku ścięcia blachy (V);

• zginanie blach w połączeniach zakładkowych i nakładkowych jednostronnych

• wyboczenie prętów ściskanych (kratownice);

• oderwanie łba nitów (nitowanie poniżej temp. 500°C).

W celu uproszczenia obliczeń zakładamy, że:

• obciążenia rozkładają się równomiernie na wszystkie nity;

• nity obliczamy na czyste ścinanie;

• w połączeniach nitowanych na gorąco przyjmuję k_n bez względu na rodzaj obciążenia.

Połączenia nitowe obliczamy z dwóch warunków wytrzymałościowych:

1. Na ścinanie

Rys. 2.8 a - b) Schemat do obliczania nita na ścinanie

τ = ≤ k_n lub k_t [I]

gdzie:

kn - dopuszczalne naprężenia ścinające;

F - siła zewnętrzna;

m - liczba ścinanych przekrojów w jednym nicie;

n - liczba nitów (w połączeniach zakładkowych - wszystkie nity, w połączeniach

nakładkowych - nity łączące jeden z pasów z nakładkami).

2. Na naciski powierzchniowe

Rys.2.9 a-b) Schemat do obliczania nita na naciski powierzchniowe

p = ≤ k_o [II]

gdzie:

g - grubość blachy (dla nitów jednociętych - grubość blachy cieńszej, a dla dwuciętych - blachy grubszej);

g ⋅ d_o - przyjmuje się jako pole nacisku nitu na ściankę otworu.

k_o - dopuszczalny nacisk powierzchniowy (wg tbl.2.1)

Racjonalnym jest założenie, że połączenie nitowe ulegnie zniszczeniu w wyniku zniszczeniu nitów (koszt naprawy niższy). Wobec powyższego porównując oba warunki wytrzymałościowe zakładamy, że wytrzymałość nitów na ścinanie powinna być mniejsza niż wytrzymałość blach i nitów na naciski powierzchniowe. Warunek ten przyjmie postać.

⋅ m ⋅ n ⋅ k_n ≤ n ⋅ g ⋅ d_o ⋅ k_o [III]

Wprowadzamy k_o = 2,5k_n (wg tbl. 2.1) i otrzymujemy warunek:

≤ [IV]

Dla nitów jednociętych m = 1, stąd warunek [IV] przyjmie postać d ≤ 3,2g, dla nitów dwuciętych m = 2 - stąd d_o ≤ 1,6g. Jeżeli zależność [IV] jest spełniona wówczas nity obliczamy z warunku na ścinanie.

W praktyce przyjmujemy d = 2g. Dla tego warunku nity oblicza się:

1. Na ścinanie - dla nitów jednociętych.

2. Na naciski powierzchniowe - dla nitów dwuciętych (d_o ≥ 1,6g).

Gdy nie spełnimy zależności d ≈ 2g lub przyjmować będziemy k_o różne od k_o = 2,5 k_n

obowiązkowo należy sprawdzić warunek [III] lub obliczyć liczbę nitów (n) z warunków [I] i [II].

Elementy nitowane obliczamy z warunku na rozciąganie

Rys. 2.10

σ_r = ≤ k_r

S = b ⋅ g - d_o ⋅ g ⋅n₁ = g (b - d_o ⋅ n₁)

σ_r = ≤ k_r [V]

gdzie:

b - szerokość blachy [mm];

g - grubość blachy [mm];

n₁ - liczba nitów w przekroju;

k_r - dla materiału blachy lub nakładek.

W połączeniu (rys.2.10) najbardziej na zniszczenie narażony jest przekrój blachy I - I, dla nakładek III - III.

Uwaga: dla blach przekrój I - I obciążenie F; II - II obciążenie 5/6F; III - III 3/6F. Dla nakładek przekrój III - III obciążenie F; II - II 3/6F; I - I na 1/6F.

2.3 Konstruowanie połączeń nitowych mocnych

Rozstawienie nitów takie, które nie powoduje znacznego osłabienia blach. Spełnimy te warunki przyjmując zależności wymiarowe wg wytycznych.

Rozmieszczenie nitów w połączeniach mocnych

Tablica 2.2

Wymiar		Symbol wymiaru	Wartość wymiaru
Podziałka:	połączenie zakładkowe	t	(3 ÷ 5)d
	połączenie nakładkowe		(4 ÷7)d
Odległość rzędów nitów		a	(0,6 ÷ 0,8)t lub (2 ÷ 3)d
Odległość skrajnych	blach	e	(1,5 ÷ 2,5)d
nitów od krawędzi	nakładek	e1	(1,5 ÷ 2,5)d
Odległość krawędzi ścięć od osi nitów		e2	(1,5 ÷ 2)d

Ponadto:

• grubość nakładek jednostronnych: g_n ≥ 1,1g

• dla dwustronnych: g_n ≥ 0,65g

• w skrajnym rzędzie umieszczać tylko jeden nit;

• szwy wielorzędowe max - pięć rzędów lub pięć nitów w kierunku działania F;

• każdy element - min dwa nity;

• naroża pasów i nakładek ścinamy ukośnie;

• nie poleca się połączeń zakładkowych i nakładkowych jednostronnych - dodatkowo są zginane.

2.4 Połączenia nitowe szczelne i mocno szczelne

Połączenia szczelne - zbiorniki otwarte, zbiorniki zamknięte, o niskich ciśnieniach, rurowe.

Połączenia mocno - szczelne - zbiorniki ciśnieniowe oraz wielkie zbiorniki.

W połączeniach nitowych szczelnych (do 5 mm) nitowanych na zimno wprowadzamy między blachy szczeliwo (uszczelki). Przy nitowaniu na gorąco zapewnienie szczelności połączeń nitowych - mniejsze t i a, k_n przyjmuję 45 ÷ 70 MPa.

Zwiększymy pewność szczelności przez doszczelnienie krawędzi blach i łbów nitów.

Kratownice - układy kratowe w konstrukcjach budowlanych, w budowie suwnic, żurawi lub fragmenty konstrukcji nośnej. Pręty kratownic wykonujemy z kształtowników łączonych w węzłach za pomocą blach węzłowych.

Rys.2.12 Przykłady połączeń kształtowników w węzłach kratownic

Blachownice - konstrukcja składająca się z pasów, środników i kątowników - tworzą belki stosowane jako konstrukcje nośne.

Rys.2.13 Przekroje blachownic: a) płaskiej, b) skrzynkowej

Nity specjalne:

1. Nity kadłubowe, okrętowe (wzmocniony łeb stożkowy + stożkowy trzonek).

2. Nity drobne pełne 0,6 ÷ 1,6 mm .

3. Nity drobne rurkowe.

4. Nity pasowe.

5. Nity rozwidlone.

6. Nity dwuczęściowe - do tworzyw sztucznych lub drewna

7. Nity płytko otworowe.

8. Nity zamykane jednostronnie (miedź, mosiądz, monel lub stopy lekkie).(rys.2.15)

Rys.2.14 Nity specjalne: a) pasowy, b) rozwidlony, c) dwuczęściowy, d) płytkootworowy

Rys.2.15 Nitowanie z jednostronnym zamykaniem sposobem: a) Choberta, b) Brequeta, c) Junkersa, d) Hucka

3. Połączenia spajane

1. Charakterystyka połączeń spawanych

Połączenia spawane powstają w wyniku nadtopienia brzegów topionych części i wprowadzenia stopionego materiału dodatkowego (spoiwa) w miejscu łączenia; materiały te po ostygnięciu tworzą spoinę - wiążącą część w jedną całość.

Połączenie to wykorzystuje zjawisko kohezji (spójność międzycząsteczkowa), w miejscu podziału powierzchnia ulega zanikowi - połączenie nierozłączne - bezpośrednie.

Zalety połączeń spawanych:

• pozwalają na dowolne ustawienie łączonych ścianek, nie wprowadzając elementów pomocniczych;

• nie osłabiają przekrojów otworami na nity;

• nie wymagają dodatkowych zabiegów w celu uzyskania szczelności łączenia;

• wymagają mniej robocizny, mniejszego wyposażenia, mniejsza powierzchnia warsztatu.

Wady:

• wysoka temperatura - naprężenia, zmiany strukturalne i paczenie.

Rys.3.1 Obszar wtopienia spoiny

W zależności od źródła ciepła rozróżniamy spawanie:

• gazowe - coraz mniejszy zakres stosowania. Temperatura uzyskiwana - 3200°C. Płomień uzyskujemy - acetylen + tlen, w stosunku 1 ÷ 1,2, g = 1,5 ÷ 2 mm - bez dodatkowego metalu. Wprowadzenie dodatkowego metalu: przedmioty grubsze + możliwość spawania metali różniących się składem chemicznym.

• łukowe - powstanie łuku przez zetknięcie biegunów na skutek wielkich oporów omowych występujących w miejscu styku dwóch biegunów. Miejsca te silnie się nagrzewają. Wywołuje to emisję elektronów polegającą na wypromieniowywaniu swobodnych elektronów z powierzchni metalu, które zderzają się z cząsteczkami i atomami powietrza, jonizują je, przy czym powietrze staje się przewodnikiem elektryczności. Zjonizowane cząsteczki z ładunkiem ujemnym poruszają się w kierunku anody bombardując i oddając zasób posiadanej energii, przy czym biegun rozgrzewa się bardzo silnie. Podobnie dzieje się z cząsteczkami z ładunkiem dodatnim, które bombardują katodę. Temperatura na biegunach zależy od rodzaju prądu (np. prąd zmienny ≈ 6000°C).Najczęściej stosowane ze względu na szybkie nagrzewanie się części, obejmuje mniejszą powierzchnię niż przy gazowym.

Rodzaje spawania łukowego:

• elektrodą stapiającą się lub niestapiającą;

• jedną lub dwiema elektrodami, w strumieniu argonu lub helu;

• łukiem bezpośrednim lub pośrednim;

• prądem zmiennym lub stałym;

• łukiem otwartym z ochroną żużlową lub gazową;

• z metalem dodatkowym lub bez;

• ręczne, automatyczne lub półautomatyczne.

Stosowane są bardziej nowoczesne rodzaje spawania:

• spawanie atomowe;

• spawanie plazmowe;

• spawanie elektronowe;

• spawanie laserowe;

• spawanie gorącym powietrzem tworzyw termoplastycznych.

Projektując konstrukcję spawaną należy przestrzegać następujące ogólne zasady:

1. Części konstrukcji spawanych staramy się wykonywać z profili znormalizowanych dążąc do zmniejszenia zastosowanych typowymiarów.

2. Wymiary powierzchni nie wymagających obróbki należy dobrać tak, aby części wykonać z profili znormalizowanych bez stosowania dodatkowej obróbki.

3. Należy dążyć do zmniejszenia ilości spoin oraz liczby części składowych. Promienie gięcia nie mogą być zbyt małe (rys.3.2).

Rys.3.2

4. Części wykonane z blach powinny mieć krawędzie prostoliniowe (rys.3.3). Dobierając kształt części nie należy naśladować kształtów części wykonanych inną technologią.

Rys.3.3

5. Należy unikać ostrych zakończeń części (rys.3.4).

Rys.3.4

Wzajemne położenie części spawanych nie powinno utrudniać spawania.

6. Suma momentów przekroju spoin względem środka ciężkości przekroju konstrukcji spawanej winna być jak najmniejsza. Osiągać to możemy poprzez stosowanie symetrycznego rozkładu spoin (rys.3.5a) bądź odpowiedniego doboru długości lub przekroju spoin (rys.3.5b);

Rys. 3.5

7. Wzajemne położenie części spawanych nie powinno utrudniać spawania. Należy zapewnić widoczność miejsca spawania, swobodny dostęp elektrody (rys.3.6) oraz w miarę możliwości, dolną pozycję spawania (zapewniającą najwyższą jakość spoiny).

Rys. 3.6

8. Projektując połączenie części profilowanych należy między innymi przeanalizować możliwe rodzaje wzajemnego ustawienia elementów zwracając uwagę na technologiczność przygotowania elementów do spawania oraz długości spoin połączenia. Typowe połączenie profili stosowanych w konstrukcji ram przedstawia rysunek 3.7

Rys.3.7

1. Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Rozróżniamy:

• spoiny nośne (mocne);

• spoiny szczelne;

• spoiny złączne (szczepne).

Tablica 3.1 Rodzaje spin oraz ich umowne znaki.

Rys.3.8 Rodzaje szwów i połączeń spawanych: a, b, c) połączenia czołowe, d ÷ h) połączenia pachwinowe; rodzaje szwów: 1 - poprzeczny, 2 - skośny, 3 - wzdłużny, 4 - przerywany, 5 - przerywany przestawny

Obliczenia połączeń spawanych

Obliczenia sprowadzamy do obliczeń wytrzymałości spoiny - która to jest najsłabszym miejscem połączenia.

Mniejsza wytrzymałość spoiny spowodowana jest

• nieciągłością struktury;

• naprężeniami spawalniczymi, które sumują się z naprężeniami od sił zewnętrznych.

Naprężenia dopuszczalne:

k′ = z ⋅ k

gdzie:

k′ - naprężenia dopuszczalne dla spoiny (k′_r, k′_rj, k′_rc)

z - współczynnik wytrzymałości spoiny (jakość spoiny)

k - naprężenia dopuszczalne dla materiału części łączonych (k_r, k_rj, k_rc)

Tablica 3.2

Wyżej wymienione informacje wykorzystujemy do obliczeń przybliżonych.

Obliczenia dokładne współwarunkują z takimi czynnikami jak: rodzaj spoiny, wytrzymałość materiału (im większe R_m tym mniejsze z), rodzaj obciążenia (statyczne, dynamiczne) oraz sposobu kontrolowania jakości spoiny.

1. Obliczanie spoin czołowych

W zależności od rodzaju obciążenia spoiny czołowe oblicza się:

• na rozciąganie lub ściskanie (rys. 3.9a)

σ_r = ≤ k′_r lub σ_c = ≤ k′_c

• na ścinanie (rys. 3.9b)

τ_t = ≤ k′_t

• na zginanie (rys. 3.9c)

σ_g = ≤ k′_g

gdzie:

F (M_g) - siła (moment zginający),

S - przekrój obliczeniowy spoiny (S = a ⋅ l),

W_x - osiowy wskaźnik przekroju spoiny ( W_x = ≈ ),

k′_r (k′_c, k′_t, k′_g) - odpowiednie naprężenia dopuszczalne dla spoin.

Wymiary spoin czołowych przyjmuje się równe przekrojowi geometrycznemu części spawanej o mniejszym przekroju, czyli wg rysunku 3.9 :a=g i b=l.

Początek i koniec długości spoiny, czyli tzw. kratery, są najsłabszymi miejscami w spoinie, zatem uwzględniając długość dwóch kraterów, przyjmuje się l_rZ = b = l + 2a lub l = b - 2a.

W pełni mogę wykorzystać spoinę stosując wybieg i dobieg (podkładki) l=b.

1. Obliczanie spoin pachwinowych

Spoiny pachwinowe obliczamy umownie na ścinanie w najmniejszym przekroju spoiny, dla obciążeń rozciągających, ściskających i ścinających stosujemy wzór:

τ = ≤ k′_t

Rys. 3.12

3 ≤ a ≤ 15 - zaokrąglamy w dół

Rys.3.10

Obliczeniowa grubość spoiny

a = h ⋅ cos 45° ≈ 0,7h gdy h = g ⇒ a = g ⋅ cos 45° ⇒ a = 0,7 ⋅ g

Na krater przyjmuję 1,5a

Zalecenia:

a) długość spoin nośnych

10a ≤ l ≤ 60a przy l_min = 40 mm

b) przekroje nakładek

• gdy tylko spoina pachwinowa g_n ≥ 0,6g - nakładki dwustronne oraz g_n = 1,1g - jednostronne

• spoina czołowa - g_n = (0,3 ÷ 0,5)g - nakładki dwustronne i g_n = (0,7 ÷ 1)g - jednostronne

Spoina przenosi moment zginający.

τ = ≤ k′_t

W_x = =

Rys. 3.11

Długość obliczeniowa spoiny - całkowita długość spoin przynoszących obciążenie.

Możemy wyeliminować kratery przeciągając szwy poza naroża na długości większej niż 2a.

1. Połączenia zgrzewane

Rys. 3.12 Zgrzewanie oporowe: a) punktowe, b) liniowe, c) czołowe: 1 - transformator, 2 - elektrody, 3 - części łączone

Zgrzewanie - spajanie materiału przez docisk z podgrzaniem miejsca łączonego lub bez podgrzania (dyfuzja i rekrystalizacja sąsiadujących ziaren metalu)

Skuteczność zgrzewania zależy od:

• ciśnienia;

• temperatury;

• czasu.

Źródła ciepła:

• zgrzewanie gazowe;

• zgrzewanie elektryczne:

1. iskrowe;

2. oporowe.

• zgrzewanie termitowe;

• zgrzewanie tarciowe.

Połączenie zgrzewane możemy uzyskać przez wywarcie dużego nacisku (inne metody: wybuchowe, ultradźwiękowe, zgniotowe).

Materiały zgrzewane - najlepiej, gdy mają jednakowy lub zbliżony skład chemiczny, np. stal węglowa ze stalą stopową lub narzędziową).

Odpowiednie procesy to możliwość zgrzania różnych metali, tworzyw sztucznych, metali i niemetali.

1. Rodzaje i zastosowanie połączeń zgrzewanych

1. Zgrzewanie czołowe - łączenie prętów, odkuwek. W zgrzeinach tych wykorzystywana jest cała powierzchnia styku.

2. Zgrzewanie punktowe - cienkie blachy, blacha + kształtownik.

3. Zgrzewanie liniowe - połączenia szczelne (rury ze szwem, pojemniki).

4. Zgrzewanie garbowe - zgrzewanie oporowe - zgrzewanie oporowe punktowe z uprzednim wytłoczeniem garbów, w miejscach gdzie mają utworzyć się punkty.

Zaleca się przyjmować:

Zgrzeina punktowa

Zaleca się przyjmować:

Zgrzeina punktowa

Rys. 3.13

t = 3d - dwa elementy oraz t≥60[mm]

t = 4d - trzy elementy oraz t≥80[mm]

e = 2d - w kierunku działania obciążenia

e = 1,5d - w kierunku prostopadłym do działania obciążenia

Zgrzeina liniowa

Rys. 3.11

Rys.3.14

Uwaga:

Unikamy zgrzewania elementów dla g2/g1>3

Zgrzewamy trzy elementy - grubszy do środka.

Zgrzeiny czołowe - ich wymiary przyrównujemy wymiarom przekroju łączonych części.

1. Wytrzymałość połączeń zgrzewanych

Obliczenia jak dla połączeń spawanych. Wartości naprężeń dopuszczalnych dla zgrzein czołowych wg wzoru:

k′ = z ⋅ k

z = (0,7 ÷ 0,85) , (śr. 0,8) - przy zgrzewaniu oporowym

z = (0,8 ÷ 0,95) , (śr. 0,9) - przy zgrzewaniu iskrowym

Zgrzeiny punktowe - obliczenia z warunku na ścinanie (obciążenia jednakowe).

z = (0,35 ÷ 0,6) - obciążenia statyczne, grubość blach do 3 mm (większe wartości przy mniejszych g)

.z ≈ 0,3 - obciążenia zmienne t = 2d

Uwaga:

Rozciąganie z = 0,1 ÷ 0,2 (takich rozwiązań należy unikać)

Zgrzeiny garbowe i liniowe należy projektować tak, aby narażone były na ścinanie, z - jak dla punktowych.

2. Połączenia lutowane

Lutowanie - łączenie metali pozostających w stanie stałym za pomocą roztopionego metalu (spoiwa) zwanego lutem.

kalafonia - przy lutowaniu miękkim.

boraks - przy lutowaniu twardym.

Źródła ciepła :

• lutownica;

• lampa lutownicza;

• palnik.

Lut - łączy się z materiałem łączonym dzięki zjawisku kohezji i nieznacznemu dyfundowaniu.

Lut charakteryzuje się :

• niską temperaturą topnienia;

• dobrą zwilżalnością powierzchni;

Temp. luty miękkie - do 300°C

Temp. luty twarde - powyżej 550°C

Przy lutowaniu twardym podgrzać materiał do ok. 500°C .

Zastosowanie połączeń lutowanych: - do łączenia elementów ze stali, miedzi, cynku, brązu i metali szlachetnych.

Musimy zapewnić - dobre dopasowanie powierzchni łączonych części oraz ich czystość. W tym celu stosujemy topniki - ich zadanie - zabezpieczanie przed utlenianiem i zmniejszenie napięcia powierzchniowego lutu (większa zwilżalność).

Rys.3.16

Lutowanie twarde - łączenie blach, kształtowników, elementów, mechanizmów lub elementów narzędzi skrawających.

Materiały miękkie:

• salamiak;

• woda lutownicza;

• kalafonia lub pasty lutownicze.

Luty miękkie - stop cynku i ołowiu z dodatkiem antymonu, wybór lutu wg PN.

Podstawowy mankament lutów miękkich - niska wytrzymałość spoin.

Zastosowanie - słabo obciążone lub nieobciążone elementy - spoina powinna przenosić naprężenia ścinające.

Połączenia obciążone - lutowanie miękkie w celu usztywnienia.

Wytrzymałość połączeń lutowanych

Wytrzymałość lutowiny jest większa niż wytrzymałość samego lutu (dyfuzja).

Zalecenia:

- grubość lutu - 0,1÷0,2 [mm] - luty miękkie;

- 0,01÷0,1 [mm] - luty twarde;

- konstruujemy połączenia tak, aby lutowina była narażona na ścinanie.

Wytrzymałość połączeń lutowanych ustalę na podstawie Rt przy założeniu Xm=3 (obciążenia stałe) i Xm=5 (obciążenia zmienne). Możemy skonstruować połączenia lutowane gdzie wytrzymałość lutowiny przyrównam do wytrzymałości łączonych materiałów.

gdzie:

S'- pole powierzchni lutowiny;

Rodzaje lutów:

- luty miękkie - tt=183÷300°C;

- luty niskotopliwe - tt=70÷145°C;

- luty twarde - łatwo topliwe tt=550÷875°C;

- trudno topliwe tt=875÷1100°C;

- luty szlachetne - tt=620÷840°C;

Lutowanie twarde - optymalna grubość spoiny - 0,003÷0,05[mm]. Połączenia mogą być zakładowe,

nakładkowe, kątowe.

Lutospawanie - jest w zasadzie lutowaniem twardym - łączenie części metalowych powstające przy stopniowym spoiwie i nie stopionych brzegów łączonych części. Nazwa wywodzi się z tego, że przygotowujemy tak jak do spawania, tj. na V, U, I, Y.

Elektrodą będzie drut spawalniczy z mosiądzu lub brązu. Podobnie jak spawanie, ale bez nadtapiania brzegów.

Zastosowanie - materiały trudno spawalne - żeliwo szare, brązy, stale wysoko węglowe, uniknięcie naprężeń i odkształceń spawalniczych.

1. Połączenia klejone

Klejenie stosowane jest jako technologia „samodzielna” oraz jako część technologii „kombinowane” - połączenie klejowo-gwintowe, klejowo-zgrzewane, klejowo-wciskowe.

Klej możemy użyć jako środka uszczelniającego lub likwidującego nadmierne luzy w połączeniach.

Proces klejenia metali polega na:

• oczyszczeniu powierzchni metodami chemicznymi lub mechanicznymi;

• dokładnym nałożeniu warstwy kleju (grubość ok. 0,1 mm) na powierzchnie klejone;

• utwardzeniu skleiny w odpowiedniej temperaturze z zachowaniem właściwego nacisku.

Zalety:

• wykorzystanie pełnej wytrzymałości materiałów łączonych;

• uzyskanie zestawu elementów o nienaruszonej powierzchni (bez otworów);

• równomierne rozłożenie naprężeń na całej powierzchni złącza;

• odporność połączeń na korozję;

• zdolność tłumienia drgań itd.

Wady:

• możliwość rozwarstwienia połączenia pod wpływem obciążeń;

• mała odporność klejów na zmiany temperatury;

• długi czas utwardzania większości klejów;

• spadek wytrzymałości połączenia z upływem czasu, spowodowany starzeniem się kleju itd.

Rozróżniamy następujące kleje:

• fenolowe - BFW - 41;

• epoksydowe - Epidian 100 i 101;

• kauczukowe - Butapren;

• winylowe P.O.W.

Technologiczność konstrukcji elementów klejonych

Wytrzymałość złączy klejowych zależy od:

- rodzaju kleju;

- rodzaju łączonych materiałów;

- rodzaju przenoszonych obciążeń (przede wszystkim);

- działanie kleju polega głównie na adhezji. Uzyskać dobre połączenie to dokładnie zwilżyć powierzchnie klejone tak, aby warstwa kleju była wolna od pęcherzy gazowych; powierzchnia przygotowana zgodnie z technologią dla danego kleju;

- warstwa kleju do 0,1 [mm];

- do łączenia blach użyjemy złącz zakładkowych (zapewnimy wystąpienie ścinania);

- obliczenia wytrzymałościowe jak dla lutowania;

Klejenie na gorąco - wytrzymałość na ścinanie od 25 ÷ 27 [MPa], czas utwardzania od 1,5÷2 [h], naciski 0,08[MPa], temperatura od 160÷180°C.

4. Połączenia wciskowe

Połączenie wciskowe powstanie przy - montażu elementów o większym wymiarze zewnętrznym (czop) z częścią obejmującą (oprawę) o mniejszym wymiarze wewnętrznym.

Rys. 4.1 Połączenia wciskowe: a) bezpośrednie, b) pośrednie

D > D_W

W = d_z - D_W

W - dodatnia różnica wymiarów

wcisk - ujemny luz

W montowanych częściach powstaną odkształcenia sprężyste, które wywołują docisk na powierzchni styku. Wobec powyższego jest możliwe przenoszenie obciążeń wzdłużnych lub momentu skręcającego.

Połączenia wciskowe: pośrednie i bezpośrednie zależnie od technologii: wtłaczane i skurczowe.

Połączenie kombinowane polega na równoczesnym ogrzaniu oprawy i oziębieniu czopa. Często stosuje się też ogrzanie oprawy w połączeniach wtłaczanych, co umożliwia zastosowanie pras o mniejszej sile nacisku.

Zalety połączeń wciskowych:

• dokładna współosiowość;

• brak elementów dodatkowych;

• proste i tanie wykonanie;

• duża obciążalność złącza (obciążenia zmienne i udarowe).

Wady połączeń wciskowych:

• znaczne obciążenia montażowe;

• trudność uzyskania żądanego wcisku;

• dodatkowe zabezpieczenia.

W przypadku połączeń wciskowych, które są przewidywane do montażu, przed montażem używamy odpowiednich smarów (olej rzepakowy z dodatkiem talku lub smar grafitowy). Połączenia o bardzo dużym wcisku przewidziane do demontażu wyposażamy w kanały smarowe.

Rys. 4.2 Przykłady połączeń wciskowych

4.1 Obciążalność połączeń wciskowych

Połączenie wciskowe może przenieść siłę poosiową (wzdłużną) lub moment skręcający. Zdolność do przeniesienia w/w obciążeń będzie zachowana, gdy:

siła poosiowa F < T ( wywołanej dociskiem części)

F ≤ μ ⋅ p ⋅ π ⋅ d ⋅ l [ I ]

gdzie:

μ - obliczeniowy współczynnik tarcia;

p - najmniejszy wymagany nacisk jednostkowy na powierzchnię styku czopa z oprawą

S = π ⋅ d ⋅ l

F ≤ T

F ≤ μ ⋅ p ⋅ s

Jeśli połączenie obciążone jest momentem skręcającym M_s , wówczas wzór I przyjmuje postać:

M_s ≤ T ⋅

M_s ≤ 0,5 ⋅ μ ⋅ p ⋅ π ⋅ d² ⋅ l [ II ]

Na podstawie wzoru I i II możemy ustalić minimalny nacisk jednostkowy zapewniający pracę połączenia dla F lub M_s.

p ≥ [ III ]

p ≥ [ IV ]

Obliczanie wytrzymałości elementów połączeń wtłaczanych

Wtłaczanie - odkształcenia sprężyste, miarą ich jest wartość wcisku.

W = dz₁ - D_W2

ε = - wcisk względny

ε - odkształcenie jednostkowe

Odkształcenie jednostkowe jest także określane prawem Hooke′a.

ε = ≤

E - moduł Younga

=

W ≤

W połączeniach wtłaczanych σ_max zależy od p oraz od wymiarów średnic pierścieni części łączonych. Uwzględniając to wzór V przybiera postać.

W ≤ p_max ⋅ d [ V ]

gdzie:

p_max - maksymalne naciski dopuszczalne;

E₁ i E₂ - moduł Younga (E₁ - czopa, E₂ - oprawy).

E = 2,1 ⋅ 10⁵ [MPa] - dla stali

E = 0,9 ⋅ 10⁵ - dla żeliwa

d - średnica nominalna;

C₁, C₂ - współczynniki:

C₁ = - υ₁

C₂ = + υ₂

υ₁ - liczba Poissona dla czopa;

υ₂ - liczba Poissona dla oprawy.

Δ = 0,3 - dla stali , Δ = 0,25 - dla żeliwa

Δ₁ - współczynnik wydrążenia dla czopa;

Δ₂ - współczynnik wydrążenia dla oprawy.

Δ₁ = ≈

Δ₂ = ≈

Chcąc uzyskać minimalną wartość wcisku, przy którym połączenie przeniesie żądane obciążenie zastosujemy wzór:

W ≥ p ⋅ d [ VI ]

Do wzoru VI wstawiam żądane wartości nacisku p wyznaczone ze wzoru III i IV. Obliczanie połączeń wciskowych kończymy sprawdzeniem warunku V i VI, po ustaleniu pasowania i wartości W.

lub

1. Ustalanie nacisków dopuszczalnych

Ustalenie p dokonujemy wg tabeli 4.1 Wartość p_max wyznaczamy osobno dla czopa, osobno dla oprawy, przyjmując do obliczeń wartość mniejszą .

Wartość p_max - nie występują odkształcenia plastyczne lub zniszczenie części w wyniku naprężeń.

Przed montowaniem części przy ustalaniu wartości w czasie, pomiaru należy uwzględnić chropowatość oraz fakt, że podczas wtłaczania wystąpi wygładzenie nierówności (zmniejszenie o 60% ich wysokości).

Dobór pasowań

Wcisk mierzony W′ , wynikający z pomiarów powinien wynosić:

W′= Wmin + 1,2(R_z1 + R_z2)

Wmin i W′ znane ⇒ dobieram rodzaj pasowania

Wmin > W′

gdzie:

R_z1, R_z2 - wysokość chropowatości powierzchni czopa i oprawy w μm;

W′- wcisk mierzony.

W zależności od wymagań konstrukcyjnych dla połączeń wtłaczanych, połączenie możemy realizować wg ISO.

• H7/k6 - lekko wciskowe;

• H7/m6 - wciskowe;

• H7/n6 - mocno wciskowe;

• H7/r6 - lekko wtłaczane;

• H7/s7 - wtłaczane;

• H7/n7 - mocno wtłaczane (połączenia skurczowe, obciążone znacznymi siłami obwodowymi lub wzdłużnymi, koła jezdne na osiach).

2. Obliczanie połączeń skurczowych

W połączeniach skurczowych pominę:

- obliczanie siły wtłaczania;

- obliczanie wcisku mierzonego;

Temperatura nagrzania oprawy

gdzie:

t1 - temperatura otoczenia;

t2 - temperatura nagrzania;

α - współczynnik rozszerzalności cieplnej;

Względny przyrost cieplny średnicy nominalnej d wynosi:

I

W połączeniach skurczowych wartość ε odpowiada wartości wcisku względnego
.

Zatem po przekształceniu wzoru pierwszego otrzymam zależność:

gdzie:

W - wartość Wmax wynika z przyjętego pasowania.

Obliczanie siły do wtłoczenia wcisku mierzonego, temperaturę podgrzania oprawy ustalamy wg wzoru:

t₂ = + t₁

gdzie:

α - współczynnik rozszerzalności cieplnej, np. dla stali 11 ⋅ 10^-6;

t₁ - temperatura otoczenia;

t₂ - temperatura nagrzania.

t₂ = + t₁

temperatura oziębienia czopa

Mieszanina denaturatu lub acetonu z tzw. suchym lodem ok. - 70°C, skroplone powietrze, tlen lub azot ok. - 190°C.

5. Połączenia kształtowe

1. Charakterystyka i klasyfikacja połączeń kształtowych

W połączeniach kształtowych łączenie części współpracujących oraz ustalanie ich wzajemnego położenia uzyskuje się przez odpowiednie ukształtowanie ich powierzchni (w połączeniach bezpośrednich) lub zastosowanie dodatkowych łączników (w połączeniach pośrednich). W połączeniach bezpośrednich na powierzchniach styku są wykonane występy i wgłębienia, które po połączeniu elementów spełniają funkcję łącznika.

Rozróżniamy połączenia kształtowe:

• wpustowe;

• wielowypustowe;

• kołkowe;

• sworzniowe;

• klinowe.

Podstawowym zadaniem połączeń kształtowych jest przenoszenie obciążeń (siły wzdłużnej, poprzecznej lub momentu skręcającego) działających na łącznik.

W zależności od rodzaju połączenia łączniki spełniają również dodatkowe zadania:

• powodują skasowanie luzów;

• dokładne osiowanie elementów połączenia;

• umożliwiają przesuwanie elementów względem siebie lub zapewniają ścisłą powtarzalność położenia łączonych elementów w przypadku ich wielokrotnego montażu i demontażu.

Części łączone mogą być nieruchome względem siebie (połączenie spoczynkowe) lub przesuwne wzdłuż osi (połączenie ruchome).

Rys. 5.1 Połączenia kształtowe: a) wpustowe, b) wielowypustowe, c) kołkowe, d) sworzniowe, e) klinowe wzdłużne, f) klinowe poprzeczne

1. Połączenia wpustowe

Wpusty - elementy przekazujące M_s spoczynkowe oraz ruchowe.

Wpusty:

• pryzmatyczne pełne, ścięte lub zaokrąglone - połączenia spoczynkowe;

• pryzmatyczne otworowe i czopkowe - połączenia ruchowe;

• pryzmatyczne pełne o szerokości b = 10 mm, wysokości h = 8 mm, długości l = 32 mm .

Wpust pryzmatyczny A 10 x 8 x 32 PN - 70/M - 85005

B - wpust pryzmatyczny pełny, ścięty;

E - wpust pryzmatyczny zaokrąglony, dwuotworowy;

F - wpust pryzmatyczny pełny, ścięty, dwuotworowy;

EW - wpust pryzmatyczny zaokrąglony, dwuotworowy, wyciskany;

FW - wpust pryzmatyczny pełny, ścięty, dwuotworowy, wyciskany;

NS - wpust czopkowy niesymetryczny;

S - wpust czopkowy symetryczny.

Rys. 5.2 Rodzaje wpustów: a) pryzmatyczne - zaokrąglone pełne (A), ścięte jednootworowe (D), zaokrąglone dwuotworowe (E), zaokrąglone dwuotworowe wyciskowe (EW); b) czółenkowe; c) czopkowe symetryczne (S) i niesymetryczne (NS) [wg PN]

W połączeniach spoczynkowych obowiązkowo należy osadzany element ustalić przed przesunięciem poosiowym (wzdłużnym). Wpust „długi” - mogę zastosować dwa wpusty.

Wpust czółenkowy - zastosowanie w połączeniach podrzędnych dla małych momentów, a najlepiej jako dodatkowe zabezpieczenie.

Przykład oznaczenia wpustu czółenkowego, gdzie b = 4, h = 6,5mm:

Wpust czółenkowy 4 x 6,5 PN - 88/M - 85008

Dobór i obliczanie wpustów.

Dla ułatwienia montażu suma wysokości obu rowków jest większa od wysokości wpustu o 0,2÷0,4 [mm].

Rys. 5.3 Obciążenie wpustu

Wymiary poprzeczne wpustu dobiorę wg PN-70/M-85005.

(b x h)=f(d)

b x h dobiorę wg norm - obliczenie wpustu sprowadzi się do ustalenia jego długości wg warunku na naciski powierzchniowe.

gdzie:

lo - wyznaczam wg ciągu zalecanego;

ko - dopuszczalne naciski powierzchniowe w połączeniach kształtowych;

gdzie:

z - współczynnik zależny od warunków pracy, rodzaju połączenia, oraz uwzględniający ścięcia w

wpustach

Wpusty obliczamy z warunku na naciski powierzchniowe.

p = ≤ k_o

gdzie:

F - siła wyznaczona z przenoszonego momentu obrotowego F = ;

l_o - długość czynna wpustu;

- wysokość powierzchni narażonej na naciski (wartość przybliżona);

n - liczba wpustów;

k_o - naciski dopuszczalne.

Pasowanie wpustów

Pasowanie bocznych powierzchni wpustów:

• zwykłe - rowek w wałku N9, rowek w piaście H9;

• ciasne - rowek w wałku P9, rowek w piaście N9.

1. Połączenia wielowypustowe

Wielowypusty - pozwalają uzyskać dokładne osiowanie, zmniejszyć naciski powierzchniowe lub (zwiększyć obciążenie). Otrzymamy zmniejszenie gabarytów w połączeniach ruchowych. Wymagają dokładnego wykonania (0,02[mm] na 200[mm] odchyłka równoległości).

Połączenia bezpośrednie - na czopie wału wypusty współpracujące z odpowiednimi rowkami w piaście.

Połączenia o wypustach prostokątnych równoległych:

• grupa lekka - 6, 8, 10 wypustów;

• grupa średnia - 6, 8, 10 wypustów;

• grupa ciężka - 10, 16, 20 wypustów nie objęte normami.

Połączenia wielowypustowe równoległe - do obrabiarek - 4, 6 wypustów

Centrować (osiować) możemy na d, D lub b.

Rys. 5.4 Rodzaje osiowań w połączeniach wielowypustowych: a) na wewnętrznej średnicy czopa d, b) na zewnętrznej średnicy wypustów D, c) na bocznych powierzchniach wypustów b

Osiowanie na:

• d - osiowanie na wewnętrznej średnicy - stosowane w połączeniach dokładnych, przy wypustach utwardzonych - głównie w produkcji małoseryjnej;

• D - osiowanie na średnicy zewnętrznej - stosowane w połączeniach spoczynkowych i średnio dokładnych ruchowych przy wypustach miękkich;

• b - osiowanie na bokach wypustów - najmniej dokładne. Stosuje się je w celu zmniejszenia do minimum luzu obwodowego, co jest wymagane przede wszystkim przy występowaniu częstych zmian kierunku obciążenia, znaczne momenty.

Połączenia zębate ewolwentowe (PN - 69/M. - 85010). Stosowane dość powszechnie, zwłaszcza w produkcji wielkoseryjnej. Charakteryzują się one dużą wytrzymałością (przy wykorzystaniu pozostałych zalet).

W połączeniach zębatych stosowane są zęby niskie o kącie przyporu α_o = 30°. Zalecana wartość modułu od 0,8 do 8. Liczba zębów 6 do 61.

Połączenia wielokarbowe - PN - 68/M - 85014 mają kilkadziesiąt drobnych wypustów trójkątnych i tylko nieznacznie osłabiają wytrzymałość czopa. Są to połączenia spoczynkowe o niewielkiej dokładności osiowania. Stosuje się połączenia stożkowe o zbieżności 1 : 16. Połączenia wielokarbowe umożliwiają regulację położenia piasty względem czopa. Połączenia wielokarbowe na rysunkach przedstawiamy w sposób uproszczony wg PN - 79/M - 01133.

Wybór centrowania oparty na kryteriach technologicznych:

HB < 350 - możliwe przeciąganie - D

materiał twardy - d

Centrowanie na b - najbardziej równomierne obciążenie wypustów, znaczne momenty, małe wymagania.

Zależnie od przyjętego pasowania, połączenia mogą być spoczynkowe lub przesuwne (ruchowe):

1. Obliczanie połączeń wielowypustowych równoległych

Zakładając, że F działa w połowie wysokości wypustów, wyznacza się średnią średnicę:

D_śr =

Później z wzoru na moment obrotowy oblicza się wartość siły F

M_o = F ⋅ ⇒ F = =

Do obliczeń przyjmuje się, że obciążenie przenosi tylko 75% powierzchni wypustów i naciski powierzchniowe oblicza się z warunku:

p = ≤ k_o l_o ≥

gdzie:

h_o - wysokość powierzchni styku jednego wypustu z piastą

h_o ≈ ;

l_o - czynna długość styku wypustu z piastą;

n - liczba wypustów.

k_o = z ⋅ k_c

2. Połączenia kołkowe

Kołek - element o kształcie walca lub stożka, którego długość zawiera się w przedziale:

2d < l < 20d

Rozróżniamy kołki złączne i ustalające:

• kołki złączne - przenoszenie sił tnącychdziałająccych do osi kołka. Można zastosować je jako elementy zabezpieczające przed przeciążeniem;

• kołki ustalające - zapewnienie dokładnego położenia współpracujących elementów.

Kołki:

• walcowe, stożkowe. Pasowanie z wciskiem (H7/n6, H7/p6, H8/n8);

• stożkowe - z czopem gwintowym i gwintem wewnętrznym;

• karbowe - z karbem po środku lub wzdłuż kołka;

• rozcięte (sprężyste).

Materiał kołków - stal 45 - hartowana i odpuszczana.

Kołki do roznitowania - stal 15;

Kołki sprężyste - stale sprężyste;

Otwory w elementach łączonych wiercenie i rozwiercanie wspólne.

Otwory - kołki walcowe - najczęściej przelotowe.

Dla nieprzelotowych kołki sożkowe z gwintem.

Połączenia połączone udarowo - kołki z zabezpieczeniem przed wypadnięciem.

Ustalanie elementów o płaskiej powierzchnii styku - dwa kołki o jak największym rozstawie.

Kołki z karbami - nie rowiercać otworu ani dodatkowo nie zabezpieczać przed wypadnięciem. Umożliwiają wielokrotny demontaż. Stosujemy jako kołki do przenoszenia obciążeń.

Kołki sprężyste - możliwość wielokrotnego wykorzystania.

Wymiary kołków ustalone są konstrukcyjnie (szczególnie ustalające). Jeżeli będę je sprawdzał to z warunku na ścinanie i naciski powierzchniowe (kt z tablicy, ko wg znanej zależności).

Rys. 5.5 Rodzaje kołków: a) cylindryczne gładkie, b) stożkowe gładkie, c),d),e) stożkowe z gwintem, f) walcowe sprężyste, g),h),i),j) z karbami

Wytrzymałość kołków należy sprawdzać na:

• ścinanie;

• naciski powierzchniowe.

Rys. 5.6 Połączenia kołkowe spoczynkowe: a) ustalające z kołkiem stożkowym, b) wzdłużne, c)promieniowe, d) styczne

Połączenia kołkowe spoczynkowe z kołkami złącznymi są stosowane zamiast połączeń klinowych i wpustowych, ponieważ ich wykonanie jest tańsze. Niewielki przekrój pracujący kołków powoduje, że połączenia te mogą przenosić tylko niewielkie obciążenia, co ogranicza ich zastosowanie.

Połączenia kołkowe ruchowe stosuje się przy wymaganym względnym ruchu współpracujących części.

Kołek o średnicy d = 10n6 i długości l = 60 mm

Kołek walcowy 10n6 x 60 wg PN - 66/M - 85021

Kołek stożkowy 6 x 60 wg PN - 55/M - 85022

1. Połączenia sworzniowe

Sworzniem - nazywamy grubszy cylindryczny kołek.

Połączenia sworzniowe: spoczynkowe lub ruchowe.

Połączenie ruchowe - w przegubach.

Połączenie spoczynkowe - sworznie pasowane ciasno w obu elementach.

Połączenie ruchowe - pasowanie ciasne - sworzeń i element o mniejszej grubości;

• pasowanie luźne - w elementach luźnych.

Rys. 5.8 Rodzaje sworzni : a) bez łba, b) z dużym łbem, c) z czopem gwintowanym, d) noskowy

Sworznie nie są obciążone osiowo - jednak zabezpieczamy je przed wypadnięciem (zawleczki, pierścienie, kołki, pierścienie sprężynujące, nakrętki + przeciwnakrętki, nakrętki koronkowe + zawleczki).

Sworznie swobodne - „pływające”- osadzone luźno w obu częściach.

Rodzaje sworzni:

• bez łba;

• z dużym łbem;

• z czopem gwintowanym;

• noskowy.

Sworznie z czopem gwintowanym o średnicy d = 16h11, długości l = 70 mm, długości części nie gwintowanej l₂ = 50 mm, odległości otworu zawleczkowego l_o = 12 mm .

Sworzeń 16h11 x 70 x 50/12 wg PN - 63/M - 83007

Podkładka do sworznia 16,5 wg PN - 63/M - 82004

Podkładka - 82004 - dokładna

- 82006 - zwykła

Zawleczka 3,2 x 25 wg PN - 76/M - 83007

Obliczanie połączeń sworzniowych

Rys. 5.9 Połączenie sworzniowe widełkowe

M_{g max} = - ⋅ =

M_{g max} =

Warunek wytrzymałościowy

σ_g =
≤ k_g

W_x = 0,1d³

W_x = 0,1

gdzie:

d_o - średnica otworu wzdłużnego w sworzniu.

d_o = (0,5 ÷ 0,6)d

σ_g = ≤ k_g

d ≥

g

g

g

g

Rys. 5.10

τ_s = ≤ k_t (k_tj lub k_to)

τ_t = ≤ k_t (k_tj lub k_to)

≤ ⇒ d ≥

p_t = ≤ k_o

p_w =
≤ k_o

k_o = z ⋅ k_c - tablica 5.1

		Warunki pracy
Rodzaj połączenia		I	II	III
		współczynnik z
Spoczynkowe		0,35	0,60	0,80
Przesuwne - bez obciążenia		0,15	0,25	0,30
Przesuwne lub obrotowe (wahliwe) - pod obciążeniem ∗)		0,03	0,06	0,10
	∗) dotyczy przypadku, gdy powierzchnie robocze czopa wału (lub sworznia) są ulepszone cieplnie lub hartowane. Warunki pracy: I - ciężkie: obciążenia zmienne o cyklu wahadłowym, uderzeniowe, drgania o dużej częstotliwości i amplitudzie, powierzchnie niedostatecznie smarowane ( w połączeniach przesuwnych) itp. II - średnie: obciążenia zmienne, minimalne drgania, przeciętne smarowanie, przeciętna obróbka powierzchni itp. III - lekkie: obciążenia jednokierunkowe, dobre smarowanie, dokładna obróbka i mała chropowatość. ko = z ⋅ kc , gdzie z - współczynnik zależny od warunków pracy oraz uwzględniający pominięcie w obliczeniach ścięć i promieni ( zwykle 0,3 ÷ 0,5 mm ) . kc - naprężenia dopuszczalne ( dla materiału słabszego z elementów współpracujących) .

Sworzeń osadzony luźno narażony jest na zginanie

M_{g max} = - ⋅

l₁ + 2l₂ = l

M_{g max} =

M_{g max} =

σ_g =
≤ k_g

W_x = 0,1d³

d ≥

W_x = 0,1 ⋅

d_o = (0,5 ÷ 0,6)d

Wymiary połączeń sworzniowych (pozostałe zakładamy konstrukcyjnie), można przyjmować proporcje wymiarowe.

l₁ = (1,4 ÷ 1,7)d

l₂ = (0,3 ÷ 0,5)l₁

d_o = (0,5 ÷ 0,6)d

1. Połączenia klinowe

Połączenia klinowe - należą do połączeń pośrednich, rozłącznych w których łącznikiem jest klin.

Powierzchnie robocze klina: płaskie lub walcowe tworzą kąt α(β) z osią klina.

Rys. 5.11 Rodzaje klinów: a) wzdłużny jednostronny, b) poprzeczny dwustronny

Połączenia klinowe dzieli się na:

• poprzeczne - oś klina jest prostopadła do osi części łączonych;

• wzdłużne - oś klina jest równoległa do osi części łączonych.

Klin jednostronny wzdłużny a) - PN - 78/M - 02042 S = = tgβ

Klin dwustronny poprzeczny symetryczny b) C = = 2tg

Klin jest wbijany siłą Q co powoduje powstanie między roboczymi powierzchniami klina i części łączonej znacznych sił docisku i związanych z nimi sił tarcia T. Przy obciążeniu połączenia siłą F, reakcje R dążą do wysunięcia klina. Aby klin nie wypadł w czasie pracy musi być spełniony warunek samohamowności. Dla klinów jednostronnych i dwustronnych symetrycznych, warunek jest określony zależnościami:

ρ ≥ β , ρ ≥

gdzie:

ρ - kąt tarcia;

tgρ = μ

Dla przeciętnych warunków pracy (stal po stali, powierzchnie niesmarowane), przyjmuje się obliczeniowy współczynnik tarcia:

μ = 0,1

ρ = arctg 0,1 ≈ 5°43′

Pochylenie klinów wzdłużnych wynosi:

S = tgβ = 0,01 1 : 100

Pochylenie klinów poprzecznych wynosi:

C = 2tg = 1 : 5 1 : 10

Wartości te są uprzywilejowane i wystarczają do zachowania samohamowności klina.

Połączenia klinowe poprzeczne to połączenia takie, aby mogło pracować przy zmiennych obciążeniach. Należy je tak zaprojektować, aby uzyskać tzw. napięcia wstępne (zawrzeć w konstrukcji powierzchnię oporową).

Wady połączeń klinowych poprzecznych:

• osłabianie części łączonych;

• nierównomierne naprężenia;

• stosowania dużych sił przy montażu.

Połączenia klinowe poprzeczne zastępuje się połączeniami:

• kołkowymi;

• sworzniowymi;

• gwintowymi.

Rys 5.12 Połączenie klinowe poprzeczne z napięciem wstępnym; docisk: a) na czole czopa, b) na kołnierzu, c) na stożku

Połączenie klinowe wzdłużne - łączymy wały z częściami osadzanymi na nich, moment obrotowy w tych połączeniach z wału na daną część przenoszony jest wskutek występowania momentu tarcia - niezależnie od rodzaju klina.

Kliny wzdłużne - podobne są do wpustów pryzmatycznych, ale mają pochylenie 1 : 100.

Kliny wzdłużne dzielimy na:

• wpuszczany;

• wklęsły;

• noskowy;

• płaski;

• styczny.

Rys. 5.13 Połączenia klinowe wzdłużne: a) z klinem wpuszczanym, b) z wklęsłym, c) z płaskim, d) ze stycznym, e) klin noskowy

Przy występowaniu znacznych obciążeń zmiennych i występowaniu zmiennego kierunku obrotu stosujemy tzw. zespoły klinów stycznych (po dwa kliny we wspólnych rowkach).

Dwie pary klinów można rozstawić pod kątem 120° (wyjątkowo co 180°).

Klinów wzdłużnych nie obliczamy wytrzymałościowo. Wymiary dobiera się z tabel na podstawie d. Reszta jak dla wpustów.

Wady połączeń klinowych wzdłużnych:

• przesunięcie mimośrodowe;

• skośne ustawienie;

• nierównomierny rozkład naprężeń;

• niekorzystny montaż;

• trudności z dopasowaniem klina.

Z powodu trudności z dopasowaniem klina, ich zastosowanie sprowadza się do wałów wolno obrotowych, w których moment skręcający (M_s) jest niewielki, oraz występują małe wymagania co do współosiowości łączonych części.

Kliny nastawcze - ustalają położenie części maszynowych. Kliny takie stosujemy na przykład w prowadnicach obrabiarek.

6. Połączenia gwintowe

1. Ogólna charakterystyka połączeń gwintowych

Połączenia gwintowe to połączenia kształtowe, rozłączne.

Zasadniczym elementem połączenia gwintowego jest łącznik, składający się ze śruby i nakrętki. Skręcenie ze sobą śruby i nakrętki tworzy połączenie gwintowe.

Połączenia gwintowe dzieli się na:

• pośrednie - części maszyn łączy się za pomocą łącznika, rolę nakrętki może również spełniać gwintowany otwór w jednej z części;

• bezpośrednie - gwint jest wykonany na łączonych częściach.

Rys. 6.1 Połączenia gwintowe: a, b) pośrednie, c) bezpośrednie, d) schemat mechanizmu śrubowego

Połączenia gwintowe:

• spoczynkowe;

• ruchowe.

Linią śrubową - nazywamy krzywą przestrzenną opisaną na pobocznicy walca przez punkt poruszający się ruchem jednostajnym wzdłuż osi walca (osi linii śrubowej) - przy stałej prędkości obrotowej walca.

Rys. 6.2 Powstawanie linii śrubowej

Rozróżnia się linię śrubową:

• prawą;

• lewą.

tgγ =

gdzie:

P - podziałka danej linii śrubowej; odcinek A₁ i A₂;

kąt γ - wznios linii śrubowej.

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.

Rys. 6.3 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).

1. Parametry gwintów

Rys.6.4 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.

2. 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:

1. Gwint rurowy stożkowy - PN - 80/M - 02031

2. Gwint rurowy stożkowy (Briggsa) o kącie zarysu 60°- PN - 54/M - 02032

3. Gwint stożkowy M6 x 1 - PN - 54/M - 02033

Rys. 6.5 Gwint rurowy stożkowy (Briggsa)

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.

Rys.6.6 Gwinty toczne; rozwiązanie konstrukcyjne z kanałem obejmującym: a) trzy zwoje, b) jeden zwój

1. Łączniki gwintowe

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.

Rys 6.7 Rodzaje wkrętów (a, b, c) i śrub (d ÷ l)

Rys 6.8 Zakończenia śrub i wkrętów

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.

UWAGA: 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.

Podkładka sprężysta 8,2 PN - 77/M - 82008

Rys. 6.10 Przykład zabezpieczenia łącznika gwintowego przed samoczynnym odkręcaniem

1. 
   
   Układ sił i praca w połączeniu gwintowym

Rys. 6.11

Q - umowne obciążenie działające na gwint (traktujemy je jako skupione w jednym punkcie. Rysunek ten obrazuje układ równowagi sił na równi pochyłej - pominięto tarcie. Z tego układu można obliczyć:

tgγ =

F = Q ⋅ tgγ

Siła N (normalna) stanowi reakcję podłoża, równoważną wypadkowej Q i F.

Rys. 6.12

Podczas ruchu nakrętki w górę (podnoszenie ciężaru), występuje siła tarcia T.

T = N ⋅ μ

T = N ⋅ tgγ

Otrzymuje się w tym przypadku reakcję wypadkową R odchyloną od normalnej N o kąt ρ. Wartość siły F potrzebnej do podnoszenia ustala się wg wzoru:

F = Q ⋅ tg (γ + ρ)

Rys. 6.13

Podczas opuszczania ciężaru zmienia się zwrot siły T i reakcja R tworzy z osią gwintu kąt (γ - ρ)

F = Q ⋅ tg (γ - ρ)

Zapis ogólnego wzoru:

F = Q ⋅ tg (γ ± ρ)

+ podnoszenie

- opuszczanie

Z rysunku wynika, że dla zatrzymania ciężaru potrzebna jest mała siła F, bo występuje tzw. samohamowność.

W/w warunek spełniony będzie, gdy:

γ < ρ

Rys. 6.14

T = N′ ⋅ μ =

μ′ = = tgρ′

gdzie:

α_r - kąt roboczy gwintu;

μ′ - pozorny współczynnik tarcia;

ρ′ - pozorny kąt tarcia.

2. Momenty tarcia

Rys. 6.15 Wyznaczanie momentów tarcia: a) na gwincie, b) na powierzchni oporowej

Końcowa faza dokręcania nakrętki lub podnoszenia ciężaru to przyłożenie M_s , aby pokonać M_{t 1} i M_{t 2}.

M_{t 1} obliczamy na średnicy roboczej gwintu

M_{t 1} = F ⋅ = 0,5Q ⋅ d_s ⋅ tg(γ ± ρ′)

M_{t 2} moment tarcia na dodatkowej średnicy oporowej

M_{t 2} = Q ⋅ μ ⋅ r_śr

gdzie:

μ - współczynnik tarcia na powierzchni oporowej;

r_śr - średni promień powierzchni styku.

r_śr =

gdzie:

D_z - średnica zewnętrzna powierzchni oporowej nakrętki (dla nakrętek sześciokątnych i kwadratowych - rozwartość klucza);

D_w - średnica wewnętrzna powierzchni oporowej (średnica otworu na śrubę).

Całkowity moment skręcający, niezbędny do obracania nakrętki lub śruby, wynosi:

M_s = M_{t 1} + M_{t 2} = 0,5Q ⋅ d_s ⋅ tg(γ ± ρ′) + Q ⋅ μ ⋅ r_śr

W czasie pracy M_s = F_r ⋅ l

gdzie:

F_r - moment wywołany siłą ręki (100 ÷ 300 N);

l - czynna długość klucza.

3. Sprawność i samohamowność gwintu

Sprawnością η_g - nazywamy stosunek pracy użytecznej do pracy włożonej.

η_g = = - sprawność gwintu

η_p = = - sprawność połączenia gwintowego

Gwinty samohamowne mają sprawność:

η ≤ 0,5 (50%)

W częściach maszyn, gdzie konieczne jest uzyskanie dużej sprawności stosuje się:

γ = 18° ÷ 30°

gdzie:

γ - wznios gwintu.

Duża sprawność pożądana jest, np.: w śrubach pociągowych obrabiarek.

4. Wytrzymałość połączeń gwintowych

Zniszczenie połączeń gwintowych:

• nadmierne obciążenie;

• wadliwe wykonanie gwintu.

Gwint może być zgnieciony, ścięty. Może ulec zużyciu (ścieranie) rdzeń śruby - narażony jest on na rozciąganie, ściskanie, skręcanie, moment zastępczy, wyboczenie.

Śruba ciasno pasowana - ścięta, powierzchnie boczne uszkodzone pod wpływem nacisków.

Śruba luźno pasowana - narażona na zginanie, naciski jw.

Dobór śruby (gwintu) zależy od wartości nacisków na powierzchni gwintu i wytrzymałość rdzenia śruby.

Wytrzymałość śrub

I Połączenie obciążone tylko siłą rozciągającą.

Rys.6.16

σ_r = ≤ k_r , S =

σ_r = ≤ k_r

d₁ = lub d₁ = 1,13

σ = ≤ k_r

1. Połączenia obciążone jednocześnie siłą osiową i momentem skręcającym

II Połączenia obciążone jednocześnie siłą osiową i momentem skręcającym, mają zastosowanie głównie w połączeniach ruchowych .

W praktyce wykorzystujemy wzór jak dla przypadku I, zamiast Q przyjmuje się Q_zastępcze.

Q_z = 1,3Q

Dobraną śrubę sprawdzam na naprężenia zastępcze wg hipotezy HUBERA .

σ_z = ≤ k_c

α =

σ_c = =

Rys.6.17

2. Połączenia skręcane z wstępnym zaciskiem

III Połączenie to zabezpiecza przed nieszczelnością. Stosuje się w nim zacisk polegający na odpowiednio mocnym dokręceniu śruby.

Rys.6.18

Q_r = (0,2 ÷ 0,3)Q

Q_o = (1,2 ÷ 1,3)Q

d ≥ 1,13 + 0,5 [cm]

Na podstawie Q_o obliczymy śrubę na rozciąganie a następnie sprawdzimy ją wg hipotezy wytrzymałościowej HUBERA.

IV 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

V Połączenie obciążone siłą poprzeczną ze śrubami luźnymi.

Rys.6.20

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 [1]

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 [1] 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 [I] podstawiając:

Q = 1,3Q_o

d₁ =

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

σ_z =

1. Wytrzymałość gwintu

Rys 6.21 Rozkład nacisków na powierzchni gwintu

Naciski na powierzchniach roboczych gwintu rozłożone są nierównomiernie.

Nierównomierne naciski są wynikiem odkształceń sprężystych gwintu, oraz różnej sztywności śruby i nakrętki. Generalnie największe naciski występują na pierwszym zwoju. Chcąc zapewnić ich korzystniejszy rozkład, konstrukcja powinna być tak zaplanowana, aby śruba i nakrętka była rozciągana; ściskana („+” „+”; „-” „-”). Gwint narażony jest (rys.6.21) na:

• ścinanie;

• zginanie;

• naciski powierzchniowe.

Najbardziej niebezpieczne są naciski powierzchniowe, ponieważ powodują ścieranie powierzchni roboczych gwintu.

Przyjmowane wartości k_o

• k_o = 0,3k_c - połączenia spoczynkowe;

• k_o = 0,2k_c - połączenia spoczynkowe, rozkręcane i zakręcane;

• k_o = 0,15k_c - połączenia półruchowe rzadko uruchamiane (np.: podnośnik śrubowy);

• k_o = 0,1k_c - połączenia ruchowe często pracujące (np.: śruba pociągowa).

k_o obliczam dla materiału słabszego:

p = ≤ k_o

S = ⋅ (D² - d₁²) = (d² - D₁²)

p = ≤ k_o - wzór na naciski powierzchniowe

• z - liczba zwojów.

z =

• H - wysokość nakrętki;

• P - skok gwintu.

H ≥

H_c = 2f + 2p + H

gdzie:

• f - fazka;

• p - zwój nieczynny;

• H_c - całkowita wysokość nakrętki.

z = 6 ÷ 10 - gdy zależy na sztywności układu.

W połączeniach znormalizowanych przyjęto:

H ≈ 0,8d

Obniżenie wartości k_o powoduje zmniejszenie naprężeń zginających w gwincie, dlatego można obliczać gwint wg wzoru na H.

λ = ≤ 2,5

• λ - smukłość nakrętki.

1. Projektowanie śrub

Wymiary śrub wg obliczeń wytrzymałościowych (I - V) ⇒ d₁ lub d₃. Z PN ⇒ dobór znormalizowanego gwintu.

Wg rys. 6.22

1. wyjście gubione;

2. wyjście podcięte;

3. wyjście wtoczone;

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

Rys.6.22

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.

Rys 6.23. Przykłady rozmieszczenia śrub w połączeniach wielośrubowych.

52

Tablica 1.2

ρ

R

r

42

43

45

46

47

49

52

3

3

4

5

7

8

9

11

14

16

20

20

55

56

57

59

62

64

38

40

41

23

26

29

29

31

31

32

33

35

1. nit mostowy

NKz - nit z łbem kulistym zwykłym

2. nit kotłowy

NKw - nit z łbem kulistym wzmocnionym

3. nit kryty

NP - nit z łbem płaskim

4. nit półkryty

NS - nit z łbem soczewkowym

b)

a)

c)

d)

a) nit jednocięty

b) nit dwucięty

b) nit dwucięty

a) nit jednocięty

Rys.2.11 Doszczelnianie szwu nitowego

Rys. 3.9

Tablica 3.3

b ≈

e ≈

Według praktyków:

d=1,2g+4[mm], dla g≤3[mm]

d=1,5g+5[mm], dla g>3[mm]

t=3d - dwa elementy

t=4d - trzy elementy

e=2d

e=1,5d - w kierunku prostopadłym do obciążenia

Rys. 4.3 Wtłaczanie tulei na wałek

Tablica 4.1

c)

Rys. 5.7 Połączenia kołkowe ruchowe: a) suwliwe, b) wahliwe, c) obrotowe

e

e

d

l₂

l₁

l

F

Dopuszczalne naciski powierzchniowe w połączeniach kształtowych Tablica 5.1

Rys. 5.14 Połączenia klinowe nastawcze do regulacji luzu: a) w głowicy korbowodu, b) w prowadnicach obrabiarek

Rys. 6.9 Rodzaje nakrętek: a) sześciokątna,

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

f) skrzydełkowa, g) radełkowana

Rys.6.19

65

65

66

67

69

70

gmax=

b

---