Temat 1. Konstrukcja maszyn.

Transkrypt

1 Temat 1. Konstrukcja maszyn. Zagadnienia: 1. Normalizacja; (0,5h). Wytrzymałość części maszyn; (0,5h) 3. Materiały konstrukcyjne; (0,5h) 4. Technologiczność konstrukcji; (0,5h) 5. Tolerancje i pasowania ; (1h) 6. Łańcuchy wymiarowe. (1h)

2 Normalizacja 1.1. Normalizacja (standaryzacja) - jest to działalność polegająca na analizowaniu wyrobów, usług i procesów w celu zapewnienia: funkcjonalności i użyteczności, zgodności (kompatybilności) i zamienności, bezpieczeństwa użytkowania, ograniczenia (zbędnej) różnorodności. Wyniki tych analiz podawane są do publicznej wiadomości w postaci odpowiednich norm lub przepisów technicznych. Celem normalizacji jest zastosowanie w produkcji przemysłowej jednolitych wzorców. Działania takie mają na celu obniżenie kosztów, umożliwienie realizacji masowej produkcji, współpracę urządzeń różnych producentów i zamienność części, itp.

3 Normalizacja Normalizacja w budowie maszyn obejmuje następujące gałęzie: - normalizacja podstawowych wielkości teoretycznych występujących w budowie maszyn np. tolerancji i pasowań., chropowatości powierzchni, odchyłek kształtu i położenia, zarysów gwintów, kół zębatych, itp., - normalizacja podstawowych założeń w budowie różnego rodzaju mechanizmów i maszyn, warunki ich odbioru technicznego, konserwacji, magazynowania, transportu, itp. - normalizacja materiałów, np. gatunków stali, żeliwa, blach, półwyrobów, itp - normalizacja gotowych wyrobów, np. śrub, nitów, wpustów, itp. - normalizacja słownictwa, oznaczeń technicznych, rysunku technicznego itp. 3

4 Normalizacja Do podstawowych czynności normalizacyjnych należy zaliczyć: klasyfikację - grupowanie członów zbioru poprzez podział ich na klasy, tzn. podział na mniejsze zbiory obdarzone tą samą cechą wspólną, unifikację - racjonalne zmniejszenie rozmaitości pewnego zbioru przedmiotów i utworzenie zbioru mniej licznego składającego się z elementów bardziej uniwersalnych. Unifikacja polega na tym z kilku odmian A,B,C wybiera się najlepsze części i tworzy się nową odmianę S o najlepszych rozwiązaniach. typizację - ujednolicanie wyrobów, konstrukcji, itp. według określonych cech charakterystycznych w celu uproszczenia produkcji, obniżenia kosztów oraz ułatwienia eksploatacji. 4

5 Norma Podstawowym aktem prawnym normalizacji jest norma. Opracowaniem norm zajmuje się Polski Komitet Normalizacji PKN we współpracy z ośrodkami badawczymi. Wyróżnia się normy własne, europejskie i międzynarodowe. Norma własna jest oznaczona literami PN, które oznaczają Polską Normę, dwiema cyframi oznaczającymi dwie ostatnie cyfry roku ustanowienia normy, ukośnikiem, literą oznaczającą dziedzinę normalizacji (M- mechanika, C-chemia, itd.), poziomą kreską i pięciocyfrową liczbą. Jeśli norma jest podzielona na części, to w jej oznaczeniu pojawia się dwucyfrowy numer części, np. PN- 93/C Od 1994r. wprowadzone zostały normy europejskie i międzynarodowe o następującym zapisie: PN-ISO 9:000, w którym literowe oznaczenie może być ISO, EN lub IEC, a liczbowe składa się z jednej lub pięciu cyfr, po dwukropku rok jest zapisywany czterocyfrowo. 5

6 1.. Wytrzymałość części maszyn Części maszyn w trakcie eksploatacji mogą ulec uszkodzeniu pod wpływem obciążenia zewnętrznego wynikającego z charakteru pracy. Podstawą więc obliczeń wytrzymałościowych jest określenie charakteru obciążenia zewnętrznego elementów maszyn.

7 Wytrzymałość części maszyn W zależności od charakteru obciążenia dzielimy na: - stałe (statyczne), - zmienne( o różnym charakterze okresu zmienności): okresowe w cyklu tętniącym. okresowe w cyklu wahadłowym, 7

8 Wytrzymałość części maszyn 8

9 Wytrzymałość części maszyn Obliczenia wytrzymałościowe wykonuje się ma podstawie określonych warunków, które ogólnie można sformułować następująco: naprężenia rzeczywiste, powinny być mniejsze lub co najwyżej równe naprężeniom dopuszczalnym. 9

10 1. Wytrzymałość części maszyn W przypadku obciążenia siłą skupioną lub obciążenia rozłożonego na określonej powierzchni, warunek wytrzymałościowy przedstawić można następująco: σ τ lub p F A gdzie: σ- naprężenia rzeczywiste normalne przy rozciąganiu (σr) lub ściskaniu(σ c ) τ - naprężenia styczne przy ścinaniu, p naciski powierzchniowe, F obciążenie rozciągające (F r ), ściskające(f c ) lub ścinające(f t ), A pole przekroju poprzecznego podlegające rozciąganiu, ściskaniu, ścinaniu lub pole podlegające naciskom powierzchniowym. k 10

11 Wytrzymałość części maszyn W przypadku obciążenia momentem warunek wytrzymałościowy określony jest jako: σ ( τ ) M k W gdzie: σ - naprężenia rzeczywiste normalne przy zginaniu (σ g ), τ - naprężenia styczne przy skręcaniu (τ s ), W wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie (W g ) lub skręcanie (W s ), k- naprężenia dopuszczalne przy zginaniu (k g ) lub skręcaniu (k s ). 11

12 Wytrzymałość części maszyn Przy naprężeniach złożonych (równoczesne występowanie różnego charakteru obciążenia) wyznacza się tzw. naprężenia złożone: - przy naprężeniach działających w tym samym kierunku w stosunku do przekroju: σz σ z σr + σ g k r - przy naprężeniach działających w różnych kierunkach w stosunku do przekroju (zgodnie z hipotezą wytężeniową Hubera): gdzie: k α g k s σ g + α τ s k g - współczynnik określający stosunek naprężeń dopuszczalnych normalnych do stycznych. 1

13 Wytrzymałość części maszyn Orientacyjne wartości naprężeń dopuszczalnych k dla różnych rodzajów obciążeń Rodzaj obciążenia Statyczne (dla materiałów plastycznych) Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach Odzerowo tętniących Rozciąganie k r 0,48R e k rj 0,39z go krc0,z gj ściskanie k c k r k cj k rj Zginanie k g 0,53R e k gj 0,55 z go k go 0,8 zgo Ścinanie k t 0,3R e k tj 0,7z go k to 014 z go Skręcanie k s k t k sj k tj k so k to Naciski powierzchniowe k o o,8k c k oj 0,8k cj k oo 0,4k cj k go 0,4 R m R m doraźna wytrzymałość na rozciąganie lub ściskanie, itd. R e - wyraźna granica plastyczności w statycznej próbie rozciągania, ściskania, itd. Wahadłowych symetrycznych z Uwaga dla naprężeń o charakterze zmęczeniowym dopuszczalne naprężenia określa zależność k x z (z- odpowiednia granica zmęczenia materiału, x z całkowity współczynnik bezpieczeństwa dla obciążenia zmiennego). 13

14 1.3. Materiały konstrukcyjne Podział materiałów konstrukcyjnych: stale odlewnicze stopy żelaza metale nieżelazne i ich stopy polimery spieki ceramiczne kompozyty.

15 Materiały konstrukcyjne Stal jest to stop żelaza zawierającym poniżej % węgla. Stal otrzymuje się z surówki, drogą wypalania nadmiaru węgla, czyli tzw. świeżenia. Po odlaniu stal jest plastyczna i podlega przeróbce plastycznej przez: walcowanie, kucie, prasowanie, tłoczenie 15

16 Materiały konstrukcyjne Odlewnicze stopy żelaza dzielimy na: - staliwa: niestopowe (węglowe), stopowe, -żeliwa: niestopowe (węglowe), stopowe. Staliwo stop żelaza z węglem zawierającym mniej niż,0% węgla w postaci lanej (przeznaczony na odlewy). Żeliwo surówka przetopiona ze złomem żeliwnym, stalowym i dodatkami zawierająca, 3,6% węgla. 16

17 Materiały konstrukcyjne Metale nieżelazne i ich stopy: - miedź ( w stanie czystym stosowana na przewody elektryczne, aparatura chemiczna itp.).stopy miedzi : brązy (głównym składnikiem stopowym.>% jest cyna, aluminium, krzem, mangan, ołów lub beryl, charakteryzują się dobrymi własnościami odlewniczymi i łatwą obróbką skrawaniem), mosiądze (głównym składnikiem stopowym jest cynk do 50% występować mogą również dodatki stopowe, charakteryzują się dobrymi własnościami odlewniczymi, w zależności od składu chemicznego mogą być poddawane obróbce plastycznej na zimno lub na gorąco); - aluminium ( w stanie czystym zastosowanie w przemyśle chemicznym, spożywczym, elektrotechnicznym, itp.). Stopy aluminium (stopy lekkie) dzielą się na: stopy odlewnicze (siluminy 4,0 13,5%Si) i do obróbki plastycznej (zawierają pierwiastki stopowe Al., Cu,Mg, Mn, Si); 17

18 Materiały konstrukcyjne - stopy tytanu - (lekkie, bardzo wytrzymałe, wykazują pamięć kształtu, zastosowanie w przemyśle lotniczym); stopy kobaltu (odporne na ścieranie, żaroodporne i żarowytrzymałe, zastosowanie w medycynie, w technice lotniczej i kosmicznej), stopy cynku (lekkie, odporne na korozję, zastosowanie: powłoki ochronne znale odlewnicze); - stopy ołowiu - (wykazują dobre własności ślizgowe, zastosowanie przy produkcji łożysk ślizgowych, elektrod akumulatorowych, płaszczy kablowych); - stopy cyny - (wykazują dobre własności ślizgowe, zastosowanie jako podstawowy składnik lutowia miękkiego, przy produkcji łożysk ślizgowych, itp.). 18

19 Materiały konstrukcyjne Polimery to substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej składającej się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami. Polimery ze względu na pochodzenie dzieli się na: - sztuczne - powstają na skutek łączenia najczęściej kowalencyjnymi wiązaniami wielu identycznych małych ugrupowań atomów, które zwane są monomerami. - naturalne, nazywane biopolimerami otrzymuje się przez obróbkę oraz częściową modyfikację naturalnych surowców. 19

20 Materiały konstrukcyjne Spieki ceramiczne materiał uzyskany przez spiekanie proszków ceramicznych (tlenków, węglików, borków niektórych pierwiastków, np. glinu, żelaza, cyrkonu); stosowany do produkcji narzędzi skrawających, materiałów ogniotrwałych, części maszyn odpornych na korozję i ścieranie, części reaktorów jądrowych., rakiet. 0

21 Materiały konstrukcyjne Kompozyt to tworzywo, które powstaje przez połączenie dwóch i więcej materiałów. Jeden z nich jest wiążącym, natomiast inne spełniają wzmacniającą rolę i wprowadzane są w postaci włóknistej, ziarnistej albo warstwowej. Na skutek tego procesu uzyskiwana jest kombinacja własności (chodzi tu najczęściej o właściwości mechaniczne) niemożliwa do osiągnięcia w wyjściowych materiałach. Cenną własnością kompozytów jest możliwość planowania ich struktury w celu uzyskania założonych właściwości. 1

22 1.4. Technologiczność konstrukcji Technologiczność konstrukcji jest to zespół cech konstrukcyjnych określonego przedmiotu umożliwiających łatwe wykonanie go w danych warunkach produkcyjnych przy możliwie niskich nakładach finansowych. O technologiczności konstrukcji decydują informacje przekazywane wytwórcy przez konstruktora, głównie za pomocą rysunku technicznego. Przy opracowywaniu konstrukcji. konstruktor powinien uwzględnić nie tylko wymagania wynikające z zadań, jakie ma spełnić konstruowany przedmiot czy maszyna, ale również wymagania dotyczą materiałów wyjściowych, rodzaju zastosowanych półfabrykatów, kształtu i wymiarów gotowych przedmiotów oraz ich dokładności, jakości powierzchni, twardości itp. Spełnienie wszystkich wymogów jednocześnie jest z punktu widzenia praktycznego niemożliwe dlatego więc należy przewidzieć optymalny w danym przypadku materiał i proces technologiczny, jaki będzie zastosowany przy wytwarzaniu konstruowanego przedmiotu.

23 Technologiczność konstrukcji Zagadnienia dotyczące technologiczność konstrukcji obejmują zarówno konstruowanie elementów maszyn i mechanizmów jak również sposób ich wykonania i montaż. Jako przykład można podać wykonanie pokrywy stanowiącej obudowę łożyska. Wykonanie jej w postaci wypraski z blachy grubościennej jest korzystniejsze niż wykonanie tego elementu metodą obróbki skrawaniem, z uwagi na: - krótki czas wykonania, - możliwość wykonania elementów nawet o skomplikowanych kształtach, - możliwość wykonania elementów na jednej maszynie roboczej. Proces ten może okazać się jednak nieekonomiczny przy produkcji jednostkowej, gdyż wymaga wcześniejszego przygotowania matrycy o określonym kształcie. 3

24 Tolerancje Przy projektowaniu części maszyn jak również w produkcji wielkoseryjnej i masowej a także przy naprawach maszyn ważnym zagadnieniem jest części maszyn. Dla konstruktora przy projektowaniu najistotniejsze znaczenie ma z kolei zamienność wymiarowa. Zamienność tę charakteryzuje pięć parametrów: wymiar nominalny, tolerancje wymiarów i pasowanie, chropowatość powierzchni, odchyłki kształtu oraz odchyłki położenia.

25 Tolerancje Wymiar nominalny jest to teoretyczny wymiar przyjęty przez konstruktora wyrażony w określonych jednostkach (np.: [mm])i wpisany na rysunku wykonawczym elementów maszyn. Sposób podawania wymiarów na rysunkach nie może być oczywiście przypadkowy. Określają go pewne zasady nazywane ogólnie technologicznością wymiarowania. Są to: wymiarowanie od podstaw wymiarowych, podawanie tylko wymiarów koniecznych, niezamykanie łańcuchów wymiarowych, nie powtarzanie wymiarów, pomijanie wymiarów oczywistych. Ogólną przyjętą zasadą jest też aby bazy wymiarowe pokrywały się z bazami technologicznymi, kontrolnymi, montażowymi. 5

26 Tolerancje Z uwagi na nieuniknione błędy wynikające z procesu technologicznego obróbki, uzyskanie idealnego wymiaru nominalnego N może być tylko przypadkowe. Z tego też względu istnieje konieczność określenia wymiarów granicznych A i B, między którymi wymiar ten winien się znajdować.wymiary graniczne określają pole tolerancji T. Zawężania pola tolerancji prowadzi do zwiększenia kosztów wytwarzania, w związku z tym przyjęcie wartości pola tolerancji powinno być podyktowany warunkami ekonomicznymi. Wartość pola tolerancji wyznaczyć również można z różnicy odchyłek wymiarowych, których wartości odnoszone są do linii zerowej. W budowie maszyn przyjęto, że wszystkie wymiary liniowe można przyrównać do wymiarów wałków i otworów. Tak więc wymiary zewnętrzne odpowiadają wałkom, a wewnętrzne otworom. Występują również wymiary mieszane łączące w sobie cechy wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych. 6

27 Tolerancje Pole tolerancji linia zerowa T EI(ei) ES(es) 0 N A B Wymiary graniczne dla otworu przyjęto oznaczać A o, B o, dla wałka A w, B w. Odchyłki wymiarowe dla otworu przyjęto oznaczać ES,EI, dla wałka es,ei. Odpowiednio też tolerancja otworu oznaczana jest T o, natomiast wałka T w 7

28 Tolerancje Zależności pomiędzy wymiarami granicznymi, odchyłkami wymiarowymi i tolerancjami opisać można następującymi zależnościami: dla otworów duże litery ES i EI Odchyłka dolna otworu EI A o N Odchyłka górna otworu ES B o N Tolerancja otworu dla wałka małe litery es i ei Odchyłka dolna wałka ei A w N Odchyłka górna wałka es B w N T o B o A o ES EI Tolerancja wałka T w B w A w es ei 8

29 Pasowania Pasowanie jest to skojarzenie dwóch wymiarów tolerowanych o jednakowych wartościach wymiaru nominalnego z określoną wartością luzów. Wymiarem więc wynikowym skojarzenia dwóch elementów jest luz, którego wartość może się zmieniać w granicach od l min do l max. Wartości luzów wynikają z wymiarów granicznych lub odchyłek wymiarowych wymiarów składowych.

30 Pasowania Pasowania w budowie maszyn można przedstawić następująco: Podział pasowań Luźne Mieszane Wtłaczane a h j n p z A H J N P Z Oznaczenia literowe określają położenie pól tolerancji wchodzących w skład pasowania. elementów 30

31 Pasowania Przedziały zmienności luzów dla określonych typów pasowań oraz zasady ich wyliczanie. pasowanie luźne L max > L min > 0 pasowanie mieszane L max > 0 > L min pasowanie wtłaczane 0 > L max > L min L max B o A w ES ei L min A o B w EI es 31

32 Pasowania W celu ułatwienia otrzymania w praktyce różnych rodzajów pasowań i uproszczenia obliczeń przyjmuje się dwie zasady pasowań. Zasadę stałego otworu, która polega na skojarzeniu otworu podstawowego (którego dolna odchyłka wymiarowa jest równa zero i który zawsze oznacza się dużą literą H) z dowolnie tolerowanym wałkiem, np.: Ø 40H8/f7. Zasadę stałego wałka, która polega na skojarzeniu wałka podstawowego (którego górna odchyłka wymiarowa jest równa zero i który zawsze oznacza się małą literą h)z dowolnie tolerowanym otworem, np.: Ø 40F8/h7. Pasowania tego typu nazywamy uprzywilejowanymi. 3

33 1.6. Łańcuchy wymiarowe Łańcuch wymiarowy jest to zamknięty zespół następujących po sobie wymiarów, które określają położenie lub rozstawienie powierzchni lub podzespołów danego urządzenia, tworząc łącznie z wymiarem wypadkowym zamknięty obwód. Każdy łańcuch składa się z ogniw, które z kolei określone są wymiarem nominalnym A i odchyłkami wymiarowymi a i i a 1i.

34 Łańcuchy wymiarowe Ogniwem łańcucha wymiarowego nazywam każdy wymiar wchodzący w skład tego łańcucha. Luz lub wcisk traktowany jest jako oddzielenie ogniw łańcucha wymiarowego, które niekiedy może przyjmować wartość równą zero lub minusową. Ogniwa łańcucha wymiarowego dzielimy na ogniwa składowe, które oznaczamy dużymi literami alfabetu z odpowiednimi indeksami, np.: A 1, A,, A n lub B 1, B,, B n i ogniwo zamykające oznaczone zwykle literą N lub X). W równaniu łańcucha wymiarowego ogniwo zamykające znajduje się po jednej stronie równania natomiast ogniwa składowe po drugiej stronie tego równania. 34

35 Łańcuchy wymiarowe Ogniwa składowe dzielimy z kolei na zwiększające i zmniejszające. Ogniwo zwiększające jest wymiarem łańcucha, którego zwiększenie powoduje zwiększenie ogniwa zamykającego przy nie zmienionych wymiarach pozostałych ogniw składowych (dla ułatwienia identyfikacji tych ogniw w obliczeniach łańcuchów, oznacza się je symbolem literowym ze strzałką skierowaną w prawo) np.. Ogniwo zmniejszające jest wymiarem, którego zwiększanie powoduje zmniejszanie ogniwa zamykającego przy nie zmienionych wymiarach pozostałych ogniw składowych (ogniwa zmniejszające dla ułatwienia oznacza się strzałką skierowaną w lewo) np.. B s A r 35

36 Łańcuchy wymiarowe W łańcuchach może też występować ogniwo kompensacyjne. Jest to ogniwo wytypowane w łańcuchu wymiarowym, dzięki któremu ogniwo zamykające uzyskuje żądaną wartość, np.: grubość podkładki, którą ustalana jest wielkość luzu lub wcisku ogniwo to oznacza się literą w ramce. A i 36

37 Łańcuchy wymiarowe Wartość nominalną ogniwa zamykającego łańcucha wymiarowego stanowi różnica sumy nominałów ogniw zwiększających i sumy nominałów ogniw zmniejszających.obowiązują również też następujące zależności: Ai N Bi N N max min ( i) ( i) Ai max ( i ) ( i ) Ai min ( i) ( i) n n 1 Bi Bi min max N N min max N N T N N max N min T N T i (i) T N 1 a i b ( i) ( i) a i b1 i ( i) ( i) TAi + ( i) ( i) i T Bi 37

38 Łańcuchy wymiarowe Tolerancja ogniwa zamykającego wzrasta wraz ze wzrostem liczby ogniw w łańcuchu oraz wzrostem tolerancji każdego z ogniw (należy więc dążyć do najmniejszej liczby ogniw w łańcuchu w celu zmniejszenia tolerancji ogniwa wynikowego, gdyż zmniejszanie tolerancji ogniw składowych zwiększa koszty produkcji). 38

39 Łańcuchy wymiarowe Łańcuch płaski jest to łańcuch, którego wszystkie ogniwa znajdują się w tej samej płaszczyźnie lub kilku płaszczyznach, równoległych względem siebie (dzięki czemu rzuty ogniw na jedną płaszczyznę zachowują ten sam wymiar). Łańcuch płaski może być z ogniwami równoległymi wszystkie wymiary są ogniwami liniowymi równoległymi lub kątowymi o wspólnym wierzchołku promieni. 39

40 Łańcuchy wymiarowe Przykład łańcucha płaskiego z ogniwami równoległymi 40

41 Łańcuchy wymiarowe Rozwiązywanie równań z łańcuchami wymiarowymi można zrealizować dwoma metodami: metoda arytmetyczne z uwzględnieniem odchyłek i wymiarów granicznych ogniw składowych, metoda rachunku różniczkowego obliczenia oparte są na badaniu przyrostu funkcji. 41

42 Łańcuchy wymiarowe Łańcuchy przestrzenne Łańcuchy przestrzenne są to łańcuchy, w których co najmniej jedno ogniwo nie leży w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny pozostałych ogniw. Obliczenia prowadzimy zastępując łańcuch przestrzenny łańcuchem płaskim z ogniwami nierównoległymi. Dalsze obliczenia realizowane są tak jak dla łańcucha płaskiego równoległego lub nierównoległego. 4

43 LITERATURA: A.Rutkowski: Części Maszyn, cz.i i II, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, 007. Ciszewski, T. Radomski :Materiały konstrukcyjne w budowie maszyn - wyd J.Jezierski: Analiza tolerancji i niedokładności pomiarów budowie maszyn, WNT Gawryś. M.Feld: Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn Wydawnictwo Naukowo-Techniczne J.Flis: Zapis i Podstawy Konstrukcji Materiały Konstrukcyjne. A. Ciszewski, T. Radomski:Materiały konstrukcyjne w budowie maszyn - wyd Hhttp://home.agh.edu.pl Mitutoyo: Materiały reklamowe. 43

44 . Temat. Połączenia Zagadnienia:.1.Spajanie; (1h)..Wciskowe; (1h).3.Kształtowe; (1h).4.Gwintowe; (h).5.podatne (sprężyste). (1h)

45 Połączenia Połączenia dzielą się na: - połączenia nierozłączne - w połączeniu takim elementy są złączone na stałe. Próba ich rozłączenia zawsze wiąże się ze zniszczeniem elementu łączącego i samych elementów łączonych, - połączenia rozłączne - w których rozłączenie jest możliwe i nie wiąże się ze zniszczeniem elementów łączonych.

46 Połączenia

47 Połączenia Połączenia rozłączne można podzielić dodatkowo na: - spoczynkowe - w których łączone elementy pozostają unieruchomione względem siebie, - ruchowe - w których elementy mogą się względem siebie przemieszczać w określonym zakresie.

48 .1. Połączenia spajane Połączenia spajane należą do spoczynkowych nierozłącznych bezpośrednich, w których powstają siły spójności na powierzchni styku części łączonych. Do połączeń spajanych należy zaliczyć wymienione wcześniej połączenia: spawane, zgrzewane, lutowane i klejone.

49 Połączenia spajane spawane Połączenie spawane łączone części nagrzewa się do temperatury nadtapiania i połączenie powstaje w skutek skrzepnięcia materiału (nie stosuje się docisku części łączonych), a łączenie może być z dodatkiem innego materiału o składzie zbliżonym do składu materiału rodzimego lub bez dodatkowego materiału. 49

50 Połączenia spajane spawane Podział spawania Gazowe Elektryczne Łukowe Elektrożużlowe Elektrodą topliwą Elektrodą nietopliwą Elektrodą otuloną Atomowe Pod topnikiem (łukiem krytym) W osłonie gazu (MiG, MAG) Elektrodą węglową W osłonie gazów ochronnych (TiG, WiG) 50

51 spawane Obliczanie wytrzymałościowe spoiny czołowej obciążonej siłą rozciągającą lub ściskającą. σ r Połączenia spajane F S r k r σ c F S c k gdzie: F r,f c siła rozciągająca lub ściskająca spoinę, S g. l - przekrój obliczeniowy spoiny, k r, k c - naprężenia dopuszczalne na rozciąganie lub ściskanie dla materiału spoiny, k' z z o k r kr naprężenie dopuszczalne dla materiału rodzimego części, z 0 współczynnik stycznej wytrzymałości spoiny, z współczynnik jakości spoiny. c 51

52 Połączenia spajane spawane Obliczanie wytrzymałościowe spoiny czołowej obciążonej siłą ścinającą. τ F S t k' t gdzie: F t siła ścinająca S g. l - przekrój obliczeniowy spoiny l b a - dopuszczalne naprężenia na ścinanie dla materiału spoiny k' t 5

53 Połączenia spajane spawane Obliczanie wytrzymałościowe spoiny czołowej obciążonej momentem gnącym. σ g M W g x k' l a ( b a) a W x 6 6 gdzie: M g moment gnący W x wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie; k' g naprężenia dopuszczalne na zginanie dla materiału spoiny (k g 0,8 kr). g 53

54 Połączenia spajane zgrzewanie Zgrzewane proces ten charakteryzuje się tym, że ogrzane miejsce styku doprowadzone jest do stanu plastycznego, stosuje się silny docisk łączonych elementów, nie stosuje się dodatkowego materiału 54

55 Połączenia spajane zgrzewanie Podział metod zgrzewania: Zgrzewanie Punktowe Liniowe Doczołowe Garbowe 55

56 Połączenia spajane zgrzewanie Obliczenia wytrzymałościowe zgrzeiny przeprowadza się w oparciu o warunek wytrzymałościowy na ścinanie. Dla przypadku zgrzewania punktowego przedstawić go można następująco: τ F d n π 4 k ' t przy: gdzie: F całkowita siła obciążająca złącze, n liczba zgrzein punktowych połączenia, d średnica zgrzeiny, k r naprężenie dopuszczalne przy rozciąganiu materiału rodzimego, z 0 współczynnik wytrzymałości zgrzeiny. Przy obciążeniu statycznym z o (0,35 0,5), przy obciążeniu zmiennym z o 0,35. k ' t z o k r 56

57 Połączenia spajane lutowane Lutowanie materiał rodzimy podgrzewa się do temperatury wyższej niż temperatura spoiwa (lutu), ale nie wyższej niż temperatura topnienia materiału rodzimego. Pod wpływem temperatury ciekły lut przywiera do brzegów materiałów łączonych na zasadzie dyfuzji. Materiały rodzime powinny być odpowiednio przygotowane (oczyszczone), podczas lutowania używa się topników (kalofonia, boraks, roztwór chlorku cynku, itp.) Wyróżnia się lutowanie miękkie (temperatura topnienia lutu mniejsza niż 500 o C, stosowne są luty cynowe lub cynowo-ołowiowe) oraz lutowanie twarde ((temperatura topnienia lutu powyżej 500 o C, stosowne są luty w postaci czystej miedzi lub stopów miedzi). 57

58 Połączenia spajane klejone Klejenie spoiwo (klej) w postaci ciekłej doprowadzony w miejsce łączenia elementów, utwardza się pod wpływem podwyższonej temperatury. W trakcie procesu klejenia stosuje się docisk elementów łączonych. Do klejenia metali stosowane są kleje oparte na bazie tworzyw sztucznych: żywice epoksydowe, żywice fenolowoformaldehydowe, żywice na bazie polimerów i poliestrów. Rozróżnia kleje do łączenia na zimno (temperatura utwardzania 0 60 o C) oraz na gorąco (temperatura utwardzania o C). Obliczenia wytrzymałościowe połączeń klejonych podobnie jak wymienionych wcześniej połączeń zgrzewanych przeprowadza się w oparciu o warunek wytrzymałościowy naścinanie. 58

59 .. Połączenia wciskowe Należą one do spoczynkowych połączeń sprężystych. Siły sprężystości wynikają z odkształceń elementów łączonych, spowodowanych różnicą ich wymiarów (wciskiem W). W d d z w przy czym d z > d w

60 Połączenia wciskowe Połączenia wciskowe w zależności od zastosowanego sposobu łączenia dzielimy na: - bezpośrednie w których elementy stykają się bezpośrednio, - pośrednie w których stosowany dodatkowa jest łącznik. zależnie od kształtu: walcowe oraz stożkowe, zależnie od sposobu montażu: - wtłaczane (czop wtłaczany w oprawę lub oprawa w czop); - roztłaczane (roztłaczanie elementów); - skurczowe (nagrzanie oprawy); - rozprężne (oziębienie oprawy np. w spirytusie lub acetonie ochłodzonym do temperatury -70 o C lub w przypadku zastosowania skroplonego powietrza do temperatury -190 o C); - kombinowane (uzyskiwane poprzez jednoczesne zastosowanie kilku wyżej wymienionych metod). 60

61 Połączenia wciskowe Zalety połączeń wciskowych: prostota, łatwość i taniość wykonania, zbędność dodatkowych elementów, dobre centrowanie, duża obciążalność złącza, rozłączność złącza. Wady połączeń wciskowych: zależność siły połączenia od tolerancji połączenia, niepewność połączenia, wrażliwość na zmiany temperatury, duże naprężenia montażowe, trudność montażu i demontażu, znaczny spadek wytrzymałości zmęczeniowej wywołany spiętrzaniem naprężeń. 61

62 Połączenia wciskowe Obliczanie połączeń wciskowych W przypadku obciążenia siła wzdłużną F powinien być spełniony warunek,że siła ta nie powinna przekroczyć siły tarcia T. F T ponieważ F µ p' S wtedy F µ p π d l gdzie: µ współczynnik tarcia ślizgowego, p' najmniejszy nacisk powierzchniowy, na powierzchni styku, S pole walcowej powierzchni styku, d, l średnica i długość powierzchni styku 6

63 Połączenia wciskowe Obliczanie połączeń wciskowych Stąd najmniejszy wymagany nacisk powierzchniowy F p µ π d l W przypadku obciążenia momentem skręcającym M s powinien być spełniony warunek, że moment ten nie powinien przekroczyć momentu tarcia M T. d µ p π d l M s T czyli M s stąd M s p µ π d Jeżeli złącze obciążone jest jednocześnie siłą F i M s, wówczas wymagany nacisk p p ( p ) + ( p ) l 63

64 Połączenia wciskowe Obliczanie połączeń wciskowych Montażowy wcisk skuteczny oblicza się z tzw. zadania Lamégo (uwzględnia ono naciski powierzchniowe na powierzchni styku elementów łączonych): W p d gdzie współczynniki 1 + c1 v 1 d d 1 1 d d w1 1 1 z1 1 ; c E c E 1 + c + v 1 d d w z d d gdzie: d średnica walcowej powierzchni styku E 1, E moduł Younga (czopa i oprawy) dla stali E, MPa, dla żeliwa E0, MPa, dla stopów miedzi E0, MPa; ν 1, ν liczba Poissona (czopa i oprawy) dla stali ν0,3, dla żeliwa ν 0,5, dla stopów miedzi ν0,35; d 1 średnica wewnętrzna czopa (jeżeli wał jest pełen d 1 0) d średnia zewnętrzna oprawy. 1, współczynniki wydrążenia czopa i oprawy 64

65 Połączenia wciskowe Obliczanie połączeń wciskowych Wcisk względny wynosi: W ε 1000 d Podczas montażu następuje wygładzenie nierówności, wskutek czego zmniejszenie nierówności może dochodzić nawet do 60% ich pierwotnej wielkości. Zatem nominalny (mierzony) wcisk W przed zamontowaniem powinien być równy. gdzie: W ' W + 1, ( R z 1 + R z R z1 -średnia wysokość nierówności powierzchni zewnętrznej (czopa) R z -średnia wysokość nierówności powierzchni wewnętrznej (otworu) Na podstawie W' dobierany jest określony typ pasowania wciskowego. ) 65

66 .3. Połączenia kształtowe Połączenia kształtowe należą do połączeń spoczynkowych rozłącznych. Połączenia te mogą być bezpośrednie (np. połączenia wielowpustowe) lub pośrednie (np. połączenia klinowe, kołkowe, sworzniowe, wpustowe.)

67 Połączenia kształtowe wpustowe Połączenia tego typu są najczęściej spoczynkowe, a niekiedy przesuwne. W połączeniach spoczynkowych wpust jest wciśnięty zarówno w rowki czopa jak i piasty wg pasowania N9/h9, w połączeniach przesuwnych wpust jest mocno wciśnięty w rowku czopa wg pasowania N9/h9, a osadzony luźno w rowku piasty wg pasowania F9/h9 lub G9/h9, przy czym wtedy czop jest też osadzony przesuwnie w piaście wg pasowania H7/f7. Pasowanie na zasadzie stałego wałka umożliwia stosowanie tych samych wpustów przy połączeniach spoczynkowych jak i przesuwnych. Wpusty tego typu mogą być dodatkowo zabezpieczane w rowku czopa za pomocą śrub. 67

68 Połączenia kształtowe wpustowe Wymiary charakterystyczne połączenia wpustowego z wpustem pryzmatycznym l l o l całkowita długość wpustu, l o czynna długość wpustu, b szerokość wpusty, h wysokość wpustu, d średnica czopa, a luz s - głębokość rowka w czopie. 68

69 Połączenia kształtowe wpustowe Wymiary charakterystyczne połączenia wpustowego z wpustem czółenkowym (Woodruffa) Stosowane przy przenoszeniu niewielkich momentów obrotowych, głównie w wyrobach masowej produkcji (samochody, maszyny obrabiarki, itp.) z uwagi na duże osłabienie czopa spowodowane głębokim rowkiem, zaletą ich jest natomiast łatwość wykonania. 69

70 Połączenia kształtowe wpustowe Obliczenia wytrzymałościowe połączeń wpustowych mają charakter sprawdzający. Z normy do określonej średnicy dobiera się wymiar poprzeczny wpustu (bxh), a następnie oblicza się siłę F, działającą na powierzchni styku piasty, klina i czopa wg zależności: M M F d d Następnie dobiera się z normy czynną długość wpustu l o i sprawdza naciski powierzchniowe p wg zależności: F p k o l0 h z gdzie: M moment obrotowy na wale, z liczba wpustów, k 0 dopuszczalne naciski powierzchniowe zależne od materiału czopa i piasty oraz typu pasowania wpustu, L o - czynna długość wpustu. 70

71 Połączenia kształtowe wielowpustowe Zaletami połączeń wielowpustowych są: mniejsze i równoramienne obciążenie, większa wytrzymałość przy obciążeniach zmiennych, lepsze środkowanie, łatwiejsze wykonanie i montaż połączenia, zwarta konstrukcja połączenia z uwagi na małą długość piasty. Stosowane masowo w mechanizmach szybkoobrotowych z połączeniami spoczynkowymi lub przesuwnymi, gdy przesuw odbywa się bez obciążenia. 71

72 Połączenia kształtowe wielowpustowe Rodzaje połączeń wielowpustowych a) O prostym zarysie boków b) O zarysie ewolwentowym c) O zarysie trójkątnym d) Typ lekki e) Typ średni f) Typ ciężki g) Środkowanie piasty na bocznych powierzchniach wpustów h) Środkowanie na zewnętrznej średnicy D wpustów i) Środkowanie na wew średnicy d czopa 7

73 Połączenia kształtowe kołkowe Połączenia kołkowe w zależności od roli kołka można podzielić się na: - złączne, - ustalające, - kierujące, - zabezpieczające. Połączenia kołkowe w zależności od usytuowania kołka można podzielić na: - wzdłużne, - poprzeczne. Połączenia kołkowe w zależności od kształtu kołka można podzielić na połączenia z kołkiem: - walcowym, - stożkowym (zbieżność 1 50), - z karbowanym, - rozciętym. 73

74 Połączenia kształtowe kołkowe Przykład połączenia z kołkiem wzdłużnym 74

75 Połączenia kształtowe kołkowe Średnicę d kołka dobiera się w zależności od średnicy d w czopa wału d 0,15 d w, natomiast długość kołka przyjmuje się równą l o (1 1,5) d w. Po dobraniu wymiarów kołka sprawdza się naciski powierzchniowe wg zależności: p l o F 4M M d lo d d Wartości k o uzależnione są od charakteru obciążenia złącza kołkowego. w k o 75

76 Połączenia kształtowe sworzniowe Sworznie stosowane są najczęściej w połączeniach przegubowych. Zwykle osadzane są one luźno i wymagają zabezpieczenia przed przesunięciem osiowym. Jako zabezpieczeń używa się najczęściej podkładek i zawleczek lub pierścieni osadczych. Stosowane są sworznie cylindryczne o jednakowej średnicy lub sworznie z łbem. Wyróżnić można połączenia sworzniowe spoczynkowe i ruchowe. W przypadku połączeń spoczynkowych sworzeń jest pasowany ciasno w obu elementach złącza, w przypadku połączeń ruchowych sworzeń pasowany jest w jednej części luźno, w drugiej ciasno. 76

77 Połączenia kształtowe sworzniowe Typowym przykładem połączenia z użyciem sworznia jest połączenie przegubowe widełkowe. 77

78 Połączenia kształtowe sworzniowe Sworzeń ciasno pasowany oblicza się z warunku na ścinanie w przekrojach I-I (sworzeń dwucięty) wg warunku: F π d 4 gdzie: k t takie jak przy ścinaniu kołków Sworzeń luźno pasowany ( z uwagi na możliwość wystąpienia ugięć) oblicza się z warunku na zginanie, przyjmując moment gnący maksymalny, który występuje w przekroju II-II równy: ponieważ M g max σ g F gmax l1 ( 4 M k W x g l + ) F 8 więc ( l k t 1 σ + l g ) F l 8 0,1 d F l 8 3 k g 78

79 Połączenia kształtowe klinowe Połączenia kształtowe - klinowe, należą do kształtowych połączeń pośrednich. Obciążenia są tu przenoszone siłami spójności oraz siłami tarcia. Najczęściej stosowane są kliny jednostronne z uwagi na łatwość i prostotę ich wykonania. Kliny mogą być też dwustronne symetryczne lub niesymetryczne. Połączenia klinowe dzielą się na wzdłużne, poprzeczne i nastawcze 79

80 Połączenia kształtowe klinowe. Siły w połączeniu klinowym Przy wbijaniu lub wybijaniu klina siłą Q, siły reakcji tulei R 1 i trzonu R oddziałujące na klin z uwagi na występujące tarcie są odchylone od kierunku normalnej N o kąt tarcia ρ w różnych kierunkach. Obciążenie zewnętrzne złącza reprezentowane jest przez siłę F. Związki pomiędzy siłami w zależności od rodzaju klina uzależnione są od tego czy klin ten jest wbijany czy wybijany i można je przedstawić następująco: dla klina jednostronnego Q [ F ( tg ( α ± ρ ) ± tg ρ ] dla klina dwustronnego niesymetrycznego Q [ F ( tg ( α ± ρ ) + tg ( α ± 1 ρ dla klina dwustronnego symetrycznego Q α F ( tg ( ± ρ ) Znak (+) dotyczy wbijania klina, znak (-) wybijania klina. bo α 1 α )] α 80

81 Połączenia kształtowe klinowe. Siły w połączeniu klinowym 81

82 Połączenia kształtowe klinowe Połączenia klinowe należą do połączeń tzw.samohamownych. Oznacza to, że aby klin nie wysunął się pod działaniem obciążenia zewnętrznego F, kąt jego rozwarcia powinien być mniejszy od podwójnego kąta tarcia na powierzchniach roboczych, przyjmując współczynnik tarcia µ0,1, wówczas: Ι 5 45 ρ W połączenia złącznych stosowane są następujące pochylenia klinów: dla wzdłużnych tgα 1:100 i 1:60 dla poprzecznych tgα 1:10; 1:15 i 1:0 natomiast w połączeniach nastawczych tgα 1:5; 1:3 i 1:6 8

83 Połączenia kształtowe klinowe Obliczenia wytrzymałościowe dla elementów połączenia klinowego z klinem poprzecznym Warunki wytrzymałości czop na rozciąganie tuleja na rozciąganie F F σ r r r kr σ r kr Ft Fc między czopem i klinem p F F Warunki na naciski σ klin na zginanie M g g kr Wx między tuleją i klinem p r ko o P S k 83

84 .4. Połączenia gwintowe Połączenia gwintowe należą do kształtowych połączeń rozłącznych. Gwint powstaje przez kojarzenie linii śrubowej i przesuwającego się po jej torze zarysu figury płaskiej (trójkąta, prostokąta). Lina śrubowa powstaje przez nawinięcie trójkąta prostokątnego na walec i może być ona prawo lub lewoskrętna (zgodna lub przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara). Kąt γ jest kątem wzniosu linii śrubowej. Odcinek, który przebywa w ciągu jednego pełnego obrotu walca punkt poruszający się wzdłuż jego tworzącej nazywamy skokiem p linii śrubowej. p tgγ π D Jeżeli zarys składa się z kilku jednakowych elementów powtarzających się na długości skoku p, to taki gwint nazywamy wielokrotnym (z krotnym) p z p z podziałka dla gwintu jednokrotnego p z p 84

85 Połączenia gwintowe. Linia śrubowa gwintu 85

86 Połączenia gwintowe W zależności od zastosowania rozróżniamy następujące odmiany połączeń gwintowych: spoczynkowe: stosowane w połączeniach złącznych (np. śruby, nakrętki), ruchowe: stosowane do zmiany ruchu obrotowego na posuwowy (podnośniki, prasy, śruby pociągowe), półruchowe: stosowane w rzadziej pracujących mechanizmach (mechanizmy ustawcze, dociskowe, urządzenia pomiarowe). W poszczególnych rodzajach połączeń stosowane są różne postacie zarysu gwintu, dostosowane do charakteru połączenia. Wyróżniamy następujące rodzaje gwintów o zarysie trójkątnym (ostre): metryczne zwykłe, drobnozwojne calowe zwykłe (średnice 3/16" 4"),drobnozwojne (Whitwortha) rurowe walcowe 86

87 Połączenia gwintowe Gwinty trójkątne odznaczają się dużą wytrzymałością, łatwym wykonaniem, możliwością utrzymania dużej samohamowności. Wadą ich jest natomiast mała sprawność i złe środkowanie. Stosowane są w połączeniach spoczynkowych oraz dokładnych połączeniach półruchowych. Gwinty drobnozwojne stosowane są tam gdzie konieczna jest mała wysokość gwintu. Umożliwiają one dokładną regulację położenia łączonych części, zapewniają zmniejszone działanie korbu, zwartą konstrukcję, zwiększoną siłę osiową docisku, zwiększoną szczelność, samohamowność i odporność na luzowanie przy drganiach. Gwinty grubozwojne nadają się do przenoszenia dużych nacisków powierzchniowych a rozkład obciążenia na zwoje jest bardziej równomierny. Gwinty calowe-stosowane są przy naprawach i wyrobie części zamiennych (nie należy ich stosować w nowych konstrukcjach). 87

88 Połączenia gwintowe Wymiary charakterystyczne gwintów o zarysie trójkątnym a) metryczny, b) calowy, c) drobnozwojny, d) rurowy-walcowy. (rys. 8.) 88

89 Połączenia gwintowe Wyróżniamy następujące rodzaje gwintów trapezowych: - symetryczne, - niesymetryczne. Gwinty trapezowe są używane w połączeniach ruchowych, odznaczają się wysoką sprawnością, dużą wytrzymałością i dobrymi warunkami technologicznymi. Gwint symetryczny ma środkowanie na powierzchniach bocznych, są stosowany w mechanizmach silnie obciążonych, pracujących rzadziej, przy małej prędkości i dużych obciążeniach (śruby pociągowe, wrzecion zaworów). Zaletą tych gwintów jest możliwość kompensacji luzów wzdłużnych (za pomocą nakrętki rozciętej). Gwint niesymetryczny ma środkowanie na powierzchni zewnętrznej śruby a kąt powierzchni roboczej α r 30 co daje dużą sprawność gwintu. Jest stosowany przy jednostronnym działaniu dużych sił, przy dużej prędkości, gdy wymagana jest duża sprawność i wytrzymałość zmęczeniowa (prasy śrubowe, śruby w połączeniach ruchowych, napędy haków, dźwigów). 89

90 Połączenia gwintowe Wymiary charakterystyczne gwintów o zarysie trapezowym a) trapezowy niesymetryczny, b) trapezowy symetryczny 90

91 Połączenia gwintowe.siły w połączeniu gwintowym 91

92 Połączenia gwintowe. Siły w połączeniu gwintowym Zależność pomiędzy siłą Q reprezentującą osiowe obciążenie nakrętki a siłą F obracającą nakrętkę zapisać można następująco: F Q tg( γ ± ρ ) µ µ tg ρ α cos gdzie: ρ pozorny kąt tarcia, α - kąt zarysu gwintu ostrego. Warunek samohamowności (samoczynnego nie zluzowania się złącza śrubowego pod działaniem obciążenia roboczego) można przedstawić następująco γ ρ ) 9

93 Połączenia gwintowe. Moment tarcia w połączeniu gwintowym Moment tarcia w połączeniu gwintowym jest sumą dwóch składowych. Składowej odpowiadającej momentowi obrotowemu M 1 wytworzonego działaniem siły F, potrzebnej do dokręcenia lub luzowania nakrętki równej: d s M 1 F 0,5 Q d s tg( γ ± ς ) oraz składowej odpowiadającej momentowi tarcia na oporowej powierzchni śruby lub nakrętki M równej: M Q µ D z + D w rsr gdzie: 4 D z średnica zewnętrzna powierzchni oporowej nakrętki lub śruby (rozwartość klucza), D w średnica wewnętrzna (średnica otworu naśrubę). r sr 93

94 Połączenia gwintowe. Moment tarcia w połączeniu gwintowym Całkowity moment tarcia jest równy: MM 1 +M Moment ten odpowiada iloczynowi siły ręki człowieka F r oraz ramienia działania tej siły (długość klucza). Ostatecznie można wiec zapisać: F r l0,5 Q d s tg(γ±ρ')+0,5 Q µ (D z +D w ) Przyjmując wartości średnie dla gwintu metrycznego: ρ 5 o 40', γ o 30',α 60 o,µ 0,15 i l 14 d, otrzymać można stosunek: Q F r tyle wynosi zysk na sile w śrubowych połączeniach złącznych. 94

95 Połączenia gwintowe Obciążenia złącza śrubowego: Wyróżnić można sześć charakterystycznych przypadków obciążenia złącza śrubowego: - połączenie bez napięcia wstępnego obciążone tyko siłą osiową ; - połączenie bez napięcia wstępnego, obciążone siłą osiową i momentem skręcającym; - połączenie napięte wstępnie kontrolowaną siłą osiową, a następnie dodatkowo obciążone siłą roboczą; - połączenie napięte wstępnie nie kontrolowaną siłą osiową, a następnie dodatkowo obciążone siłą roboczą; - połączenie za pomocą śrub ciasno pasowanych, obciążone siłą poprzeczną; - połączenie za pomocą śrub luźno pasowanych, obciążone siłą poprzeczną. 95

96 Połączenia gwintowe. Obciążenia złącza śrubowego Połączenie bez napięcia wstępnego obciążone tyko siłą osiową Obciążenia tego typu występują najczęściej w połączeniach samohamownych półruchowych (gwintowany koniec haka dźwigowego, śruby ustawcze). Obliczenia sprowadzają się do sprawdzenia warunku na rozciąganie lubściskanie wg. zależności: Q Q σ r k r S r π d r 4 wtedy d r 1, 13 Q k r [ mm ] Obciążenie wahadłowe przy tego typu połączeniach nie występuje. Przy ściskaniu zamiast k r i k rj stosuje się k c i k cj, a dodatkowo, gdy smukłość jest większa niż należy śrubę sprawdzić na wyboczenie. 96

97 Połączenia gwintowe. Obciążenia złącza śrubowego Połączenie bez napięcia wstępnego, obciążone siłą osiową i momentem skręcającym Obciążenia tego typu występują najczęściej w połączeniach ruchowych (dokręcanie śrub pod obciążeniem siłą osiową). Obliczenia sprowadzają się do sprawdzenia warunku na rozciąganie lub ściskanie wg. zależności: Q Q σ r k r S r π d r 4 Oraz warunku na skręcanie wg. zależności: M s 8 Q d s tg ( γ + ρ ' ) τ s 3 W d wtedy: σ z o σ r + π ( α τ r s ) k r W obliczeniach praktycznych śrubę oblicza się z warunku na rozciąganie przyjmując siłę zastępczą Q z 1,3Q. 97

98 Połączenia gwintowe. Obciążenia złącza śrubowego Połączenie napięte wstępnie kontrolowaną siłą osiową, a następnie dodatkowo obciążone siłą roboczą Obciążenia te są typowe dla wszystkich połączeń samohamownych spoczynkowych, często spotykane w budowie maszyn (pokrywy pod ciśnieniem, śruby łożyskowe). Przykładowa charakterystyka złącza śrubowego: Q 0 - wartość napięcia wstępnego, Q 1 -całkowita siła obciążająca śrubę Q - wartość napięcia resztkowego Q r wartość napięcia roboczego, χ - współczynnik obciążenia, Sr wydłużenie śruby pod działaniem Q r, so - wydłużenie śruby pod działaniem Q o No ściśnięcie nakrętki pod działaniem Q o Nr zmniejszenie ściśnięcia nakrętki pod działaniem Q r. 98

99 Połączenia gwintowe. Obciążenia złącza śrubowego Połączenie napięte wstępnie kontrolowaną siłą osiową, a następnie dodatkowo obciążone siłą roboczą zależności pomiędzy siłami: Q r > Q Q + 0 Q Q 1 0 k (1 χ ) Q r 1 Q 0 + χ Q r Q' Q 1 Q r k współczynnik napięcia wstępnego śruby k1,5,0 napięcie wstępne małe przy obciążeniu statycznym k,5 4,0 napięcie duże przy obciążeniu zmiennym k1,3,5 dla uszczelek miękkich w połączeniach szczelnych k,0 3,5 dla uszczelek metalowych kształtowych k3,0 5,0 dla uszczelek metalowych płaskich (bardzo duże napięcia wstępne) 99

100 Połączenia gwintowe. Obciążenia złącza śrubowego Połączenie napięte wstępnie kontrolowaną siłą osiową, a następnie dodatkowo obciążone siłą roboczą Średnice rdzenia śruby oblicza się z warunku na rozciąganie uwzględniając moment skręcający (od napięcia wstępnego). Wartość siły obliczeniowej przyjmuje się równą: Q 1, 3Q 0 + χ Q r Jeżeli stosowane jest dociążenie śruby, czyli dokręcenie śruby pod pełnym obciążeniem, wtedy przyjmuje się siłę obliczeniową równą: Q, 3Q 1, 3Q + 1, 3χ Q r 100

101 Połączenia gwintowe.obciążenia złącza śrubowego Połączenie napięte wstępnie nie kontrolowaną siłą osiową, a następnie dodatkowo obciążone siłą roboczą W tym przypadku przy obliczaniu wytrzymałościowym śruby należy zwiększyć współczynnik bezpieczeństwa, który zależy od średnicy śruby (przy niekontrolowanym napięciu wstępnym istnieje niebezpieczeństwo, że śruby o małej średnicy mogą być dokręcone zbyt mocno). Stosowany jest więc przy obliczaniu średnicy rdzenia śruby następujące zależność : dla d r 60mm dla d r 60 mm d d r 1, 05 r 1, 13 Q k r Q k r [ mm] [ mm] 101

102 Połączenia gwintowe.obciążenia złącza śrubowego Połączenie za pomocą śrub ciasno pasowanych, obciążone siłą poprzeczną Śrubę oblicza się z warunku na ścinanie siłą poprzeczną Q T wg zależności τ Q π d 4 T Dodatkowo sprawdza się warunek nacisków powierzchniowych na boczne ścianki otworu wg zależności: p QT g d gdzie: g - grubość ścianki d średnica otworu k o k t 10

103 Połączenia gwintowe.obciążenia złącza śrubowego Połączenie za pomocą śrub luźno pasowanych, obciążone siłą poprzeczną W połączeniu tym śruba jest luźno osadzona w otworze, aby więc nie dopuścić do jej zginania napina się mocno złącze siłą Q 0, wywołując na powierzchniach styku docisk i siłę tarcia, która równoważy siłę Q T, tak więc: Q T gdzie: k i T k i Q o π dr µ k i kr µ 4 k współczynnik pewności (zabezpieczenie przeciw wzajemnym przesunięciom części łączonych) k0,4 0,8; i liczba powierzchni styku (na rys. i) µ współczynnik tarcia na powierzchniach styku (dla pow. gładko obrobionych µ0,10 0,0; dla powierzchni smarowanych µ0,06; dla powierzchni piaskowych µ0,5). k r naprężenie dopuszczalne przy rozciąganiu 103

104 .5 Połączenia podatne (sprężyste) Są to połączenia rozłączne ruchowe, w którym łącznikiem jest element sprężysty. Stosuje się je ze względu na możliwość wzajemnych przesunięć części maszyn oraz równoczesne kumulowanie nadmiaru energii kinetycznej. Są najczęściej stosowane jako amortyzatory, elementy przeciążeniowe lub kompensatory przesunięć. Podstawowym parametrem części sprężystej jest sztywność łącznika określana jako: c F f gdzie: F- przyłożona siła, f odkształcenie.

105 Połączenia podatne (sprężyste) Charakterystyki sprężyn: 105

106 C F f C f F W ϕ ϕ lub Połączenia podatne (sprężyste) Pracę sprężyny wyrazić można w postaci pola zawartego pod krzywą jej charakterystyki. Dla charakterystyki liniowej określić ją można jako: 106 ' ' C M C M W ϕ ϕ ) ( 1 p F p f f F W ) ( 1 p M p M W ϕ ϕ przy naprężeniu wstępnym

107 Połączenia podatne (sprężyste) δ-współczynnik kształtu sprężyny, d średnica drutu, D średnia średnica zwojów sprężyny, D+d średnica zewnętrzna sprężyny, D-d średnica wewnętrzna sprężyny, α kąt wzniosu linii śrubowej zwoju (6 9º), Parametry sprężyny śrubowej: C F n f f 1 n f f 1 h -π D tgα skok zwoju, δ D d L długość czynnej części sprężyny, n liczba zwojów czynnych, C sztywność sprężyny, f strzałka ugięcia przy działaniu obciążenia F, f 1 strzałka ugięcia jednego czynnego zwoju przy działaniu siły F. 107

108 Połączenia podatne (sprężyste) Obliczenia sprężyn M 1 - moment skręcający, M - moment zginający, F 1 - siła rozciągająca lub ściskająca, F siła ścinająca. Ze względu na mały kąt wzniosuα i duży współczynnik kształtuδ, do obliczeń wytrzymałościowych przyjmuje się składową momentu M 1 wpływ pozostałych czynników uwzględnia się poprzez wprowadzenie do obliczeń współczynnika poprawkowego K. 108

109 Połączenia podatne (sprężyste) Obliczenia sprężyn Składowa M 1 jest równa: D F D M1 F cosα średnicę drutu oblicza się więc z warunku na skręcanie: wtedy: d τ s M s W o K F D 3 π d 16 8 F δ K 1, 6 π k k s k s s F K S K 4 δ 1 0, δ 1 δ przy: Dδ d 109

110 Połączenia podatne (sprężyste) Obliczenia sprężyn Strzałkę ugięcia f można obliczyć z porównania pracy W siły F z energią potencjalną napiętej sprężyny: ponieważ: W F f M l ϕ G I I 0 π D M 1 ϕ gdzie: G moduł sprężystości poprzecznej; I 0 moment bezwładności l długość drutu (l π D n); 110

111 0 1 I G l M f F d G N F d G D n F I G F l M f δ Połączenia podatne (sprężyste) Obliczenia sprężyn Otrzymamy równość: skąd: 111 d G d G I G F δ δ C d G F f d G n 3 8 δ n d G C liczba zwojów czynnych: Sztywność natomiast:

112 Połączenia podatne (sprężyste) Obliczenia sprężyn Pozostałe wielkości oblicza się z następujących zależności: n c n + ( 1, 5, 0 ) e (0,1 0,) d L z ( n 0, 5 ) d c L L + e k p n L L + 0 k f f r Fk f Fk Fp π D n Lc cosα 0 z L L + k F ( 0, 1 0, 6 ) p F k f r c całkowita liczba zwojów luz osiowy pod obciążeniem długość sprężyny zablokowanej długość sprężyny przy końcu styku roboczego długość sprężyny pod napięciem wstępnym, gdzie f r -skok roboczy napięcie wstępne długość sprężyny nieobciążonej całkowita strzałka ugięcia sprężyny całkowita długość drutu sprężyny 11

113 LITERATURA: A.Rutkowski: Części Maszyn, cz.i i II, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne,

114 Temat 3.Osie i wały 3. Zagadnienia: 1. Wytrzymałość statyczna i zmęczeniowa; ( 0,5h). Sztywność; ( 0,5h) 3. Konstrukcja (0,5h) 4. Projektowanie osi i wałów prostych oraz wykorbionych; (1 h) 5. Zasady obliczeń wałów dwu- i wielopodporowychych; (0,5h)

115 Osie i wały Wały i osie to elementy maszyn na których osadzone są inne elementy wykonujące ruch obrotowy (np. koła zębate, pasowe) lub ruch oscylacyjne (koło zębate współpracujące z zębatką). 115

116 Osie i wały Wały są to elementy maszyn najczęściej o przekroju cylindrycznym i wykonujące ruch obrotowy. Osadzone są one w łożyskach i podtrzymują inne części maszyn, które również poruszać się mogą ruchem obrotowym lub obrotowo-zwrotnym. Służą one przede wszystkim do wzdłużnego przenoszenia momentu obrotowego. Prowadzi to do powstawania sił działających na wały wskutek czego oprócz działania na nie momentu obrotowego poddane są również działaniu sił poprzecznych i momentów zginających. Wały są zatem narażone na równoczesne skręcanie i zginanie (niekiedy dodatkowo na ściskanie i rozciąganie). Osie podtrzymują inne części maszyn lecz nie przenoszą użytecznego momentu obrotowego (mogą wykonywać wraz z elementami ruch obrotowy lub być w spoczynku). 116

117 Osie i wały Podział wałów : Ze względu na kształt: proste: gładkie, kształtowe korbowe wykorbione Ze względu na przekrój pełne drążone Ze względu na wykonanie jednolite półskładane Składane Ze względu na spełniane funkcje: pędniane (transmisyjne) maszynowe (główne, pomocnicze) 117