Mechanizm śrubowy i połączenia śrubowe w ujęciu historycznym. Mechanizm śrubowy

Transkrypt

1 Mechanizm śrubowy i połączenia śrubowe w ujęciu historycznym Mechanizm śrubowy Archimedesowi przypisuje się wynalezienie ślimacznicy - śruby bez końca - urządzenia służącego do podnoszenia wody poprzez ruch obrotowy.

2 W XV wieku Johann Gutenberg wykorzystał działanie śruby w swej znanej pierwszej maszynie drukarskiej. Pierwszą maszynę do nacinania śrub zbudował w 1568 roku francuski matematyk Jaques Besson. Maszyna do nacinania gwintu zaprojektowana przez Leonarda

3 W manuskrypcie Codex Madrid I - Leonardo zawarł szczegółową analizę śruby

4

5

6 Śruby złączne Śruby złączne były znane już w starożytności. Pierwsze śruby były wykonane z brązu lub srebra i przeznaczone były do wkręcania do drewna. Gwinty tych śrub były wykonane przez wypiłowanie pilnikiem lub przylutowanie spiralnego drutu do trzpienia. Pierwsze śruby współpracujące z nakrętką pojawiły się w połowie piętnastego stulecia. Śruby te miały zarys prostokątny, który następnie był zaokrąglany. Nakrętki były bardzo prymitywne, ponieważ były wykonywane ręcznie. Następny wielki krok w tym zakresie uczynił Eli Whitney w 1801 roku, kiedy to została udoskonalona tokarka.

7 Henry Maudsley ( ) - zbudował tokarkę pozwalającą nacinać śruby o różnej średnicy i różnej podziałce. Pomiędzy latami 1800 i 1810 jego wynalazek pchnął sztukę nacinania gwintów do nowoczesnej praktyki inżynierskiej. W 1841 Joseph Whitworth zaproponował określenie podziałki, głębokości zarysu i kąta gwintu. Whitworth zaproponował trójkątny zarys gwintu o kącie 55, z promieniem zaokrąglenia wierzchołków i wgłębień zarysu równym 0,1373 podziałka.

8 ½ ¼ 3¼ 1⅛ 3½ 3¼ 1¼ 7 3¾ 3 1⅜ ½ 6 4¼ 2⅞ 1⅝ 5 4½ 2⅞ 1¾ 5 4¾ 2¾ 1⅞ 4½ 5 2¾ 2 4½ 5¼ 2⅝ 2¼ 4 5½ 2⅝ 2½ 4 5¾ 2½ 2¾ 3½ 6 2½

9 LINIA ŚRUBOWA I GWINT

10 Wykorzystanie linii śrubowej mechanizm śrubowy ślimak przekładni ślimakowej śruby złączne

11 Linia śrubowa (helisa) to krzywa trójwymiarowa zakreślona przez punkt poruszający się ze stałą prędkością po tworzącej walca lub stożka, który obraca się jednocześnie ze stałą prędkością kątową wokół swej osi. linia śrubowa walcowa linia śrubowa stożkowa

12 Linia śrubowa walcowa wynika z nawinięcia trójkąta prostokątnego na walec. linia śrubowa walcowa

13 d γ kąt wzniosu linii śrubowej tgγ = h πd h γ πd

14 Zależności geometryczne linii śrubowej walcowej x P 2 p(skok) P 1

15 x P 2 h z (podziałka zarysu) p=2h z P 1 Linia śrubowa podwójna

16 Zależnie od kierunku ruchu obrotowego linia śrubowa może mieć skręt lewy lub prawy. linia śrubowa prawoskrętna linia śrubowa lewoskrętna

17 Jeżeli podczas obrotu figury płaskiej (trójkąta, prostokąta, koła, trapezu) jej płaszczyzna stale przechodzi przez oś obrotu, a jej punkty zakreślają walcowe linie śrubowe to powstaje bryła zwana gwintem.

18

19 Gwint jest ograniczony powierzchnią śrubową powstałą przy ruchu jego zarysu oraz powierzchnią walcową. Jeżeli powierzchnia śrubowa gwintu ogranicza powierzchnią walcową: od zewnątrz to nazywamy go zewnętrznym (śrubą), od wewnątrz to nazywamy go wewnętrznym (nakrętką). powierzchnia walcowa

20 Gwint zewnętrzny Gwint wewnętrzny

21 Tworząca figura płaska nosi nazwę zarysu gwintu. Zależnie od kształtu zarysu rozróżnia się gwinty: trójkątne, prostokątne, trapezowe, kołowe.

22 Zależnie od kształtu zarysu rozróżnia się gwinty: trójkątne, prostokątne, trapezowe, kołowe.

23 Zarys gwintu trójkątny najczęściej stosowany jest w śrubach złącznych.

24

25 Zależnie od kształtu zarysu rozróżnia się gwinty: trójkątne, prostokątne, trapezowe, kołowe.

26 Zarys gwintu prostokątny stosowany jest w mechanizmach śrubowych do zamiany ruchu obrotowego na posuwisty przypadku, gdy wymagana jest duża dokładność posuwu. Gwint prostokątny ze względu na trudności wykonawcze i zmniejszoną wytrzymałość, w porównaniu do trapezowego, jest rzadko stosowany.

27 Zależnie od kształtu zarysu rozróżnia się gwinty: trójkątne, prostokątne, trapezowe, kołowe.

28 Rozróżnia się dwa rodzaje zarysów gwintu trapezowego: symetryczny, niesymetryczny.

29

30 Zarys gwintu trapezowego symetrycznego stosowany jest w mechanizmach śrubowych przy działaniu dużych obciążeń dwustronnych. Zarys gwintu trapezowego niesymetrycznego stosowany jest w mechanizmach śrubowych przy działaniu dużych obciążeń jednostronnych, np. podnośniki.

31 Zależnie od kształtu zarysu rozróżnia się gwinty: trójkątne, prostokątne, trapezowe, kołowe.

32 Zarys gwintu kołowy stosowany jest w urządzeniach poddanych obciążeniom dynamicznym, np. złącza wagonów kolejowych, hakach żurawi, itp.

33 Budowa sprzęgu śrubowego: 1) sworzeń, 2) hak, 3) rękojeść śruby, 4) łubek, 5) gwint prawy, 6) nakrętka sprzęgu, 7) gwint lewy, 8) pałąk.

34 Podziałką zarysu gwintu h z nazywa się odległość sąsiednich zarysów mierzoną wzdłuż osi gwintu. Skokiem gwintu p nazywa się przesuniecie zarysu zwoju wzdłuż osi po pełnym jego obrocie. Skok gwintu może być równy podziałce (p = h z ), wtedy gwint jest jednokrotny, lub stanowi jej krotność (p = z h z ), wtedy gwint jest wielokrotny.. p=h z p=2h z p=3h z

35 Charakterystyczne wielkości śruby współpracującej z nakrętką: średnica nominalną śruby d d d p średnicę podziałową śruby d p d r średnicę rdzenia d r średnicę nominalną nakrętki D średnicę otworu D o średnicę podziałową nakrętki D p przy czym: D p = d p nakrętka śruba oś śruby nośna głębokość gwintu t n Średnica robocza gwintu D d s. =0,5(D o +d) D o D p t n

36 M24 Liczba podana przy oznaczeniu gwintu, np. M24 zawsze oznacza średnicę nominalną d śruby, tj. średnicę zewnętrzną zarysu gwintu

37 Wszystkie gwinty poza prostokątnym są znormalizowane, a więc znormalizowane są ich średnice nominalne d i podziałki p. Wszystkie inne wymiary zarysu gwintu są uzależnione od podziałki p. W każdym rodzaju gwintów rozróżnia się podstawowy szereg gwintów normalnych zwykłych, w których średnica nominalna d jest skojarzona z pewną podziałką p.

38 W przypadku gdy z dana średnicą d jest skojarzona podziałka mniejsza niż w gwincie zwykłym, to mamy do czynienia z gwintem drobnozwojowym; w przypadku przeciwnym grubozwojowym. gwint drobnozwojowy gwint grubozwojowy

39

40

41 POŁĄ ŁĄCZENIA GWINTOWE I ŚRUBOWE

42 Rodzaje złączy gwintowych bezpośrednio wkręcane, np. smarowniczki w łożyskach ślizgowych, rurowe, np. złączki rurowe, połączenia śrubowe.

43 Połączenia śrubowe W zależności od postaci konstrukcyjnych rozróżnia się połączenia : śrubowe, szpilkowe, wkrętowe. śrubowe szpilkowe wkrętowe

44 Elementy połączenia śrubowego łeb śruby trzpień śruby śruba podkładka nakrętka

45 szpilka

46

47 Zależno ność między siłą obciąż ążającą nakrętk tkę a siłą obracającą nakrętk tkę Wyznaczenie takiej zależności pozwala na: obliczenie momentu niezbędnego do dokręcenia lub odkręcenia (poluzowania) nakrętki (śruby), obliczenie strat tarcia na gwincie między śrubą a nakrętką.

48 Zależność między siłą obciążającą nakrętkę P a siłą obracającą nakrętkę H wyznacza się analizując wycinek nakrętki. P P d s H wycinek nakrętki

49 W tym celu rozważa się ruch nakrętki jako ruch klocka po równi pochyłej. Klocek obciążony jest siłami: obciążającą nakrętkę P, obracającą nakrętkę H. H H P

50 x T P x γ γ P H x H y P y y H ruch klocka

51 Warunek równowagi dla klocka znajdującego się na równi pochyłej: ruch klocka T P x H x H y H T + P H x x = 0 x γ γ P P y y Wiemy jednak, że: T = μ N

52 Z rysunku wynika: N = P + H y y x ruch klocka γ T P x γ P H x H y P y y H P x P y H x = P sinγ = P = H cosγ cosγ H y = H sinγ

53 Wówczas warunek (1) można zapisać następująco: μ ( P cos γ + H sinγ ) + P sinγ H cosγ = 0 Przemnażając pierwszy człon równania przez μ: μ Pcos γ + μh sinγ + P sinγ H cosγ = 0 oraz grupując człony z P i H, otrzymujemy: H cos γ μ H sin γ = μ P cos γ + P sin γ

54 Wyciągając H i P przed nawiasy, otrzymujemy: H ( cos γ μ sinγ ) = P( μ cosγ + sinγ ) Po przekształceniu, uzyskuje się zależność: H = P μ cos cos γ γ μ + sin sin γ γ

55 Dzieląc obie części ułamka przez cosγ, otrzymuje się: H μ cos γ cos + γ sin γ cosγ = P = P cosγ μ sinγ μ 1 + μ tg γ tg γ Z tematu dotyczącego kąta tarcia wiemy, że: μ = tgρ

56 Wówczas: H = P tg 1 γ tg + γ tg ρ tg ρ Z trygonometrii szkoły średniej wiemy, że: tg ( α + β ) = tg 1 α tg + α tg β tg β

57 Ostatecznie otrzymuje się zależność pomiędzy siłą obracającą nakrętkę H a siłą ją obciążającą P: H = P tg ( γ + ρ ) Należy jednak pamiętać, że wywody te dotyczyły ruchu klocka do góry czyli dokręcania nakrętki siłą H.

58 W przypadku luzowania nakrętki (ruch klocka w dół po równi pochyłej: H = P tg ( γ ρ ) Ogólnie można zapisać zależność między siłami H i P jako: H = P tg ( γ ± ρ) + dokręcanie nakrętki; odkręcanie nakrętki:

59 Warunek samohamowności gwintu Rozpatrzmy przypadek zsuwania się klocka po równi pod działaniem siły P: P x T γ P P y

60 Rozpatrzmy przy jakich warunkach siła osiowa P będzie powodować zsuwanie się klocka: I. Jeżeli γ>ρ to Psinγ>T i H>0 II. Jeżeli γ<ρ to Psinγ<T i H<0 Warunkiem samohamowności złącza śrubowego jest nierówność: γ ρ

61 Dla zrównoważenia składowej na równi pochyłej wystarczy tylko siła tarcia T. Oznacza to, że dowolnie duża siła osiowa P nie jest w stanie przesunąć klocka na równi pochyłej, czyli odkręcić nakrętki. Dla jej zluzowania należy odwrócić kierunek siły H. W połączeniach ze śrubami złącznymi warunek samohamowności powinien być spełniony, natomiast złącza ruchowe w mechanizmach śrubowych powinny mieć jak największą sprawność.

62 Wytrzymałość gwintu W połączeniach gwintowych powinno się dążyć do równomiernego rozkładu nacisków na poszczególne zwoje gwintów. Nie zawsze jest to możliwe do spełnienia i przyczynami nierównomierności nacisków mogą być: różnice skoku w gwincie śruby i nakrętki spowodowane niedokładnym wykonaniem, różna sztywność (podatność) śruby i nakrętki, różnoimienne odkształcenia w śrubie i nakrętce.

63 Rozkład nacisków gwint standardowy

64 Równoimienność nacisków w śrubie i nakrętce można uzyskać za pomocą kształtowania postaci konstrukcyjnej połączenia śrubowego.

65 P p P p p p P P Naprężenia w śrubie i nakrętce są jednoimienne rozkład nacisków jest bardziej korzystny

66 Wytrzymałość gwintu na naciski powierzchniowe i ścinanie Gwint w połączeniu śrubowym podlega obciążeniom złożonym, a mianowicie jest on: M g P g p r P t zgniatany, ścinany, zginany.

67 Biorąc pod uwagę skomplikowany rozkład obciążeń w połączeniu gwintowym, oblicza się go w sposób uproszczony, zakładając równomierność nacisków w obu współpracujących elementach. Z trzech rodzajów obciążeń działających na gwint, najbardziej niebezpieczne jest zgniatanie gwintu czyli obciążenie w postaci nacisków powierzchniowych. Zakłada się, że jeżeli gwint będzie wystarczająco wytrzymały na naciski powierzchniowe, to będzie on również wytrzymały na pozostałe rodzaje obciążeń.

68 Jaka powinna być wysokość nakrętki m, aby przy zadanej średnicy nominalnej śruby d zwoje nakrętki były odporne na naciski powierzchniowe i nie ulegały ścięciu?.

69 Niech śruba będzie rozciągana siłą P. W praktyce połączenie śrubowe projektuje się tak, aby wytrzymałość gwintu na naciski powierzchniowe była większa niż wytrzymałość rdzenia śruby na rozerwanie. Oznacza to, że powierzchnia gwintu musi przenieść większe naciski powierzchniowe p niż jest wytrzymały rdzeń śruby na rozerwanie k r. p > k r p - naciski powierzchniowe na gwincie, k r - wytrzymałość materiału rdzenia śruby na rozerwanie.

70 Warunek wytrzymałościowy dla rdzenia śruby na rozerwanie: P σ = k r F r (1) Stąd śruba może być obciążaną siłą P: P k r F (2)

71 Warunek wytrzymałościowy na naciski powierzchniowe: P p = F p i p dop (3) gdzie: F p - powierzchnia nacisku jednego zwoju (rzut powierzchni styku gwintu na płaszczyznę prostopadłą do osi śruby), i liczba czynnych zwojów gwintu nakrętki współpracującej ze śrubą. F p

72 Podstawiając do równania 3 siłę obciążającą śrubę P (z równania 2) uzyskuje się: k r F p F i p dop (5) Przekształcając to równanie do postaci: k r F p dop F p i (6)

73 Pole powierzchni nacisku jednego zwoju F p : F p = π d s t n (7) d s - średnia średnica gwintu, t n t n -nośna głębokość gwintu, na jakiej śruba styka się z nakrętką. d s

74 Pole powierzchni przekroju rdzenia śruby F: F 1 = π 4 d 2 r (8) d r - średnica rdzenia śruby.

75 Liczba czynnych zwojów gwintu nakrętki współpracującej ze śrubą i: i = m h z (9) gdzie: m wysokość nakrętki, h z podziałka zarysu gwintu.

76 Podstawiając do równania (6) zależności (7), (8) i (9) uzyskuje się : z n s dop r r h m t d p d k π π Po przekształceniach uzyskuje się: m t d p h d k n s dop z r r π π 4 2

77 Wyznaczając z ostatniego równania m uzyskuję się: n s dop z r r t d p h d k m π π 4 2 Po uproszczeniach i odpowiednich przekształceniach uzyskuję się: r n z s r dop r d t h d d p k m 4 1

78 Dla zwykłych śrub złącznych z gwintem metrycznym występują następujące zależności: d d r s 0, 88 h t z n 154, d r 0, 8d Po podstawieniu uzyskuje się: m kr 0, 27d p dop

79 W śrubach złącznych śruba i nakrętka są stalowe, dla których: Wówczas: k p r dop 2,5 m > 0, 67 W rzeczywistości dla zwykłych śrubach złącznych wykonanych ze stali przyjmuje się m = 0,8d i taką nakrętkę nie należy obliczać na naciski powierzchniowe. d

80 Podobne rozważania można przeprowadzić na wytrzymałość gwintu na ścinanie, przy czym inna będzie powierzchnia ścinana. Dla stalowych śrub złącznych uzyskuje się warunek: m 0, 47 Oznacza to, że jeżeli gwint w nakrętce spełnia warunek na naciski powierzchniowe to tym bardziej spełnia warunek na ścinanie. d

81 W normalnych śrubach złąz łącznych wykonanych ze stali gdzie m = 0,8d gwintu nie trzeba obliczać. Wpływ zginania gwintu (nie śruby) na jego wytrzymałość jest nieznaczny i w obliczeniach można pominąć.

82 Odciąż ążanie śrub od zginania i skręcania

83 Optymalnym stanem obciążenia złącza śrubowego jest jego obciążenie siłą osiową. Warunkiem tego stanu jest prostopadłość osi śruby do powierzchni: łba śruby, oporowych nakrętki, styku elementu łączonych.

84 Jeżeli ten warunek nie zostanie spełniony to pojawiają się dodatkowe naprężenia w śrubie, wywołane działaniem momentu gnącego M g. Naprężenia te w połączeniu ze zmiennymi naprężeniami roboczymi mogą prowadzić do zniszczenia śruby. W praktyce zawsze występują nieprostopadłości osi śruby i wymienionych powierzchni, wywołane np. niedokładnym wykonaniem lub występowaniem zanieczyszczeń.

85 Pojawia się przy tym pytanie: czy można minimalizować konstrukcyjnie wpływ tego rodzaju napręż ężeń gnących? Wiemy, że naprężenia gnące σ g wywołane działaniem momentu gnącego M g w przekroju rdzenia śruby wynoszą: gdzie: g = M g σ (1) W 0 W 0 wskaźnik przekroju kołowego rdzenia śruby na zginanie

86 W celu określenia czynników wpływających na zmniejszenie dodatkowych naprężeń gnących pojawiających się w wyniku nieprostopadłości osi śruby i powierzchni oporowych, rozpatruje się w przejaskrawieniu zginaną śrubę.

87 l tg α = s α (2) ρ α ρ l s ρ s l = (3) α

88 Z wytrzymałości materiałów wiemy, że dla zginanej belki istnieje zależność: 1 ρ = Μ g E I (4) gdzie: ρ M g I moment bezwładności figury płaskiej

89 Podstawiając zależność (3) do równania (4) uzyskuje się: α l s = Μ E Po przekształceniach zaś: g I 0 (5) M g l = E I s 0 α i: M g E I = 0 l s α (6)

90 Podstawmy do równania (1) uzyskaną zależność (5) dla momentu gnącego M g : σ g = M W g 0 = E W I 0 0 l α Moment bezwładności I 0 oraz wskaźnik przekroju na zginanie W 0 dla przekroju kołowego rdzenia śruby wynoszą odpowiednio: s (6) W 0 3 d = π r oraz 32 I 0 = π 64 d 4 r (7)

91 Po podstawieniu wartości W 0 i I 0 z równania (7) do równania (6) uzyskuje się: (8) r s r s g d l d E l W I E = = π π α α σ Po uproszczeniu uzyskuje się zaś ostatecznie: = s r g l d E α σ 2 1 (9) 2

92 σ g Dodatkowe naprężenia gnące wywołane nieprostopadłością powierzchni oporowej do osi śruby (kąt α) są tym mniejsze im większy jest stosunek czynnej długości śruby l s do średnicy jej rdzenia d r, tzn. im bardziej jest elastyczna (smukła, podatna) śruba. l d s r

93 Śruba elastyczna (smukłe, podatne) l s d r

94 W celu wyeliminowania szkodliwych naprężeń gnących dodatkowo stosuje się specjalne podkładki zapewniające poprawę prostopadłości powierzchni elementów łączonych oraz powierzchni nakrętki (łba) do osi śruby. r kuli P

95 Widok x x P

96 Zasada działania hydraulicznego urządzenia do napinania olej pod ciśnieniem nakrętka śruba

97

98

99

100 Wytrzymałość połą łączeń śrubowych Rozróżnia się cztery podstawowe przypadki obciążeń połączeń śrubowych: I. Śruba obciążona siłą osiową II. Śruba obciążona siłą osiową i momentem skręcającym III. Śruba napięta wstępnie i obciążona siłą osiową IV.Śruba obciążona siłą poprzeczną: śruba założona z luzem śruba pasowana

101 Przypadek I: Śruba obciążona siłą osiową Przykładem takiego przypadku obciążenia może być np. hak urządzenia dźwigowego. P

102 Warunek wytrzymałościowy: P σ = k r F r gdzie F przekrój rdzenia śruby: P F = π 4 2 d r

103 Po podstawieniu uzyskuje się zależność: 4 π P d 2 r Zależność ta pozwala rozwiązać trzy podstawowe zadania: k r Dane: obciążenie P, materiał k r należy obliczyć: średnice rdzenia śruby d r d r 4 π P k r Dane: średnica rdzenia śruby d r materiał k r należy obliczyć: obciążenie P P π 2 d r k r 4 Dane: obciążenie P, średnica rdzenia śruby d r należy obliczyć: materiał k r k r 4 P π d 2 r

104

105 Przypadek II: Śruba obciążona siłą osiową i momentem skręcającym Przykładem takiego przypadku obciążenia może być np. podnośnik. W śrubie obciążonej siłą osiową P i momentem skręcającym M s wystąpią naprężenia rozciągające względnie ściskające σ oraz naprężenia skręcające τ

106 Naprężenia rozciągające (ściskające): σ r = P F Naprężenia skręcające: gdzie: τ = M W M s moment skręcający, s s W s wskaźnik przekroju kołowego na skręcanie

107 Moment skręcający: M s = M T M TPO Sumaryczny moment tarcia: M = M + gdzie: T TG M TPO M TG M TG moment tarcia na gwincie, M TPO moment tarcia na powierzchni oporowej

108 Moment tarcia na gwincie : M TG = 0, 5 d s H Wiemy jednak że: H = P tg ( γ + ρ ) Wówczas moment tarcia na gwincie : M TG = 0, 5 d P tg s ( γ + ρ )

109 O wytężeniu materiału decydują naprężenia zastępcze (np. według hipotezy Hubera): σ z = σ 2 c + ( α τ ) 2 kr gdzie: α -współczynnik przeliczeniowy, k r dopuszczalne naprężenia na rozciąganie (ściskanie) Z otrzymanej zależności z reguły oblicza się średnicę rdzenia śruby.

110 Przy obliczeniach wstępnych i obliczeniach nie wymagających dużej dokładności, śruby oblicza się jak gdyby były obciążone tylko siłą osiową P mnożąc ją przez współczynnik poprawkowy równy 1,25 1,3. Współczynnik ten uwzględnia naprężenia skręcające, pojawiające się w gwincie wskutek tarcia., σ = 13 F P k r w obliczeniach wstepnych

111 Śruby ściskane należy ponadto sprawdzić na wyboczenie. P O charakterze wyboczenia (sprężyste, niesprężyste) śrub decyduje ich smukłość oraz sposób zamocowania śruby.

112 Przypadek III: Śruba napięta wstępnie i obciążona siłą osiową Przykładem takiego przypadku obciążenia może być np. mocowanie głowicy cylindra w silniku.

113

114 Napięcie wstępne połączeń śrubowych stosuje się w przypadku działania obciążeń zmiennych oraz istnienia wymagań w zakresie szczelności połączenia. Niezawodna praca takich połączeń śrubowych zależy w znacznej mierze od sposobu ich wstępnego napinania. Zbyt mała wartość siły napięcia wstępnego może spowodować to, że działanie obciążenia roboczego powoduje takie odkształcenie śrub iż nastąpi utrata styku. Zbyt duża wartość siły napięcia wstępnego może spowodować to, że działanie obciążenia roboczego nałoży się na obciążenie wstępne i ich sumaryczne działanie może doprowadzić do przekroczenia granicy plastyczności materiału śrub, co w konsekwencji spowoduje nadmierne ich wydłużanie się i w konsekwencji utratę styku.

115 Siła napięcia wstępnego w połączeniu śrubowym jest realizowana za pomocą dokręcającego momentu obrotowego przyłożonego do nakrętki i (lub) łba śruby. Kiedy połączenie jest napięte wstępnie to następuje sprężyste wydłużenie śruby oraz sprężyste ściśniecie elementów łączonych. Zakłada się, że obciążenie to przenoszone jest przez bryłę przestrzenną. strefa przenoszenia obciążenia od napięcia wstępnego

116 Schemat ilustrujący działanie anie napięcia wstępnego w połą łączeniu śrubowym a) b) c) d) 1000 N P<1000 N P>1000 N a) obciążenie zewnętrzne bez napięcia wstępnego; b) napięcie wstępne bez obciążenia zewnętrznego; c) obciążenie zewnętrzne mniejsze od napięcia wstępnego; d) obciążenie zewnętrzne większe od napięcia wstępnego.

117 siła ściskająca elementy łączone obciążenie śruba siła rozciągająca ugięcie β α wydłużenie Odkształcenie śruby i elementów łączonych w zależności od obciążenia można przedstawić w formie wykresów

118 a) wydłużenie śruby b) dodatkowe wydłużenie śruby c) ściśniecie elementów łączonych odciążenie ściśniętych elementów łączonych siła obciążenia podstawowego

119 a) Wykresy odkształce ceń śruby i elementów łączonych siła całkowita obciążająca śrubę b) nie jest suma algebraiczną tych sił obciążenie siła napięcia wstępnego obciążenie dodatkowa siła obciążająca śrubę siła napięcia wstępnego dodatkowa siła odciążająca elementy łączone siła obciążenia podstawowego odkształcenie odkształcenie wydłużenie śruby ściśnięcie elementów łączonych wydłużenie śruby ściśnięcie elementów łączonych a) siła napięcia wstępnego; b) siła napięcia wstępnego oraz siła obciążenia podstawowego

120 Całkowite obciążenie śruby napiętej wstępnie, a potem poddanej działaniu obciążeniu podstawowemu nie jest sumą arytmetyczną tych sił i jest mniejsze od sumy tych sił. Cześć obciążenia podstawowego przejmują elementy łączone, przy czym wartość tego przejęcia zależy od podatności śruby i elementów łączonych.

121 Istotnym czynnikiem poprawnej pracy połączenia śrubowego jest dobór prawidłowej wartości siły napięcia wstępnego (przy zdanej wartości obciążenia podstawowego), ponieważ: zbyt duża jego wartość może spowodować przekroczenie granicy sprężystości materiału śruby, zbyt mała jego wartość może spowodować utratę zacisku resztkowego elementów łączonych.

122 dodatkowa siła obciążająca śrubę obciążenie odpowiadające granicy sprężystości materiału śruby zwiększona siła napięcia wstępnego dodatkowa siła odciążająca elementy łączone siła obciążenia podstawowego wydłużenie śruby ściśnięcie elementów łączonych odkształcenie a) zbyt duża siła napięcia wstępnego; b) zbyt mała siła napięcia wstępnego. dodatkowa siła obciążająca śrubę obciążenie zmniejszona siła napięcia wstępnego obciążenie dodatkowa siła odciążająca elementy łączone siła obciążenia podstawowego wydłużenie śruby ściśnięcie elementów łączonych odkształcenie szczelina miedzy elementami łączonymi

123 ` odkształcenie obciążenie siła napięcia wstępnego zmniejszona na wskutek osiadania odkształcenie złącza wskutek osiadania

124 Całkowita siła P c obciążająca śrubę wynosi: P c = P + χ w ( ) P p (1) gdzie: P w siła napięcia wstępnego, P p siła zewnętrzna (obciążenie podstawowe), χ współczynnik obciążenia podstawowego. Wartość współczynnika obciążenia podstawowego χ można określić za pomocą podatności śruby K s i elementów łączonych K k : K s K k χ (2) = + K k

125 W celu obniżenia wpływu zmiennego obciążenia zewnętrznego na całkowitą siłę obciążającą śrubę należy zmniejszyć współczynnik obciążenia podstawowego χ. Można to osiągnąć poprzez zwiększenie podatności śruby K s i (lub) zmniejszenie podatności elementów łączonych K k (zwiększenie ich sztywności).

126 siła obciążenia podstawowego śruba podatna dodatkowa siła obciążająca śrubę odkształcenie całkowita siła obciążająca śrubę obciążenie siła obciążenia podstawowego siła napięcia wstępnego obciążenie całkowita siła obciążająca śrubę dodatkowa siła obciążająca śrubę śruba sztyw na

127 Zastosowanie stali o zwiększonej wytrzymałości pozwala na zmniejszenie przekroju poprzecznego śrub a tym samym zwiększenie ich podatności K s (śruby elastyczne). l s d r

128 Sposoby zmiany podatności elementów łączonych zmniejszenie podatności elementów łączonych uzyskuje się poprzez zastosowanie sztywnych podkładek o dużej powierzchni oporowej zwiększenie ich podatności poprzez zastosowanie elastycznych przekładek lub wybranie części materiału w kołnierzach

129 Reguła konstruowania połączeń śrubowych z napięciem wstępnym, poddanym obciążeniom zmiennym: sztywne kołnierze nierze - podatne śruby. Reguła konstruowania połączeń śrubowych dla których ma być zapewniona jego szczelność: podatne kołnierze nierze - sztywne śruby.

130

131 Dużą rolę w prawidłowym doborze napięcia wstępnego ma kolejność dokręcania śrub, np. podczas montażu głowic. Niewłaściwa kolejność mogłaby doprowadzić do jej uszkodzenia lub spowodować w niedługim czasie awarię (nieszczelność głowicy), co w rezultacie może doprowadzić do poważnej usterki silnika.

132

133 Metoda ta jest podzielona na cztery etapy dociągania śrub: pierwszy etap to dociąganie wstępne śrub na krzyż w kolejności pokazanej na rysunku, drugi etap dociągania śrub jest w tej samej kolejności jak w etapie pierwszym, lecz ze zwiększonym momentem siły dokręcającej nakrętki

134 Etap trzeci i czwarty są końcowymi w których śruby dociąga się na gotowo, kolejno jedną śrubę po drugiej, zwiększając za każdym razem moment siły dokręcającej nakrętki

135 Podczas dokręcania głowic jednolitych stosuje się dwa sposoby dokręcania:

136

137 Przypadek IV: Śruba obciążona siłą poprzeczną - śruba założona z luzem Przykładem takiego przypadku obciążenia może być np. kołnierz sprzęgła sztywnego. d r P t P t luz

138 Tego rodzaju połączenie przenosi obciążenie za pomocą sił tarcia: μ μ = = w T P N T P r w r k F P = σ Naprężenia rozciągające w rdzeniu śruby wywołane siła napięcia wstępnego wynoszą: Po przekształceniu otrzymuje się: r r w r r w d k P k d P π π (1) (2) (3)

139 Podstawiając zależność (3) do równania (1), otrzymujemy zależność pozwalającą obliczyć obciążalność złącza: P T π k r 4 d 2 r μ

140 Przypadek IV: Śruba obciążona siłą poprzeczną - śruba pasowana P t P t g min d t

141 W danym przypadku trzpień śruby będzie ścinany: τ PT 4 = π d 2 t Połączenie to należy sprawdzić również z warunku na naciski powierzchniowe: k t p = d t P T g min p dop

142 booster case

143

144 LUZOWANIE SIĘ POŁĄ ŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH

145 LUZOWANIE SIĘ POŁĄ ŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH PRZY OBCIĄŻ ĄŻENIACH STATYCZNYCH

146 P d s T

147 Warunek samohamowności złącza śrubowego obciążonego tylko siłą napięcia wstępnego M < odkr M T M odkr moment powodujący odkręcenie nakrętki, M T moment tarcia na gwincie i na powierzchni oporowej.

148 Analiza warunku samohamowności połączenia śrubowego możliwe przyczyny luzowania się połączeń śrubowych: zmiana cech geometrycznych gwintu powodujących zwiększenie podziałki gwintu h, zmiana własności ciernych na powierzchni śruby i nakrętki oraz powierzchni oporowych nakrętki/łba śruby powodujących zmniejszenie współczynników tarcia μ.

149 Zmiana cech geometrycznych gwintu powodujących zwiększenie podziałki gwintu h trwała zmiana długości pracującej części gwintu. Zmianę tę może wywołać: przekroczenie wytrzymałości materiałów elementów złącza na dany rodzaj obciążenia, nadmierne rozszerzenie cieplne śruby.

150 Zmiana własności ciernych na powierzchni śruby i nakrętki oraz powierzchni oporowych nakrętki/łba śruby powodujących zmniejszenie współczynnika μ: działanie czynników destrukcyjnych na powierzchni styku, np. różnego rodzaju oddziaływań korozyjnych, wprowadzenie między współpracujące powierzchnie substancji zmniejszających tarcie.

151 LUZOWANIE SIĘ POŁĄ ŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH PRZY OBCIĄŻ ĄŻENIACH DYNAMICZNYCH

152 obciążenia wzdłużne ruchy nakrętki obciążenia poprzeczne ruchy śruby obciążenia wzdłużne

153 ρ ρ -kąt tarcia

154 Dynamiczne obciążenia poprzeczne ρ brak dynamicznych obciążeń poprzecznych

155 poślizg bloku w wyniku działania dynamicznych obciążeń poprzecznych

156 ZAPOBIEGANIE LUZOWANIU SIĘ POŁĄ ŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH

157 Sposoby przeciwdziałania luzowaniu się połączeń śrubowych Przeciwdziałanietrwałej zmianie długości śruby wzdłuż jej osi Przeciwdziałanie powstawaniu poślizgowi na gwincie Zastosowanie materiału zapewniającego dużą wytrzymałość na rozciąganie Zastosowanie materiału zapewniającego małą odkształcalność cieplną Zastosowanie materiału zapewniającego dużą odporność na zużycie i korozję Zastosowanie odpowiedniej wielkości napięcia wstępnego Przeciwdziałanie powstawaniu zjawiska rezonansu złącza Przeciwdziałanie przemieszczaniu się nakrętek za pomocą wprowadzenia dodatkowych sił

158 PRZECIWDZIAŁANIE ANIE LUZOWANIU SIĘ POŁĄ ŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH ZA POMOCĄ DOBORU ODPOWIEDNIEJ WARTOŚCI NAPIĘCIA WSTĘPNEGO

159 Siły y zewnętrzne możliwe do zastosowania w połą łączeniu śrubowym: tarcia; zjawisko powstawania oporu hamującego ruch nakrętki względem śruby, kształtu nakrętki, łba śruby, elementów łączonych oraz różnego rodzaju elementów dodatkowych; zdolność przenoszenia obciążeń z jednego elementu na drugi uwarunkowane jest istnieniem sił wiążących, które wyzna-czają wewnętrzne i powierzchniowe siły spójności materiału tych elementów, spójno jności (kohezji); wzajemne przyciąganie się cząstek materiału elementów złącza, przyczepności ci (adhezji); łączenie się powierzchniowych gwintu śruby i nakrętki doprowadzonych do zetknięcia.

160 Możliwe metody zabezpieczenia połą łączeń śrubowych przed samoodkręcaniem: zabezpieczenia cierne, zabezpieczenia kształtowe, zabezpieczenia spojeniowe, zabezpieczenia klejone.

161 Zabezpieczenia cierne Zabezpieczenia cierne zwiększenie tarcia na powierzchni oporowej nakrętki (łba śruby) zwiększenie tarcia na powierzchni współpracującego gwintu zwiększenie tarcia na całej powierzchni zwiększenie tarcia na części powierzchni zwiększenie tarcia naciskami osiowymi zwiększenie tarcia naciskami promieniowymi nakrętka (łeb śruby) z zębami ryglującymi podkładka sprężysta ma całym obwodzie miejscowo ma całym obwodzie miejscowo przeciwnakrętka nakrętka ze szczeliną wzdłużną i wkrętem nakrętka stożkowa nakrętka ze wstawka sprężystą nakrętka mimośrodowa nakrętka ze szczelinami poprzecznymi

162 Zabezpieczenia kształtowe towe Zabezpieczenia kształtowe za pomocą elementów o przekroju zbliżonym do kołowego za pomocą elementów o przekroju zbliżonym do prostokątnego umiejscawianych p o- przecznie do osi złącza umiejscawianych wzdłużnie do osi złącza umiejscawianych na p o- wierzchni oporowej umiejscawianych na nakrętce zawleczki, kołki, śruby wkręty, kołki podkładki odginane nakładki

163 a) b) prawidłowo prawidłowo nieprawidłowo nieprawidłowo Rys. 1. Zasady zabezpieczenia drutem; a) zabezpieczenie dwóch śrub; b) zabezpieczenie w przypadku kilku śrub

164 NOWE ROZWIĄZANIA ZANIA W ZAKRESIE ZABEZPIECZEŃ PRZECIWDZIAŁAJ AJĄCYCH LUZOWANIU SIĘ POŁĄ ŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH

165 Spiralock

166 Rozkład nacisków w gwincie gwint standardowy gwint typu Spiralock

167 Step-Lock Bolt nakrętka poślizg γ śruba część płaska część pochylona γ nakrętka śruba brak poślizgu

168 NORD-LOCK α > γ α γ

169 P 1 <P 2 P 1 P 2

170 Double Thread Bolts nakrętka przeciwnakrętka

171 Dobranie wielkości parametrów połączenia śrubowego zapewniającego jego teoretyczną samohamowność nie przeciwdziała jego luzowaniu się w przypadku działania obciążeń dynamicznych. Najbardziej sprzyjające luzowaniu się połączeń śrubowych są dynamiczne obciążenia poprzeczne. Najbardziej skutecznym sposobem przeciwdziałania luzowaniu się połączeń śrubowych jest dobór: odpowiedniej wartości siły napięcia wstępnego, różnorodnego rodzaju zabezpieczeń ciernych i kształtowych.

172 Mechanizm śrubowy Wykorzystanie linii śrubowej mechanizm śrubowy ślimak przekładni ślimakowej śruby złączne

173 Sprawność mechanizmu śrubowego Ogólnie sprawność dowolnego mechanizmu (maszyny) stosunek pracy uzyskanej L u do pracy włożonej L w : η = L L u w

174 Pracy uzyskana L u : L u = P h h P

175 Z trójkąta prostokątnego uzyskamy zależność: h γ πd s tg h γ = h = π d π d s s tg γ

176 Wówczas praca uzyskana L u : L u = P π d tgγ s

177 Z mechaniki ogólnej wiemy, że pracę włożoną L w możemy wyznaczyć z równania dynamicznego ruchu obrotowego ciała sztywnego: gdzie: ϕ L = M d w z ϕ 0 ϕ M z -moment główny sił zewnętrznych względem osi obrotu ciała, ϕ -kąt obrotu

178 W rozważanym przypadku kąt obrotu nakrętki wynosi 2π, zaś moment główny sił zewnętrznych względem osi obrotu ciała: M = H z d s 2 Po podstawieniu uzyskuje się zależność na pracę włożoną L w : L w = π d 2 H s 2

179 Z poprzednich rozważań wiemy jednak, że: H = P tg ( γ + ρ ) Wówczas: L w ( γ + ρ ) d π = P tg s

180 Ostatecznie uzyskujemy następującą zależność na sprawność gwintu η: η = L u = P π d s tg γ L w P tg ( γ + ρ ) d π s Po uproszczeniu zaś: η = tg tg γ ( γ + ρ)

181 Kąt przy którym sprawność η jest największa można znaleźć z warunku: d η = γ d 0 Największą sprawność uzyskuję się dla kąta: ρ γ opt = 45 2

182 100 η [%] 80 granica samohamowności obszar śrub złącznych obszar śrub ruchowych η max 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 tgγ 0 10º 20º 30º 40º 50º kąt pochylenia gwintu γ

183

184