Połączenia odkształceniowe

Transkrypt

1 ołączenia okztałceniowe W połączeniach wału z piatą coraz zerze zatoowanie znajują połączenia okztałceniowe. Do połączeń tych należą głównie: bezpośrenie połączenia wcikowe walcowe bezpośrenie połączenia wcikowe tożkowe połączenia z pośrenimi pierścieniami zacikowymi

2 Walcowe połączenia wcikowe bezpośrenie Walcowe połączenia wcikowe bezpośrenie należą o grupy połączeń poczynkowych. ołączenie obywa ię bez elementu pośreniczącego, zięki tarciu wywołanemu wzajemnemu nacikowi łączonych elementów. Nacik wywołany jet poprzez opowienie tolerowanie wymiarów w ten poób, że wymiar wewnętrzny jenego elementu jet zawze mniejzy o wymiaru zewnętrznego rugiego elementu w połączeniu. Ze wzglęu na poób montażu połączenia wyróżnia ię: ołączenia wtłaczane, które łączy ię przez opowienie zaziałanie iłą, ołączenia kurczowe, rozprężne i kurczowo-rozprężne wykorzytujące rozzerzalność termiczną metali, które łączy ię przez ogrzanie piaty i/lub chłozenie wału, połączenie a natępnie wyrównanie temperatury. ołączenia wtłaczane mogą być rozłączane w poób owrotny o tego, w jaki były łączone. o ponownym ich połączeniu uzykuje ię wcik kuteczny, w przybliżeniu równy poprzeniemu wcikowi. ołączenia wtłaczane można więc kilkakrotnie łączyć i rozłączać bez itotnych zmian ich właściwości w zakreie nośności. Stą połączenia te zaliczane ą o połączeń rozłącznych. Demontaż połączeń kurczowo-rozprężnych w poób owrotny o poobu łączenia jet barzo truny. Najprotzym poobem jet wyciśnięcie elementu wewnętrznego za pomocą pray. Ulegają wówcza znizczeniu uzykane pocza montażu cechy charakteryzujące poób przylegania elementów na powierzchni połączenia, omiennie niż w połączeniu wtłaczanym, gyż pocza kurczowego łączenia elementów wierzchołki nierówności powierzchni jenego elementu wypełniają częściowo wgłębienia nierówności powierzchni rugiego elementu, a pozotała ich część zotaje okztałcona platycznie. Doatkowo, la zwiękzenia wpółczynnika tarcia powierzchnie te czaami pokrywa ię prze montażem pyłem karborunowym, czego nie można zatoować w połączeniu wtłaczanym. Rozłączenie połączenia kurczowo-rozprężnego za pomocą pray nizczy więc opiany mechanizm przylegania powierzchni i częto prowazi o ich zatarcia. onowne połączenie elementów, niezależnie o poobu jego wykonania (przez kurcz lub wtłoczenie), aje jakościowo różne właściwości złącza, zczególnie co o jego nośności. Stą połączenia kurczowo-rozprężne nie mogą być rozłączne i ponownie łączone i w związku z tym zaliczane ą o połączeń nierozłącznych. Wybór określonego rozaju połączenia (wtłaczane lub kurczowo-rozprężne) uzależniony jet m.in. o warunków ekploatacyjnych i naprawczych, np. o możliwości wymiany elementów w trakcie użytkowania przętu. Zaletami połączenia wcikowego ą okłana wpółoiowość łączonych elementów, brak oatkowych elementów pośreniczących w połączeniu, uża obciążalność złącza iłami zmiennymi i uarowymi oraz ograniczenie rogiego wyokogatunkowego materiału użytego o proukcji np. kół zębatych o więkzych śrenicach lub zynowych kół jeznych. Do wa połączenia należy zaliczyć konieczność zachowania użych okłaności wymiarów i małych chropowatości powierzchni, wrażliwość na temperaturę pracy w przypaku łączenia elementów wykonanych z różnych materiałów, możliwość zatarcia pocza montażu oraz koncentracja naprężeń na krawęziach połączenia. Można wyróżnić wa rozaje zaań projektowych połączeń wcikowych: Obliczenie obciążenia potrzebnego o rozłączenia połączenia wcikowego. Obliczenie wymaganej tolerancji wymiarów elementów w połączeniu o zaanym obciążeniu.

3 Obliczenie wymaganej tolerancji wymiarów elementów w połączeniu o zaanym obciążeniu To zaanie kontrukcyjne zazwyczaj polega na oborze opowieniego paowania elementów łączonych przy wcześniejzym przyjęciu wymiarów połączenia (śrenica i ługość). Ewentualne zbyt uże naprężenia w połączeniu wcikanym mogą wymuić konieczność zwiękzenia wymiarów elementów łączonych, bąź obrania innego materiału kontrukcyjnego. Etapy obliczeń ą natępujące:. Obliczenie wkaźników śrenicowych łączonych elementów. Określenie rozaju obciążenia i obliczenie nacików powierzchniowych w połączeniu 3. Określenie wciku wymaganego i montażowego zmniejzenia wciku 4. Określenie ochyłek wymiarów wewnętrznego i zewnętrznego oraz obór paowania 5. Obliczenie obciążenia opuzczalnego oraz poobu montażu

4 Obliczenie wkaźników śrenicowych łączonych elementów x x x x x x gzie: śrenica połączenia wcikowego, śrenica rążenia w wale, śrenica zewnętrzna oprawy. Wpółczynniki x i x nozą nazwę wpółczynników wyrążenia wału i oprawy w połączeniu wcikowym.

5 Określenie rozaju obciążenia i obliczenie nacików powierzchniowych w połączeniu wcikowym ołączenie wcikowe może być obciążone w różny poób. W zależności o rozaju obciążenia, naciki powierzchniowe mięzy elementami łączonymi mogą być obliczone z natępujących zależności: Dla połączenia wcikowego obciążonego iłą oiową: k pmin l Dla połączenia wcikowego obciążonego momentem kręcającym: k M pmin l Dla połączenia wcikowego obciążonego iłą oiową i momentem kręcającym: M k pmin l Dla połączenia wcikowego obciążonego momentem gnącym: 3 M g pmin l f gzie: k bezwymiarowy wpółczynnik nawyżek ynamicznych przyjmowany w zakreie,5,0, iła oiowa, obciążająca połączenie wcikowe w [N], l ługość połączenia wcikowego w [m], śrenica połączenia wcikowego w [m], μ wpółczynnik tarcia mięzy powierzchniami połączenia, M S moment kręcający obciążający połączenie wcikowe w [Nm], M g moment gnący obciążający połączenie wcikowe w [Nm], f wpółczynnik nierównomierności rozkłau nacików przyjmowany w granicach 0,6 0,8.

6 Wytępujący w powyżzych wzorach wpółczynnik tarcia μ w połączeniach wcikowych może zawierać ię w zerokim zakreie i zależy o zeregu czynników, m.in. o materiałów kojarzonej pary elementów, meto obróbki, tanu i jakości powierzchni, rozaju zatoowanego śroka marującego, kierunku ziałania obciążenia (oiowy, obwoowy), poobu montażu (wtłoczenie, kurcz) oraz rozaju okonywanego zabiegu (łączenie, rozłączanie). W praktyce obliczeniowej przyjmuje ię śrenie wartości wpółczynnika tarcia μ, charakterytyczne la zabiegu rozłączania za pomocą pray, przy utalonych parametrach proceu poślizgu.

7 Określenie wciku wymaganego oraz montażowego zmniejzenia wciku Wcik wymagany la połączenia wcikowego oblicza ię z natępującej zależności: gzie: W min E p E min Wmin wcik minimalny, pozwalający na przenieienie wymaganego obciążenia w połączeniu wcikowym w [m], liczba oiona la materiału wału [-], liczba oiona la materiału oprawy [-], wkaźnik śrenicowy wału [-], wkaźnik śrenicowy oprawy [-], E mouł Younga la materiału wału w [a], E mouł Younga la materiału oprawy w [a], śrenica połączenia wcikowego w [m], p min minimalne naciki powierzchniowe w połączeniu w [a]. ocza łączenia elementów wierzchołki nierówności powierzchni elementów ulegają trwałemu okztałceniu (platycznemu), latego też rzeczywity najmniejzy wcik powinien być więkzy o obliczonego właśnie o wielkość wpomnianych okztałceń. Minimalny wcik mierzony można wyznaczyć z natępującej zależności: gzie: Wmin RZ Wmin a( Rz Rz) Wmin RZ minimalny wcik mierzony w [m], a wpółczynnik określający topień okztałceń platycznych pocza montażu, najczęściej przyjmowany w granicach 0,4 0,6, Rz, Rz parametr chropowatości powierzchni wałka i oprawy, przyjmowany z poniżzej tabeli Ra [μm] 0,05 0, 0, 0,4 0,8,6 3, 6,3,5 Rz [μm] 0, 0,4 0,8,6 3, 6,3, Toczenie b. okłane okłane Szlifowanie b. okłane okłane olerowanie b. okłane okłane

8 Określenie ochyłek wymiarów wewnętrznego i zewnętrznego oraz obór paowania Znajomość śrenicy połączenia wcikowego oraz rzeczywitego wciku minimalnego Wmin RZ pozwala na obór opowieniego paowania cianego. aowanie mui być tak obrane, aby jego wcik minimalny był więkzy bąź równy Wmin RZ. Aby tego okonać, w pierwzej kolejności obierana jet tolerancja otworu (w przypaku paowania na zaazie tałego otworu) o klaie okłaności, opowiaającej zatoowanej obróbce i położeniu pola tolerancji H. Znajomość tej ochyłki, oraz Wmin RZ pozwala na obliczenie ochyłki olnej la wałka (ei), która z kolei pozwala na określenie położenia pola tolerancji la wałka. rzyjmuje ię przy tym zaaę, że klaa okłaności la wałka jet zawze wyżza lub równa klaie otworu. Luz makymalny (Lmax): Lmax = Wmin = Bo Aw = ES ei Luz minimalny (Lmin): Lmin = Wmax = Ao Bw = EI e Wcik makymalny (Wmax): Wmax = Lmin = Bw Ao = e EI Wcik minimalny (Wmin): Wmin = Lmax = Aw Bo = ei ES gzie: Bw wymiar makymalny wałka, Bo wymiar minimalny wałka, Aw wymiar makymalny otworu, Ao wymiar minimalny otworu, ES ochyłka górna la wymiaru wewnętrznego, e ochyłka górna la wymiaru zewnętrznego, EI ochyłka olna la wymiaru wewnętrznego, ei ochyłka olna la wymiaru zewnętrznego

9 rzykła: Na potawie obliczeń uzykano Wmin RZ = 5 μm, a śrenica połączenia wynoi = 45mm rzyjmując zaaę paowania weług tałego otworu, oraz że powierzchnie elementów bęą zlifowane obieram z tolerancję wymiaru otworu H7. Na potawie anych z tabeli oczytuję, że la wymiaru 45H7 wartości ochyłek ą natępujące: ES = +5 μm, EI = 0 μm. Na potawie zależności Wmin = Lmax = Aw Bo = ei ES mogę obliczyć: ei = Wmin RZ + ES = = 40 μm. Sprawzam w tabeli, że la tolerancji H7, powinno ię przyjmować 6 lub 7 klaę okłaności wymiaru wałka, przy paowaniu cianym. Dobieram tolerancję wałka z tabeli, la której ochyłka ei jet więkza o obliczonej. Dla tego przypaku bęzie to tolerancja 6, la której wartości ochyłek, la wymiaru 45mm ą natępujące: e = +59 μm, ei = +43 μm. A więc ei > 40 μm. Otatecznie obrany wymiar połączenia wcikowego to: 45H7/6

10 Tablice najczęściej toowanych paowań wymiarów o 0 o 500mm aowania weług zaay tałego otworu luźne miezane ciane H5 H6 H7 H8 H9 H0 H H H5/g6 H6/f6 H7/c8 H8/c8 H9/9 H0/0 H/a H/b H5/h4 H6/g5 H7/8 H8/8 H9/e8 H0/h9 H/b H/h H6/h5 H7/e8 H8/9 H9/e9 H0/h0 H/c H7/f7 H8/e8 H9/f8 H/ H7/g6 H8/e9 H9/f9 H/h H7/h6 H8/f8 H9/h8 H8/f9 H9/h9 H8/h7 H8/h8 H8/h9 H5/j4 H6/j5 H7/j6 H8/j7 H5/k4 H6/k5 H7/k6 H8/k7 H5/m4 H6/m5 H7/m6 H8/m7 H5/n4 H6/n5 H7/n6 H8/n7 H6/p5 H7/p6 H8/7 H6/r5 H7/r6 H8/u8 H6/5 H7/6 H8/x8 H7/7 H8/z8 H7/t6 H7/u7 aowania weług zaay tałego wałka luźne miezane ciane h4 h5 h6 h7 h8 h9 h0 h h G5/h4 F7/h5 D8/h6 D8/h7 D8/h8 D9/h9 D0/h0 A/h B/h H5/h4 G6/h5 E8/h6 E8/h7 D9/h8 D0/h9 H0/h0 B/h H/h H7/h5 F7/h6 F8/h7 E8/h8 E9/h9 C/h F8/h6 H8/h7 E9/h8 F9/h9 D/h G7/h6 F8/h8 H8/h9 H/h H7/h6 F9/h8 H9/h9 H8/h8 H0/h9 J5/h4 J6/h5 J7/h6 J8/h7 K5/h4 K6/h5 K7/h6 K8/h7 M5/h4 M6/h5 M7/h6 M8/h7 N5/h4 N6/h5 N7/h6 N8/h7 6/h5 7/h6 U8/h7 R7/h6 S7/h6 H9/h8

11 Ochyłki H6-H4 la tolerowanych wymiarów wewnętrznych o o 500mm Wymiar nominalny powyżej o mm H6 H7 H8 H9 H0 H H H3 H4 ochyłka μm ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES ES

12 Ochyłki 5-0 i t5-t9 la tolerowanych wymiarów zewnętrznych o o 500mm Wymiar nominalny powyżej o mm ochyłka t5 t6 t7 t8 t9 μm e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei

13 Ochyłki n5-n7, p5-p8 i r5-r8 la tolerowanych wymiarów zewnętrznych o o 500mm Wymiar nominalny powyżej o mm ochyłka n5 n6 n7 p5 p6 p7 p8 r5 r6 r7 r8 μm e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei

14 Ochyłki u5-u la tolerowanych wymiarów zewnętrznych o o 500mm Wymiar nominalny powyżej o mm ochyłka u5 u6 u7 u8 u9 u0 u μm e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei

15 Ochyłki x6-x i z6-z9 la tolerowanych wymiarów zewnętrznych o o 500mm Wymiar nominalny powyżej o mm ochyłka x6 x7 x8 x9 x0 x z6 z7 z8 z9 μm e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei e ei

16 Obliczenie obciążenia opuzczalnego oraz poobu montażu Otatnim etapem projektowania połączenia wcikowego jet prawzenie, czy elementy połączenia wytrzymają naprężenia makymalne. Obliczenia okonuje ię z natępującego warunku: gzie: p min Wmax E E p op Wmax wcik makymalny w połączeniu wcikowym, obliczony na potawie obranego paowania w [m], liczba oiona la materiału wału [-], liczba oiona la materiału oprawy [-], wkaźnik śrenicowy wału [-], wkaźnik śrenicowy oprawy [-], E mouł Younga la materiału wału w [a], E mouł Younga la materiału oprawy w [a], op naprężenia opuzczalne la łabzego materiału pośró łączonych elementów. W przypaku montażu elementów połączenia wcikowego za pomocą wtłaczania należy obliczyć iłę potrzebną o wtłoczenia elementów: gzie: l p min l ługość połączenia wcikowego w [m], śrenica połączenia wcikowego w [m], μ wpółczynnik tarcia mięzy powierzchniami połączenia W przypaku montażu kurczowego elementów w połączeniu wcikowym należy ogrzać oprawę lub oziębić wałek. W takim przypaku konieczne jet obliczenie wymaganej temperatury: gzie: T Wmax L T O L luz montażowy w [m], wpółczynnik rozzerzalności termicznej materiału ogrzewanego lub oziębianego w [/K], To temperatura otoczenia w [K].

17 Stożkowe połączenia wcikowe bezpośrenie ołączenia tożkowe bezpośrenie uzykuje ię na roze wykonania czopa i otworu elementu na nim oazonego w kztałcie tożków o jenakowej zbieżności. Itotną zaletą tego typu połączeń jet możliwość regulacji naciku na tożkowej powierzchni połączenia zięki toowaniu opowieni obranych ił wcikających czop w otwór elementu zewnętrznego (piaty lub gniaza). rzy okłanym wykonaniu powierzchni tożkowych zapewnia ię ponato obre śrokowanie oazonego na czopie elementu, co jet niezwykle itotne w buowie precyzyjnych mazyn i urzązeń technicznych, zczególnie obrabiarek. onato złącza te w porównaniu z połączeniami wcikowymi walcowymi wymagają pocza łączenia i rozłączania znacznie mniejzych wzajemnych przeunięć elementów. Mniejza jet również iła niezbęna o rozłączania, zależna o kąta tożka. W buowie mazyn połączenia tożkowe bezpośrenie pełniają najczęściej rolę ciernych połączeń zacikowych, których zaaniem jet przenieienie obciążenia z wału na oazony na nim element wirujący, jakim ą koła zębate, paowe, łańcuchowe i inne. Koła te oazone ą przeważnie na końcowych (rzaziej śrokowych) czopach wału. W itniejących kontrukcjach oberwuje ię ość częto toowanie zabezpieczeń w potaci np. wputów pryzmatycznych lub czółenkowych. Zaaniczą cechą geometryczną połączenia tożkowego jet jego zbieżność, która określana jet wzorem: z tg l

18 Zbieżność zazwyczaj poaje ię w potaci: z :, np. :3, :0 itp. ołączenia tożkowe o opowienio małych zbieżnościach charakteryzują ię amohamownością, wytępującą wówcza, gy półkąt tożka θ jet mniejzy o kąta tarcia ρ. Samohamowność umożliwia oazenie w tożkowych gniazach m.in. wrzecion obrabiarek różnego rozaju narzęzi, jak wierteł, rozwiertaków itp., bez żanych uzupełniających elementów mocujących. rzy oborze kąta θ należy zwrócić jenak uwagę na fakt, że rozłączenie połączenia amohamownego wymaga znacznie więkzej iły. Stą, przy przewiywanej użej czętości rozłączania połączenia tożkowego należy uwzglęnić również to, że im więkzy kąt θ, tym łatwiejzy i protzy emontaż połączenia. Wymagany zacik połączenia tożkowego powtaje na kutek iły oiowej wywoływanej najczęściej przez okręcenie nakrętki znajującej ię na nagwintowanym końcu czopa. Stoując połączenie tożkowe należy przeprowazić natępujące obliczenia: Określić iłę oiową potrzebną o wywołania ił tarcia przenozących zaany moment kręcający. Określić naciki pomięzy czopem i piatą i prawzić. Czy nie przekraczają nacików opuzczalnych. Określić wielkość gwintu, który przenieie obliczoną wcześniej iłę oiową.

19 rzenozony moment kręcający mui być mniejzy o momentu tarcia: co R N obw t M M tg( ) R W co ) tg( W M W M co ) tg( Wpółczynnik tarcia μ określamy analogicznie jak w przypaku walcowych połączeń wcikowych. Naciki w połączeniu obliczamy w przybliżeniu, przyjmując jenorony rozkła nacików na całej powierzchni tyku i zatępując powierzchnię tożkową walcem: op W R R p l l F p tg( ) Wielkość gwintu określamy przez obliczenie śrenicy rzenia śruby, ze wzglęu na rozerwanie iłą w : r W r k i obranie najbliżzego znormalizowanego gwintu metrycznego. Grubość piaty (jej zewnętrzną śrenicę) określamy weług warunku: 3 p M c g gzie: M [Nm] g p [mm] c przyjmujemy 4,5-6,5 la piat żeliwnych, 3,9-5,6 la piat talowych i taliwnych MATERIAŁY DLA DOCIEKLIWYCH: Anrzej Krukowki, Jan Tutaj, ołączenia okztałceniowe, WN, eria wyawnicza KM