Moduł 1. Połączenia maszynowe

Transkrypt

1 Moduł 1 Połączenia maszynowe 1. Rodzaje, charakterystyka i zastosowanie połączeń wciskowych. Rodzaje, charakterystyka i zastosowanie połączeń kształtowych

2 1. Rodzaje, charakterystyka i zastosowanie połączeń wciskowych Połączenie wciskowe powstaje w wyniku montażu części o większym wymiarze zewnętrznym (np. czopa wałka) z częścią obejmującą (oprawą) o mniejszym wymiarze wewnętrznym. Rys Powstawanie połączenia wciskowego. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa, 01. Podstawowym parametrem charakteryzującym połączenie wciskowe jest wcisk N (ujemny luz), który definiowany jest jako dodatnia różnica wymiarów średnic wałka (dz) i otworu w oprawie (Dw) przed ich połączeniem: N d z D w Połączenia wciskowe należą do połączeń spoczynkowych bezpośrednich lub pośrednich. Rys. 1.. Połączenia wciskowe: a) bezpośrednie, b) pośrednie. Połączenia wciskowe uzyskuje się przez wtłoczenie czopa o większym wymiarze zewnętrznym w piastę o mniejszym wymiarze zewnętrznym za pomocą młotka lub prasy (połączenie wtłaczane) lub z zastosowaniem odpowiednich zabiegów cieplnych przed montażem: podgrzanie oprawy (połączenie skurczowe), oziębienie czopa wału (połączenie rozprężne), jednoczesne oziębianie czopa i podgrzanie oprawy (połączenie kombinowane).

3 Zabiegi termiczne, w odniesieniu do łączonych elementów, mogą być wykonywane także podczas demontażu połączenia, chociaż połączenie wciskowe jest uznawane generalnie jako nierozłączne. Rys Przykłady połączeń wciskowych. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa, 01. Połączenia wtłaczane są stosowane do m.in. łączenia korby z wałem i czopem korbowym, w połączeniach wielokrotnie rozłączanych, np. w wykrojnikach, do osadzania kół na wałach lub tulejek w różnych częściach maszyn itp. Połączenia skurczowe stosuje się przede wszystkim w połączeniach nierozłącznych, np. do osadzania wieńców uzębionych w kołach zębatych, obręczy na kołach jezdnych, tulei na wałkach. Dzięki połączeniom skurczowym możliwe są oszczędności materiałowe np. można wykonać tylko wieniec koła zębatego ze stali stopowej, a piastę koła z żeliwa lub stali niższej jakości. Projektowanie połączeń wciskowych Podczas montażu połączenia w obu częściach powstają odkształcenia sprężyste, wywołujące docisk na powierzchniach styku. Dzięki temu jest możliwe przenoszenie obciążeń w postaci siły wzdłużnej, momentu obrotowego lub obu obciążeń jednocześnie. Rys Przenoszenie obciążeń w postaci siły a)wzdłużnej, b)momentu obrotowego c) obu jednocześnie. 3

4 W zależności od założeń można wyznaczyć: minimalne wymiary geometryczne powierzchni wcisku, gdy jest znana wartość obciążenia połączenia, maksymalną wartość obciążenia, jaką przeniesie połączenie, gdy są narzucone wymiary powierzchni styku wynikające z założeń konstrukcyjnych. Tabela 1.1. Orientacyjne wartości współczynników tarcia μ przy obliczaniu połączeń wciskowych Połączenie wtłaczane Połączenie skurczowe Materiał części Zastosowanie wartości współczynnika μ łączonych smaru obliczeniowe przy montażu przy demontażu obliczeniowe przy demontażu stal lub olej maszynowy 0,06 0,15 0,0 - - staliwo 0,08 0,0 0,5 0,14 0,40 stal żeliwo bez 0,08 0,14 0,16 0,08 0,18 mosiądz, smarowania brąz 0,05 0,10 0,1 0,06 0,5 Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Wartość siły tarcia na powierzchniach styku łączonych części musi być większa od przenoszonego obciążenia. W przypadku przenoszenia siły wzdłużnej musi być zachowana nierówność: T p d l F, a w przypadku obciążenia złącza momentem skręcającym, nierówność: T 0,5 p d l Ms gdzie: μ obliczeniowy współczynnik tarcia (tabela 1.6), p najmniejszy wymagany nacisk jednostkowy na powierzchni styku [MPa], d l pole walcowej powierzchni styku [mm ]. Na podstawie tych zależności oblicza się wartość minimalnego wcisku jednostkowego p, zapewniającego prawidłową pracę połączenia: F p d l lub Ms p. d l Przed przystąpieniem do obliczeń wytrzymałościowych należy przyjąć: materiał wszystkich elementów połączenia, wymiary geometryczne. Aby sprawdzić pod względem wytrzymałościowym elementy połączenia, należy określić maksymalne naprężenia występujące w każdym z nich. Naprężenia te zależą od wartości nacisków powierzchniowych wywołanych siłami docisku, ale także od wymiarów geometrycznych, tj. średnic pierścieni łączonych elementów. 4

5 Rys Wymiary elementów w połączeniu wtłaczanym. Maksymalną wartość wcisku, jaką przeniesie obciążenie bez uszkodzeń jego elementów obliczyć można z zależności: c 1 c N p max d E1 E gdzie: pmax - naciski dopuszczalne słabszego materiału połączenia [MPa], E1, E moduły Younga dla materiału czopa 1 i oprawy [MPa], d średnica nominalna, równa w przybliżeniu średnicy walcowej powierzchni styku po wykonaniu połączeń [mm], c1, c współczynniki: c , c 1 1 1, 1 gdzie: ν1, ν liczba Poissona dla materiału czopa 1 i oprawy, Δ1, Δ współczynnik wydrążenia dla czopa 1 i oprawy : d w1 1 d, d. Dz Aby ustalić minimalną wartość wcisku, niezbędną do przeniesienia danego obciążenia, należy do wzoru na wcisk maksymalny wstawić wartość nacisków obliczonych dla obciążenia rzeczywistego, tzn. c 1 c N pd E1 E Zawsze należy sprawdzić oba warunki (na wcisk minimalny i maksymalny) po ustaleniu pasowania. Naciski dopuszczalne oblicza się z zależności podanych w tabeli 1.. 5

6 Tabela 1.. Dopuszczalne naciski powierzchniowe p max w połączeniach wciskowych Czop Oprawa Materiał pełny wydrążony p max = plastyczny 0, R 0, R kruchy k R e k e Rm R 3 5; dla żeliwa: m 0, 8 x R c m Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. e e 1 ke 0, Obliczona wartość wcisku jest montażowym wciskiem skutecznym. Wcisk rzeczywisty N musi być jednak większy, bo musi uwzględnić chropowatość łączonych powierzchni: ' N N 1, R z1 Rz gdzie: Rz1, Rz wysokość chropowatości powierzchni czopa 1 i oprawy [μm]. Na podstawie wartości N dobiera się takie pasowanie, aby Nmin > N. W zależności od założeń konstrukcyjnych zaleca się stosowanie pasowań: według zasady stałego otworu H/s, H/t, H/u, H/x oraz H/z, według zasady stałego wałka S/h, U/h, T/h, w 6 8 klasie dokładności wykonania. Tabela 1.3. Zalety i wady połączeń wciskowych ZALETY współosiowość łączonych części, brak elementów dodatkowych (w połączeniach bezpośrednich), proste i tanie wykonanie, duża obciążalność złącza, możliwość łączenia różnych grup materiałów, brak karbu. k r R R WADY konieczność zachowania dużych dokładności i małych chropowatości, znaczne naprężenia montażowe, wrażliwość na temperaturę pracy przy różnych materiałach łączonych, trudność uzyskania żądanego wcisku, konieczność stosowania dodatkowych zabezpieczeń przy przewidywanych przeciążeniach o nieustalonej wartości, nierozłączność połączenia (zwłaszcza przy dużych wciskach), krawędziowe koncentracje naprężeń. Źródło: m c 6

7 . Rodzaje, charakterystyka i zastosowanie połączeń kształtowych W połączeniach kształtowych łączenie współpracujących części oraz ustalanie ich wzajemnego położenia uzyskuje się poprzez: odpowiednie ukształtowanie ich powierzchni (połączenia bezpośrednie), zastosowanie dodatkowych łączników (połączenia pośrednie). Rys Klasyfikacja połączeń kształtowych. Podstawowym zadaniem połączeń kształtowych jest przenoszenie obciążeń (siły wzdłużnej, poprzecznej lub momentu skręcającego) działających na łącznik. W zależności od rodzaju połączenia łączniki (wpusty, kołki, sworznie, kliny) spełniają również dodatkowe zadania, tj.: kasowanie luzów, osiowanie elementów połączenia, umożliwienie przesuwania elementów względem siebie, zapewnienie powtarzalności położenia łączonych elementów w przypadku wielokrotnego demontażu i montażu. 7

8 Rys Połączenia kształtowe: a) wpustowe, b) wielowypustowe, c) kołkowe, d) sworzniowe, e) klinowe wzdłużne, f) klinowe poprzeczne. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Połączenie wpustowe służy do osadzania na wałach różnych części maszyn (kół zębatych, pasowych itp.). Na wale i w otworze części osadzanej (w piaście koła) są wykonane odpowiednie rowki, w które jest wprowadzany wpust. Zasadniczym zadaniem wpustów jest przenoszenie momentu obrotowego z wału na współpracującą część maszynową lub odwrotnie. Rys Połączenie wpustowe. Źródło: 8

9 Rys Rodzaje wpustów: a) pryzmatyczne: pełne, otworowe i wyciskowe, b) czółenkowe, c) czopkowe. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Wpusty pryzmatyczne zaokrąglone stosuje się przy rowkach nieprzelotowych, natomiast wpusty ścięte przy przelotowych. Jedno- lub dwuotworowe wpusty przykręca się do wału. Wpusty te stosuje się tylko w połączeniach przesuwnych, w których jest konieczne zabezpieczenie wpustu przed wysuwaniem w czasie pracy. W celu ułatwienia wyjmowania z rowków ciasno pasowanych stosuje się wpusty wyciskowe z otworem gwintowanym. W przypadku wpustów otworowych wyciskowych można wykorzystać wkręty stosowane do ich mocowania. Wpusty czółenkowe stosuje się w przypadku niewielkich obciążeń i średnic czopa d 58 mm, ponieważ rowek pod ten wpust znacznie osłabia wał. Są one łatwe do montażu i wykonania, ponieważ są cięte z krążków. Wpusty czopkowe stosuje się wtedy, gdy jest konieczne ze względów konstrukcyjnych powiązanie wpustu z piastą. 9

10 Rys Przykłady zastosowania wpustu: a) pryzmatycznego, b) czółenkowego. W połączeniach spoczynkowych wpusty osadza się ciasno w rowkach (N9/h9 lub P9/9), natomiast w połączeniach ruchowych, gdzie należy zapewnić swobodne przesuwanie kół wzdłuż wału pasowanie ciasne na wale i luźne w piaście koła D10/h9). Wpusty nie zapewniają osiowania, dlatego należy stosować dość ciasne pasowanie czopa z otworem w piaście. W połączeniach spoczynkowych jest konieczne również ustalanie położenia części w kierunku wzdłużnym, ponieważ wpusty nie zabezpieczają osadzanych części przed przesunięciami wzdłużnymi. Projektowanie połączeń wpustowych Rys Obciążenie wpustu. Wymiary poprzeczne wpustów pryzmatycznych (bxh) dobiera się z normy w zależności od średnicy czopa wału. Połączenie wpustowe przenosi moment obrotowy (skręcający) poprzez nacisk powierzchniowy między wpustem a rowkami w czopie i w piaście. F p ko h lo n gdzie: F siła obwodowa [N], M F d M moment obrotowy [Nm], d średnica czopa wału [m], 10

11 h czynna wysokość wpustu (t1) [mm], l0 czynna długość wpustu [mm], ko dopuszczalne naciski powierzchniowe dobierane z tabeli 1.9 [MPa]. Tabela 1.4. Dopuszczalne naciski powierzchniowe w połączeniach kształtowych Rodzaj połączenia Warunki pracy I II III współczynnik z Spoczynkowe 0,35 0,60 0,80 Przesuwne bez obciążenia 0,15 0,5 0,30 Przesuwne lub obrotowe (wahliwe) pod obciążeniem * 0,03 0,06 0,10 *) dotyczy przypadku, gdy powierzchnie robocze czopa wału lub sworznia są ulepszone cieplnie lub hartowane Warunki pracy: I ciężkie: obciążenia zmienne o cyklu wahadłowym, uderzeniowe, drgania o dużej częstotliwości i amplitudzie, powierzchnie niedostatecznie smarowane (w połączeniach przesuwnych) itp. II średnie: obciążenia zmienne, minimalne drgania, przeciętne smarowanie, przeciętna obróbka powierzchni itp. III lekkie: obciążenia jednokierunkowe, dobre smarowanie, dokładna obróbka i mała chropowatość. ko = z kc, gdzie z współczynnik zależny od warunków pracy oraz uwzględniający pominięcie w obliczeniach ścięć i promieni (zwykle 0,3 0,5 mm). kc naprężenia dopuszczalne (dla materiału słabszego elementów współpracujących). Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Ponieważ wymiary przekroju wpustu dobiera się z norm, zatem obliczanie wpustów z warunku wytrzymałościowego polega tylko na ustaleniu ich długości. Dla wpustu pryzmatycznego zaokrąglonego długość obliczeniowa wpustu nie jest równa jego całkowitej długości: l = lo + b gdzie: b szerokość wpustu. Dla wpustu pryzmatycznego ściętego długość wpustu jest równa długości obliczeniowej: l = lo Rys Wymiary przekroju wpustu. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa

12 Całkowitą długość wpustu zaokrągla się w górę do wartości podanych w normie. Wpusty wykonuje się z materiału o mniejszej wytrzymałości niż materiał, z jakiego są wykonane elementy połączenia. Najczęściej jest to stal niestopowa ogólnego przeznaczenia np. St6 lub St7. Połączenie wielowypustowe jest połączeniem kształtowym, najczęściej stosowanym w budowie maszyn. Należy ono do połączeń bezpośrednich. Na czopie wału są wykonane występy (wypusty), które pracują razem z odpowiednimi rowkami w piaście. W porównaniu z wpustowymi charakteryzują się one: większą obciążalnością, zapewnieniem współosiowości łączonych elementów, mniejszymi naciskami jednostkowymi, zmniejszeniem oporów tarcia przy przesuwaniu elementów w połączeniach ruchowych, mniejszymi wymiarami długościowymi. Rys Połączenia wielowypustowe ogólnego przeznaczenia: a) prostokątne, b) zębate ewolwentowe, c) wielokarbowe. Najczęściej stosuje się połączenia wielowypustowe równoległe o prostokątnym zarysie rowków. Występują one w trzech seriach: lekkiej, średniej i ciężkiej. Normy określają wymiary wielowypustów serii lekkiej (połączenia spoczynkowe) oraz serii średniej (połączenia ruchowe). Wypusty w serii średniej są wyższe o 1,5 mm niż dla wysokości przyjętych dla serii lekkiej. Seria ciężka nie jest objęta normą; charakteryzuje ją większa wysokość i stosowana jest przy bardzo dużych obciążeniach o zmiennym kierunku i dużej częstotliwości zmian. W połączeniach wielowypustowych równoległych istnieją trzy rodzaje osiowań: a) na wewnętrznej średnicy d stosowane w połączeniach dokładnych, przy wpustach utwardzonych, przeważnie w produkcji małoseryjnej; b) na zewnętrznej średnicy D stosowane w połączeniach spoczynkowych i średnio dokładnych połączeniach ruchowych, przy wypustach miękkich; c) na bokach wypustów stosowane w połączeniach ruchowych przy częstych zmianach kierunku obciążenia. 1

13 Rys Rodzaje osiowań w połączeniach wielowypustowych: a) na wewnętrznej średnicy, b) na zewnętrznej średnicy, c) na bokach wypustów. Żródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Połączenia zębate ewolwentowe są coraz częściej stosowane w produkcji wielkoseryjnej ze względu na możliwość wykorzystania typowych obrabiarek do kół zębatych. W porównaniu z połączeniami o wypustach prostokątnych charakteryzują się większą wytrzymałością. Połączenia wielokarbowe mają nacięte kilkadziesiąt drobnych wypustów trójkątnych, zatem tylko nieznacznie osłabiają wytrzymałość czopa. Stosowane są najczęściej w połączeniach spoczynkowych o niewielkiej dokładności osiowania. Projektowanie połączeń wielowypustowych równoległych Średnicę wewnętrzną d wału wielowypustowego wyznacza się na podstawie obliczeń wytrzymałościowych wału, pomijając istnienie wypustów. Pozostałe wymiary wielowypustu (średnica zewnętrzna D, szerokość wypustów b oraz liczba wypustów n) dobiera się z normy. Rys Podstawowe wymiary wielowypustu. Długość czynną wielowypustu oblicza się z warunku wytrzymałościowego na naciski powierzchniowe: F p ko 0,75ho lo n 13

14 gdzie: F siła obwodowa [N], 4Mo F D d ho wysokość powierzchni styku jednego wypustu z piastą [mm], Dd h o lo czynna długość styku wypustu z piastą [mm], n ilość wypustów, ko naciski dopuszczalne (dla słabszego materiału) [MPa]. Wartość nacisków dopuszczalnych oblicza się na podstawie tabeli 1.9. Połączenia kołkowe należą do połączeń rozłącznych pośrednich. Elementem łączącym jest kołek. Kołki to elementy w kształcie walca lub stożka o dość dużej długości w stosunku do ich średnicy (d l 0d). W zależności od przeznaczenia rozróżnia się kołki: a) ustalające służące do wzajemnego ustalenia położenia łączonych części (nie oblicza się); b) złączne przenoszące określone obciążenia (oblicza się z warunków na ścinanie oraz na naciski powierzchniowe), Rys Rodzaje kołków: a) ustalające, b) złączne. Źródło: Rys Rodzaje kołków: a) walcowy, b) stożkowy, c) stożkowy z czopem gwintowanym, d) karbowy, e) rozcięty. 14

15 Kołki walcowe i stożkowe są powszechnie stosowane w połączeniach spoczynkowych i ruchowych. W połączeniach wielokrotnie rozłączanych stosuje się częściej kołki stożkowe, ponieważ ich montaż jest łatwiejszy. Kołki stożkowe z czopem gwintowanym lub gwintem wewnętrznym stosuje się w przypadkach utrudnionego demontażu (np. podczas wybijania kołka z otworów nieprzelotowych). Kołki karbowe o karbach (sprężystych zgrubieniach) wykonanych na całej lub na pewnej długości, stosuje się przy niewielkiej dokładności wzajemnego ustawienia łączonych części, przeważnie w konstrukcjach drobnych. Kołki sprężyste, zwijane z taśmy sprężynowej, są stosowane przy przenoszeniu obciążeń udarowych. Połączenia kołkowe dzielą się na spoczynkowe i ruchowe. Rys Połączenia kołkowe spoczynkowe: a) wzdłużne, b) promieniowe, c) styczne. Połączenia kołkowe spoczynkowe z kołkami złącznymi stosowane są zamiast połączeń wpustowych lub klinowych, ponieważ ich wykonanie jest tańsze. Niewielki przekrój pracujący kołków powoduje, że połączenia te mogą przenosić tylko niewielkie obciążenia, co znacznie ogranicza ich zastosowanie. Połączenia kołkowe ruchowe stosuje się przy wymaganym względnym ruchu współpracujących części, np. przy przesuwie drążka w tulei (połączenie suwliwe), 15

16 w połączeniu przegubowym (połączenie wahliwe), do unieruchomienia grzybka zaworu przy obracającym się wrzecionie (połączenie obrotowe). Rys Połączenia kołkowe ruchowe: a) przesuwne, b) wahliwe, c) obrotowe. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa, 01. Projektowanie połączeń kołkowych Wymiary kołków ustalających i większości kołków złącznych są ustalane tylko konstrukcyjnie, bez wykonywania obliczeń wytrzymałościowych. W niezbędnych przypadkach kołki sprawdza się z warunków na ścinanie i na naciski powierzchniowe. Wartość naprężeń dopuszczalnych oblicza się podobnie jak dla innych połączeń kształtowych z tabeli 1.9. Połączenia sworzniowe należą do połączeń rozłącznych pośrednich. Elementem łączącym jest sworzeń. Sworzeń to w zasadzie grubszy kołek walcowy, zabezpieczony przed wysunięciem z części łączonych. Wyróżnia się następujące rodzaje sworzni znormalizowanych: a) bez łba, b) z łbem walcowym, c) z czopem gwintowanym, d) noskowe. Rys Rodzaje sworzni. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. W budowie maszyn często stosuje się również nieznormalizowane sworznie drążone, które stosowane są m.in. do łączenia tłoka z korbowodem w silniku spalinowym. Sworznie przed przesunięciem wzdłużnym (osiowym) zabezpieczają: zakończenie z łbem, zawleczki, kołki, a także pierścienie osadcze lub sprężynujące oraz nakrętki. 16

17 Rys Zabezpieczenia sworzni: a) zawleczka; pierścienie, b) osadczy ciężki, c) osadczy kołkowy lub zawleczkowy, d) sprężynujący, e, f, g) przykłady zastosowania. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Połączenia sworzniowe stosowane są w połączeniach ruchowych (wahliwych, przegubowych), np. do łączenia tłoków z korbowodami w silnikach i pompach, ogniw w łańcuchach sworzniowych. Połączenie sworzniowe stosuje się także w połączeniach spoczynkowych do łączenia blach i prętów. Najczęściej połączenie sworzniowe składa się ze sworznia, widełek i ucha. Rys Przykład połączenia sworzniowego. Projektowanie połączenia sworzniowego W obliczeniach wytrzymałościowych połączeń sworzniowych należy uwzględnić obliczenia nie tylko sworznia, ale także elementów łączonych (najczęściej ucha i widełek). Sworzeń ciasno pasowany oblicza się na ścinanie, a luźno pasowany na zginanie. Niezależnie od rodzaju pasowania sworznie sprawdza się także na naciski powierzchniowe. 17

18 Warunek na ścinanie: Rys Obciążenie połączenia sworzniowego t F k t d 4 k tj lub k to Warunek na zginanie: g Fl 8W x k g 3 k lub k, gdzie W 0,1d gj Warunek na naciski powierzchniowe: dla powierzchni między sworzniem a piastą ucha F p ko dl1 dla powierzchni między sworzniem a piastą widełek F p ko d l go x. Wartości naprężeń dopuszczalnych na ścinanie i zginanie dobiera się według zaleceń ogólnych, natomiast wartość dopuszczalnych nacisków powierzchniowych z tabeli 1.9. Połączenia klinowe należą do połączeń rozłącznych pośrednich, w których łącznikiem jest klin. Powierzchnie robocze klina mogą być płaskie lub walcowe, tworzące kąt z osią klina. Rozróżnia się kliny jednostronne i dwustronne. Rys Rodzaje klinów: a) jednostronne, b) dwustronny. Wielkościami charakterystycznymi klinów są: pochylenie (klin jednostronny) oraz zbieżność (klin dwustronny). 18

19 Wyróżnia się połączenia klinowe: a) wzdłużne służące do łączenia piast kół z wałami lub piast dźwigni z wałami; Rys. 1.. Połączenie klinowe wzdłużne. b) poprzeczne służące do łączenia czopów i gniazd wałów, Rys Połączenie klinowe poprzeczne. c) nastawcze służące do wzajemnego ustalenia części maszynowych. Rys Połączenie klinowe nastawcze. 19

20 Połączenia wzdłużne są obecnie rzadko stosowane. Ze względu na ich liczne wady (mimośrodowe przesunięcie i skośne ustawienie osadzanej części, niekorzystny montaż, trudności z dopasowaniem klina), stosuje się je głównie do wałów wolnoobrotowych, w połączeniach obciążonych niewielkim momentem skręcającym oraz przy minimalnych wymaganiach w odniesieniu do współosiowości osadzanych części względem osi wału. Połączenia klinowe poprzeczne są obecnie wypierane przez inne połączenia (np. wciskowe, sworzniowe czy gwintowe), ze względu na znaczne osłabienie łączonych części, nierównomierny rozkład naprężeń, konieczność stosowania dużych sił montażowych, duże wymiary połączenia. Do zalet zalicza się w zasadzie tylko łatwość demontażu (przez wybicie klina) oraz kasowanie luzów. Rodzaje, charakterystyka i zastosowanie połączeń gwintowych Połączenia gwintowe są połączeniami rozłącznymi najczęściej spotykanymi w budowie maszyn. Wyróżnia się połączenia bezpośrednie, w których gwint wykonany jest w obu łączonych częściach, i pośrednie, gdzie części powiązane są ze sobą za pomocą łączników (śrub, wkrętów). Rys Połączenia gwintowe: a) bezpośrednie, b) pośrednie. Połączenia gwintowe stanowią połączenia spoczynkowe, wykorzystywane do łączenia części oraz do regulacji ich położenia. Gwinty są stosowane również w mechanizmach śrubowych umożliwiających zamianę ruchu obrotowego na postępowo-zwrotny (np. do przesuwu stołu lub suportu w obrabiarkach lub jako zespół roboczy w podnośnikach i prasach śrubowych). Gwint powstaje poprzez wycięcie rowków (bruzd) o odpowiednim kształcie wzdłuż linii śrubowej. Powstałe występy oraz bruzdy, obserwowane w płaszczyźnie przechodzącej przez oś gwintu, tworzą zarys gwintu. Wyróżnia się następujące rodzaje gwintów: a) trójkątny powszechnie stosowany w połączeniach spoczynkowych, mechanizmach pomiarowych; b) trapezowy symetryczny stosowany w połączeniach dokładnych, zwłaszcza ruchowych tj. śruby pociągowe obrabiarek, śruby podnośników, wrzeciona zaworów; c) trapezowy niesymetryczny stosowany w połączeniach ruchowych przenoszących duże obciążenia przy znacznych prędkościach ruchu, np. w prasach śrubowych; 0

21 d) prostokątny rzadko obecnie stosowany ze względu na trudność wykonania (imadła starszej konstrukcji); e) okrągły stosowany głównie przy obciążeniach udarowych, np. w złączach wagonowych, hakach dźwigów i przewodach pożarniczych. Wszystkie zarysy gwintów, z wyjątkiem prostokątnego, są znormalizowane. Rys Zarysy gwintów: a) trójkątny, b) trapezowy symetryczny, c) trapezowy niesymetryczny, d) prostokątny, e) okrągły. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Ponadto gwinty dzielą się na: metryczne i calowe; zwykłe, drobne (drobnozwojne) i grube (grubozwojne); prawe i lewe; jednokrotne i wielokrotne. Rys Rodzaje gwintów: jednokrotny prawy, b) dwukrotny lewy, c) trzykrotny prawy. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. 1

22 Tabela 1.5. Oznaczenia ważniejszych rodzajów gwintów Nazwa gwintu Oznaczenie Przykład oznaczenia Treść oznaczenia metryczny zwykły M M30 metryczny o średnicy d=30 mm metryczny drobnozwojny M Mx1,5 metryczny drobnozwojny o średnicy d= mm i skoku P=1,5 mm calowy BSW 3/4 BSW calowy o średnicy d=(3/4) calowy drobnozwojny BSF 1/ x1/6 -BSF calowy drobnozwojny o średnicy d=(1/) i skoku P=(1/6) rurowy walcowy o kącie α = 55 Rp Rp 1 rurowy walcowy zewnętrzny o średnicy wewnętrznej rury d n=1 G G ½ rurowy walcowy wewnętrzny o średnicy wewnętrznej rury d n=(1/) rurowy stożkowy o kącie α = 55 R R ¾ rurowy walcowy zewnętrzny o średnicy wewnętrznej rury d n=(3/4) Rc Rc ¼ rurowy walcowy wewnętrzny o średnicy wewnętrznej rury d n=(1/4) stożkowy rurowy St. R St. R 1 stożkowy rurowy o średnicy 1 trapezowy symetryczny Tr Tr 8x5 trapezowy symetryczny o średnicy d=8 mm i skoku P=5 mm trapezowy niesymetryczny S S 40x7 trapezowy niesymetryczny o średnicy d=40 mm i skoku P=7 mm okrągły Rd Rd 30x1/8 okrągły o średnicy d=30mm i skoku P=(1/8) Edisona E E7 Edisona o średnicy d=7 mm Źródło: Grzelak, K., Telega, J., Torzewski, J., Podstawy konstrukcji maszyn. WSiP, Warszawa 013. Wymiary nominalne gwintu śruby i nakrętki, podane w normach, są oparte na zarysie nominalnym, wspólnym dla gwintu zewnętrznego (śruby) i wewnętrznego (nakrętki). Do podstawowych parametrów gwintu należą charakterystyczne jego wymiary ujęte w normach: d średnica gwintu śruby (średnica trzpienia, na którym nacięto gwint), D średnica dna wrębów nakrętki (dla gwintu trapezowego symetrycznego D4), d1 średnica rdzenia śruby (dla gwintu trapezowego symetrycznego d3), Do średnica otworu nakrętki, d średnica podziałowa śruby, D średnica podziałowa nakrętki, P podziałka gwintu, Ph skok gwintu (w gwintach wielokrotnych Ph = n P, gdzie n krotność gwintu), α kąt gwintu mierzony między bokami zarysu, γ wznios gwintu, równy wzniosowi linii śrubowej, obliczany na średnicy podziałowej P według zależności: tg. d

23 Rys Zarys nominalny gwintu metrycznego. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Specjalną odmianą gwintu są gwinty toczne, w których między śrubę a nakrętkę wprowadzone są kulki, przetaczające się po powierzchniach roboczych gwintu. Stosuje się je w przekładniach śrubowo-tocznych, które stosowane są m.in. w śrubach pociągowych dokładnych obrabiarek oraz w mechanizmach śrubowych sprzętu pomiarowego. Rys Mechanizm śrubowo-toczny. Źródło: Śruby, wkręty i nakrętki są znormalizowanymi łącznikami gwintowymi. Śruby to łączniki z gwintem zewnętrznym, zakończone łbami o różnych kształtach, najczęściej sześciokątnym lub kwadratowym. Śruby są dokręcane kluczami. Wkręty mają nacięty na łbie rowek lub odpowiedni kształt i są dokręcane wkrętakami. 3

24 Rys Rodzaje wkrętów i śrub: a-c) wkręty, d-l) śruby, w tym: g) noskowa, h) z gniazdem wewnętrznym, i) oczkowa, j) z uchem, k) skrzydełkowa, l) radełkowana. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Rys Rodzaje nakrętek: a) sześciokątna, b) koronowa, c) kwadratowa, d) okrągła rowkowa, e) okrągła otworowa, f) skrzydełkowa, g) radełkowana. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Rys Rodzaje podkładek: a) okrągła, b-c) kuliste, d) klinowa, e-f) sprężyste. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. 4

25 W połączeniach gwintowych narażonych na obciążenia zmienne, wstrząsy lub drgania itd. może nastąpić samoczynne zluzowanie połączenia z powodu okresowego zaniku siły poosiowej, a tym samym sił tarcia między gwintem śruby a nakrętką. W celu ochrony połączenia gwintowego przed samoczynnym odkręcaniem się nakrętek stosuje się różne zabezpieczenia. Rys Sposoby zabezpieczania śrub przed samoczynnym odkręcaniem: a) podkładka sprężysta, b) nakrętka koronowa i zawleczka, c i d) zagięcie podkładek, e) podkładka ząbkowana i nakrętka rowkowa, f) sprężyna, g) dodatkowy wkręt, h) przeciwnakrętki. Źródło: Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa 01. Obciążenie gwintu następuje pod koniec dokręcania nakrętek w połączeniach gwintowych spoczynkowych oraz przy wykonywaniu pracy na pewnej drodze, jak np. podczas podnoszenia lub przesuwania ciężaru w mechanizmach śrubowych. Przyjmuje się, że całe obciążenie działające na gwint jest skupione w jednym punkcie jako siła bierna Q i porusza się wzdłuż równi pochyłej pod wpływem siły obwodowej F, działającej w kierunku prostopadłym do osi śruby. Siłę F można obliczyć ze wzoru: F Qtg ' gdzie: ρ pozorny kąt tarcia, tg ' cos r μ kąt tarcia, αr kąt roboczy gwintu znak + dotyczy podnoszenia ciężaru, znak - dotyczy opuszczania ciężaru. Natomiast moment obrotowy, jaki należy przyłożyć, aby pokonać opór gwintu (MT1) oraz opór na powierzchni oporowej, tzn. na powierzchni styku nakrętki z przedmiotem (MT) oblicza się z zależności: M M M 0,5 d Q tg ' Q r s T1 T S sr 5

26 Rys Układ sił w połączeniu gwintowym. Źródło: Grzelak, K., Telega, J., Torzewski, J., Podstawy konstrukcji maszyn, WSiP, Warszawa 013; Rutkowski A., Części maszyn, WSiP, Warszawa,01. gdzie: ds średnia średnica gwintu śruby [mm], rsr średni promień powierzchni styku [mm]. Podczas pracy moment ten jest równoważony przez moment wywołany siłą ręki Fr, przyłożoną na czynnej długości klucza l: M F l. S r Połączenie śrubowe będzie samohamowne w przypadku, gdy dowolnie duża siła osiowa, obciążająca śrubę, nie spowoduje jej obrotu. Stąd też warunek samohamowności przyjmuje postać: ' (kąt wzniosu gwintu może być co najwyżej równy pozornemu kątowi tarcia). W gwintach samohamownych wznios gwintu wynosi zwykle 1,5 5. Tego rodzaju gwinty stosuje się w połączeniach spoczynkowych oraz w mechanizmach, które muszą być samohamowne (np. w podnośnikach śrubowych). Projektowanie połączeń gwintowych Obliczenia wytrzymałościowe połączeń gwintowych można ograniczyć do kilku najczęściej występujących przypadków obciążenia. 1) Połączenie obciążone tylko siłą rozciągającą (np. obciążenie haka, śruby oczkowej do podnoszenia itp.) Warunek wytrzymałościowy ma postać: 6

27 r Q d 1 k r lub k 4 Po przekształceniach: d 1 4Q k 1,13 Q k rj r r Z tablicy gwintów metrycznych (połączenia spoczynkowe) dobiera się gwint na podstawie obliczonej minimalnej wartości średnicy rdzenia śruby d1. Rys Połączenie gwintowe obciążone siłą rozciągającą ) Połączenie obciążone jednocześnie siłą osiową oraz momentem skręcającym (np. śruby pociągowe obrabiarek, śruby podnośników, nakrętki rzymskie, przyrządy do mocowania przedmiotów obrabianych, śruby imadła i prasy śrubowej itp.) Przy jednoczesnym rozciąganiu i skręcaniu korzysta się z hipotezy Hubera: z r k lub k lub k s r α współczynnik redukujący naprężenia styczne do normalnych (α = kr/ks) σr naprężenia rozciągające: 4Q r d 1 τs naprężenia skręcające: Ms 3 s gdzie Wo 0,d W 1 o Długie śruby, pracujące na ściskanie, należy sprawdzić także na wyboczenie. rj rc Rys Połączenie gwintowe obciążone siłą osiową oraz momentem skręcającym 3) Połączenia skręcane ze wstępnym zaciskiem (np. mocowanie pokryw zbiorników ciśnieniowych lub cylindrów silników, połączenia rurowe kołnierzowe itp.) Po obciążeniu takich połączeń siłą roboczą, działającą w kierunku przeciwnym do obciążenia montażowego, musi pozostać jeszcze pewne obciążenie tzw. resztkowe (około 0% obciążenia roboczego). Średnicę rdzenia oblicza się na rozciąganie, przyjmując odpowiednio zwiększoną wartość obciążenia, a następnie dodając 5 mm (co uwzględnia wpływ skręcania oraz błędy wykonania połączenia). Wzór do obliczenia średnicy rdzenia przyjmie wówczas postać: 7

28 d 1,13 1,Q k 1 r 5 mm Rys Połączenie skręcane ze wstępnym zaciskiem 4) Połączenia obciążone siłą poprzeczną (np. połączenia blach, kołnierzy sprzęgieł itp.) a) ciasno pasowane Średnicę rdzenia śruby oblicza się z warunku na ścinanie: 4F t k t d mn 1 F siła obciążająca złącze [N], m ilość przekrojów ścinanych w jednej śrubie, n liczba śrub, kt naprężenia dopuszczalne na ścinanie [MPa]. Na podstawie wyznaczonych wymiarów śruby sprawdza się warunek na naciski powierzchniowe: F p k t g nd g grubość blachy (dla śrub jednociętych cieńszej, a dla dwuciętych grubszej). Rys Połączenie obciążone siłą poprzeczną ciasno pasowane b) luźno pasowane Należy tak dobrać wartość siły osiowej dociskającej śruby, aby nie zachodziło niebezpieczeństwo ich zginania: F Qo k t k in 8

29 F siła poprzeczna [N], k współczynnik pewności niewystąpienia poślizgu k = 0,4 0,8, i liczba powierzchni czynnych w jednej śrubie, μ współczynnik tarcia ślizgowego, n liczba śrub w połączeniu. Po ustaleniu siły osiowej, zwiększa się ją o 30% (występowanie w trakcie dokręcania również momentu skręcającego) i wyznacza średnicę rdzenia śruby ze wzoru: 1,3Q d1 1,13 k r Rys Połączenie obciążone siłą poprzeczną luźno pasowane Łączniki gumowe są stosowane w resorach, zderzakach, amortyzatorach, przy fundamentowniu obrabiarek i maszyn, a także jako uszczelki. Guma posiada wiele zalet: jest odkształcalna, tłumi drgania, posiada zdolność kumulowania energii, łatwo łączy się z metalami, posiada mały ciężar właściwy oraz dużą odporność na zmęczenie i działanie kwasów i zasad. Do głównych wad łączników gumowych zalicza się: małą wytrzymałość mechaniczną, małą odporność na produkty ropopochodne, wąski zakres temperatury pracy, przechodzenie odkształceń sprężystych w trwałe oraz starzenie się, czyli utratę własności pod wpływem czasu. Kształt łączników gumowych przyjmuje się w zależności od ich przeznaczenia oraz rodzaju i wielkości obciążenia. Łączniki mogą być: ściskane, ścinane lub skręcane. Łączniki ściskane odznaczają się największą obciążalnością i najmniejszą odkształcalnością. Łączniki gumowe pracujące na zginanie stosowane są bardzo rzadko ze względu na ich skłonność do pękania, szczególnie w miejscu łączenia z metalem. Do powiązania gumy ze współpracującymi elementami stosuje się łączenie mechaniczne, klejenie lub wulkanizację. Rys Rodzaj obciążenia łączników gumowych: a) ściskanie, b) ścinanie, c) skręcanie. Szczególnym przykładem takiego łącznika jest przegub gumowy (tzw. silentblok), umożliwiający przenoszenie różnego rodzaju obciążeń. 9

30 Rys Silentblok. Źródło: Obecnie stosuje się także inne materiały na elementy podatne. Wśród nich należy wymienić elastomery poliuretanowe, posiadające znacznie lepsze właściwości od gumy. Ich zastosowanie w konstrukcjach powoduje ogólny wzrost trwałości części od 10 razy. Z elastomerów poliuretanowych produkuje się m.in. elastyczne elementy maszyn sprzęgła, odbojniki pras, podkładki antywibracyjne, bieżnie kół itp. Bibliografia: 1. Grzelak K., Telega J., Torzewski J., Podstawy konstrukcji maszyn, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa013.. Kijewski J., Miller A., Pawlicki K., Szolc T., Maszynoznawstwo, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Legutko S., Podstawy eksploatacji maszyn, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Rutkowski A., Części maszyn, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Teodorczyk A., Termodynamika techniczna, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Dietrich M., Podstawy konstrukcji maszyn, t. 3, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa Okraszewski K., Ćwiczenia konstrukcyjne, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Osiński Z., Podstawy konstrukcji maszyn, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Poradnik mechanika, pod redakcją J. Potrykus, Wydawnictwo REA, Warszawa Rutkowski A., Stępniewska A., Zbiór zadań z części maszyn, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Szargut J., Termodynamika, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Wilk S., Termodynamika techniczna, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa