PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN Część 1

Transkrypt

1 tel./fax: (052) , Zakład Konstrukcji i Dynamiki Maszyn Wydział Matematyki, Fizyki i Techniki Uniwersytet Kazimierza Wielkiego Bydgoszcz, ul. Chodkiewicza 30 tel.:(052) Laboratorium B+R PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN Część 1 Tylko do użytku wewnętrznego Bydgoszcz 2009

2 Spis treści 1. Zasady konstruowania części maszyn Ogólne zasady konstruowania części maszyn Klasyfikacja i cechy użytkowe części maszyn Normalizacja części maszyn Rodzaje obciążeń Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach stałych Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach zmiennych Wytrzymałość zmęczeniowo kształtowa Wytrzymałość zmęczeniowa osi i wałów Połączenia nitowe Charakterystyka i rodzaje połączeń nitowych Układ sił i naprężeń w połączeniach nitowych Konstruowanie połączeń nitowych mocnych Połączenia nitowe szczelne i mocno szczelne Połączenia spajane Charakterystyka połączeń spawanych Rodzaje spoin i ich oznaczenie Obliczanie spoin czołowych Obliczanie spoin pachwinowych Połączenia zgrzewane Rodzaje i zastosowanie połączeń zgrzewanych Wytrzymałość połączeń zgrzewanych Połączenia lutowane Połączenia klejone Połączenia wciskowe Obciążalność połączeń wciskowych Ustalanie nacisków dopuszczalnych Obliczanie połączeń skurczowych Połączenia kształtowe Charakterystyka i klasyfikacja połączeń kształtowych Połączenia wpustowe Połączenia wielowypustowe Obliczanie połączeń wielowypustowych równoległych Połączenia kołkowe Połączenia sworzniowe Połączenia klinowe Połączenia gwintowe Ogólna charakterystyka połączeń gwintowych Parametry gwintów Rodzaje gwintów i ich zastosowanie Łączniki gwintowe Układ sił i praca w połączeniu gwintowym Momenty tarcia

3 6.7 Sprawność i samohamowność gwintu Wytrzymałość połączeń gwintowych Połączenia obciążenia jednocześnie siłą osiową i momentem skręcającym Połączenia skręcane z wstępnym zaciskiem Wytrzymałość gwintu Projektowanie śrub

4 I. Zasady konstruowania części maszyn 1.1 Ogólne zasady konstruowania części maszyn Konstruowanie jest procesem tworzenia konstrukcji, która następnie jest rejestrowana w postaci dokumentacji technicznej. W skład dokumentacji technicznej wchodzą: - dokumentacja konstrukcyjna (rysunki zestawieniowe, wykonawcze, obliczenia, opisy itp.); - dokumentacja technologiczna (obejmująca technologię wykonania poszczególnych części i ich montażu). W sensie konstrukcyjnym każda maszyna składa się z zespołów, podzespołów i części maszyn. Zespołem nazywamy zestaw części stanowiących gotowy wyrób. Bardziej skomplikowane zespoły dzielimy na zespoły niższego rzędu. Każdą maszynę i zespoły możemy rozłożyć na elementy, które nazywane są częściami maszyn. Projektowanie maszyn czy też elementów wymaga zachowania wielu warunków, które określamy jako zasady konstruowania maszyn. Podstawowe zasady to: - przystosowanie maszyny do określonych zadań eksploatacyjnych; - niezawodność i trwałość; - łatwy montaż i demontaż; - mały ciężar i wymiary gabarytowe; - możliwość stosowania prostych procesów technologicznych (montaż); - niskie koszty produkcji i eksploatacji; - estetyka produkowanej maszyny; - inne warunki zależne m.in. od rodzaju maszyny i jej przeznaczenia. 1.2 Klasyfikacja i cechy użytkowe części maszyn Części maszyn podzielić możemy na trzy grupy: - części połączeń; - łożyskowanie (osie, wały, łożyska); - części napędów (przekładnie zębate, cięgnowe, cierne oraz mechanizmy śrubowe); Połączeniem nazywamy fragment konstrukcji w którym części łączone są powiązane za pomocą łączników tworząc połączenie pośrednie. Stosowane też są połączenia bezpośrednie (bez łączników) kształtowe lub wciskowe. Połączenia ruchowe spoczynkowe rozłączne nierozłączne 3

5 Różnorodne wymagania w procesie konstruowania części maszyn wynikają z warunków technicznych jak i z ogólnych zasad konstruowania maszyn. Wymagania te określamy jako cechy użytkowe części maszyn. Podstawowe cechy użytkowe części maszyn: - wytrzymałościowe (wytrzymałość mechaniczna, sztywność i trwałość konstruowanych części); - materiałowe (własności wytrzymałościowe, łatwa obrabialność, odporność na korozję i inne czynniki, odporność na zmiany temperatury w czasie pracy, łatwość nabycia, stosowanie wąskiego asortymentu materiałów itd.); - technologiczne (łatwość wykonania, możliwość stosowania prostych procesów technologicznych o małej pracochłonności itp.); - montażowe (łatwość montażu i demontażu oraz napraw i wymiany uszkodzonych elementów; zamienność części); - eksploatacyjne (niezawodność i bezpieczeństwo działania, łatwość obsługi, cicha praca itd.); - ekonomiczne (niski koszt materiału, produkcji i eksploatacji); - estetyczne prostota i estetyka kształtu, dostosowanie wykończenia powierzchni do warunków użytkowania itp.); - inne (mały ciężar i wymiary, szczelność połączeń, łatwość i bezpieczeństwo transportu itd.). 1.3 Normalizacja części maszyn Przez pojęcie normalizacja rozumiemy opracowywanie i wprowadzanie jednolitych norm. Ma ono na celu uporządkowanie, uproszczenie i ujednolicenie: - oznaczeń technicznych i słownictwa; - podstawowych wielkości stosowanych w BM (wymiarów normalnych, tolerancji pasowań, zarysów gwintów itp.); - materiałów (gatunków stali, żeliw itp.); - gotowych wyrobów; - niektórych metod badawczych; - warunków odbioru jakościowego, konserwacji itp. Obniżenie kosztów wytwarzania oraz eksploatacji maszyn i urządzeń wynika między innymi z tego, że: - elementy znormalizowane mogą być produkowane wielkoseryjnie lub masowo; - wprowadzenie zamienności części i zespołów; - ułatwienie pracy konstruktora. Rodzaje norm Normą techniczną nazywamy obowiązujący dokument techniczno prawny określający właściwości, cechy wyrobów itp. Obowiązują Polskie Normy (PN) opracowywane przez PKNMiJ. W poszczególnych branżach i resortach stosujemy normy branżowe (BN). ISO Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. Zadania ISO: - koordynacja i ujednolicanie norm przemysłowych; - opracowywanie norm międzynarodowych; - wymiana doświadczeń między jej członkami. 4

6 Typizacja działalność normalizacyjna polegająca na ograniczeniu liczby podstawowych wyrobów o zbliżonych właściwościach. Przykład typizacji wprowadzenie wymiarów normalnych (PN 78/M 0204). Są one uszeregowane wg rosnącego postępu geometrycznego, opartego na szeregu Renarda (mnożnikiem jest liczba n 10, gdzie n = 5, 10,20 lub 40). Typizacja w konstrukcjach maszyn polega na zachowaniu tego samego sprawdzonego w eksploatacji rozwiązania konstrukcyjnego elementu maszynowego lub całej maszyny i podobnego kształtu geometrycznego a więc również tych samych metod obróbki i montażu. Dzięki typizacji maszyny o różnych wielkościach produkowane przez określony zakład wytwórczy mają podobny wygląd. Unifikacja dalszy postęp w zakresie normalizacji polegający na ujednoliceniu elementów i zespołów stosowanych w podobnych maszynach. Unifikacja w konstrukcji nowych maszyn umożliwia wykorzystanie elementów i zespołów już dawniej wyprodukowanych i sprawdzonych, bez wprowadzenia do nich jakichkolwiek zmian. W przemyśle maszynowym w każdej maszynie może wystąpić: % części znormalizowanych; % części nadających się do znormalizowania; % części specjalnych. 1.4 Rodzaje obciążeń Rys. 1.1 Rodzaje cykli obciążeń i naprężeń. 5

7 Obciążenia dzielimy na: - stałe (statyczne, niezmienne, trwałe), których wartość i kierunek są niezmienne w ciągu dość długiego czasu (rys.1.1 a); - zmienne o różnym charakterze zmienności w czasie pracy (rys.1.1 b, c, d) Wśród obciążeń zmiennych wyróżniamy obciążenia okresowe najczęściej szybkozmienne jako typowe obciążenia pracujących części maszyn. Należą do nich obciążenia: - wahadłowe, przy których bezwzględne wartości F max i F min są sobie równe (rys.1.1 c 3); - tętniące odzerowo, przy których w każdym cyklu pacy F min (F max ) = 0 (rys.1.1 b 1); - o charakterze nieustalonym (rys.1.1 d). Obliczenia wytrzymałościowe Obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzamy w przypadku: - przy projektowaniu nowych konstrukcji; - podczas badań kontrolnych części pracujących lub ustalenie przyczyn zniszczenia części. Obliczenia wytrzymałościowe wykonuje się na podstawie warunku: naprężenia rzeczywiste muszą być mniejsze (lub równe) od naprężeń dopuszczalnych. Wzory wytrzymałościowe: gdzie: σ (lub τ, lub p) = F S k oraz σ (lub τ) = M W k σ - (sigma) naprężenia rzeczywiste normalne przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu, w [Pa]; τ - (tau) naprężenia rzeczywiste styczne przy ścinaniu i skręcaniu, w [Pa]; p - naciski powierzchniowe, w [Pa]; F - obciążenie rozciągające, ściskające, ścinające, nacisk w [N]; S - pole powierzchni przekroju narażonego na zniszczenie lub pole powierzchni nacisku, w [m 2 ]; M - obciążenie momentem (przy zginaniu M g, przy skręcaniu M s ), w [N m]; W - wskaźnik wytrzymałości przekroju (przy zginaniu W x, przy skręcaniu W o ), w [m 3 ]; k - naprężenia (lub naciski) dopuszczalne, w [Pa]. Poszczególnym obciążeniom przypisujemy następujące indeksy: r rozciąganie; c ściskanie; t ścinanie; g zginanie; s skręcanie; j obciążenia tętniące (jednostronnie zmienna); o obciążenia wahadłowe (obustronnie zmienne). Przy obciążeniu rozciągająco ściskającym wskaźniki r i c łączymy (k rc ). 6

8 Przy złożonym stanie naprężeń: σ z = σ r + σ g k r (lub k rj lub k rc ) (przy naprężeniach normalnych) σ z = σ g 2 + (α τ s ) 2 k g (lub k gj lub k go ) (przy naprężeniach o różnych kierunkach) Powyższy wzór oparty na hipotezie wytrzymałościowej HUBERA wymaga określenia współczynnika α (określa on stosunek naprężeń dopuszczalnych normalnych do stycznych). α = k r k s ; α = k go k sj Obliczenia realizujemy w jednostkach układu SI. Jednostką naprężenia jest Pascal (1Pa = 1N/mm 2 ). Stosujemy krotności (kpa, MPa). Uprościć obliczenia można poprzez zastosowanie tzw. wzorów liczbowych. itp. 1.5 Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach stałych Naprężenia, które mogą pozostać w materiale bez obawy naruszenia warunku wytrzymałości i warunku sztywności nazywamy naprężeniami dopuszczalnymi. Wartości naprężeń dopuszczalnych ustalone są w zależności od własności materiału i charakteru obciążeń. Podstawowe własności wytrzymałościowe: - minimalna wytrzymałość na rozciąganie (tzw. wytrzymałość doraźna R m. min (materiały kruche i plastyczne); - granica plastyczności R e min (dla materiałów plastycznych). Za podstawę do ustalania naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach stałych przyjmujemy: R e dla materiału plastycznego; R m dla materiału kruchego. W celu uzyskania określonego stopnia pewności, że dana część nie ulegnie zniszczeniu lub odkształceniu trwałemu wprowadza się współczynniki bezpieczeństwa. Naprężenia dopuszczalne wyznaczamy z wzorów: k = R e lub k = R m x e x m gdzie:. x e współczynnik bezpieczeństwa dla materiałów plastycznych; x m współczynnik bezpieczeństwa dla materiałów kruchych Przeciętne wartości współczynników bezpieczeństwa Tablica 1.1 Materiał x e x m Stale, staliwa, żeliwo ciągliwe 2 2, Żeliwa szare ,5 Stopy miedzi Stopy aluminium 3,

9 1.6 Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach zmiennych Części maszyn poddane obciążeniom zmiennym (tętniącym, wahadłowym lub o nieustalonym przebiegu) wykazują znacznie niższą wytrzymałość niż przy obciążeniach stałych. Proces zmian występujących w materiale pod wpływem zmiennych obciążeń i wywołanych nimi zmiennych naprężeń nosi nazwę zmęczenia materiału. Wartości największych naprężeń przy których badane próbki nie ulegają zniszczeniu w ciągu określonej liczby zmian obciążenia ustalane są doświadczalnie. Wartość tych naprężeń nazywamy wytrzymałością na zmęczenie i w zależności od rodzaju obciążenia oznaczamy następująco: Z wytrzymałość na zmęczenie; Z go, Z rc, Z so przy obciążeniach działających w cyklu wahadłowym; Z gj, Z rj, Z cj, Z sj przy obciążeniach działających w cyklu odzerowo tętniącym. Z g, Z r, Z c przy obciążeniach działających w dowolnym, jednoznacznie określonym cyklu niesymetrycznym. Zależności umożliwiające wyznaczanie wytrzymałości na zmęczenie przy obciążeniach okresowo zmiennych przedstawia tablica 1.2 Tablica 1.2 Przyjmując za podstawę odpowiednią wytrzymałość zmęczeniową wartość naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach okresowo zmiennych wyznaczam z wzoru: k = Z x z gdzie: x z współczynnik bezpieczeństwa przy obciążeniach zmiennych. Dla stali, staliwa i żeliwa ciągliwego x z = 3,5 4 Stosowane współczynniki bezpieczeństwa w tablicach (patrz załączniki) wynoszą: dla stali i staliwa x e = 1,9 2,1; x z = 3,4 3,7 oraz dla żeliwa x m = 3,5; x z = 3. Dla obliczeń specyficznych przyjmujemy wartość k wg zaleceń. 8

10 Dopuszczalne naciski powierzchniowe Dla połączeń spoczynkowych k o = 0,8 k c oraz k oj = 0,8 k cj. Zawsze dla materiału słabszego. Uwaga: Wartości k o w większości przypadków są podawane przy omawianiu obliczeń poszczególnych połączeń. 1.7 Wytrzymałość zmęczeniowo kształtowa Gdy chcemy ustalić dokładnie wartość naprężeń dopuszczalnych (zmniejszamy wymiary Z elementu wg wzoru k = zachowując wymagania wytrzymałościowe), musimy dokładnie uwzględnić x z inne czynniki decydujące o wytrzymałości zmęczeniowej: - czynniki konstrukcyjne (kształt i wymiary części, rodzaj i wymiary karbu); - czynniki technologiczne (stan warstwy powierzchniowej, rodzaj obróbki, ulepszenie powierzchni przez różne zabiegi technologiczne itp.); - czynniki eksploatacyjne (np. przebieg i częstotliwość zmian obciążenia, przerwy w obciążeniach lub zmienność temperatury części podczas pracy). Rys.1.2 Wykres Wöhlera (1 3 próbka złamana, 4 6 próbka nie złamana) Na podstawie badań możemy wyznaczyć wytrzymałość na zmęczenie (Z go, Z rj ) ustalamy wartość Z przy nie zmiennej próbce dla 10 7 cykli (stal). Znając wartość Z należy uwzględnić inne czynniki mające wpływ na zmęczenie materiału. Zrealizować to możemy poprzez obliczenie całkowitego współczynnika bezpieczeństwa x z wg zależności: gdzie: x z = β ε δ β - współczynnik spiętrzenia naprężeń (uwzględnia wpływ karbu i stanu powierzchni); ε - współczynnik wielkości przedmiotu; δ - współczynnik pewności (rzeczywisty współczynnik bezpieczeństwa 1,4 1,7). Spiętrzeniem lub koncentracją naprężeń nazywa się lokalne zwiększenie wartości naprężeń spowodowane nagłą zmianą przekroju, oraz rysy powierzchniowe, korozję. Miejsca te nazywamy karbami. 9

11 Rys.1.3 Przykład klasyfikacji karbów (prostszych) Rys.1.4 Rozkład naprężeń w przekroju osłabionym karbami (ujęcie poglądowe). Wpływ kształtu karbu uwzględnimy wprowadzając współczynnik kształtu α k : α k = ρ r, R r ρ r R Rys.1.5 Materiały mają różną podatność na działanie karbu. Uwzględnia to współczynnik wrażliwości materiału na działanie karbu η k, dla żeliwa η k = 0, dla stali węglowych η k = 0,4 0,9, szkło η k = 1. Wpływ działania karbu na wytrzymałość zmęczeniową oznaczamy współczynnikiem karbu β k. β k = 1 + η k (α k 1) 10

12 Współczynnik stanu powierzchni β p. Wpływ działania karbu i mikrokarbów ujmuje się łącznie we współczynniku spiętrzenia naprężeń β: β = β k + β p 1 Współczynnik wielkości przedmiotu ε (charakteryzuje zmianę wytrzymałości zmęczeniowej w zależności od wymiarów elementu): gdzie: ε = Z d Z Z d wytrzymałość zmęczeniowa próbki o danej średnicy d; Z wytrzymałość zmęczeniowa dla podobnej próbki o średnicy wzorcowej (7 10) [mm] Współczynnik pewności δ (wg Rutkowskiego) przyjmuje się 1,4 1,7 dla obliczeń dokładnych (przeciętna jakość materiału i przeciętne wykonanie), ewentualnie δ = 1,3 1,4 bardzo dokładne obliczenia (pełna znajomość siły naprężeń w obliczanym elemencie) Według W. Korewy. δ=(1,3 1,4)- w przypadku ścisłego obliczenia na podstawie dokładnych danych doświadczalnych i wyników pomiaru naprężeń w układzie. δ=(1,4 1,7)- dla zwykłej dokładności obliczeń, bez doświadczalnego sprawdzania układu. δ=(1,7 2,0)- dla zmniejszonej wartości obliczeń, ale przy możliwości określenia bez większych trudności obciążeń i naprężeń. δ=(2,0 3,0)- przy orientacyjnym określeniu obciążeń i naprężeń, dla niepewnych warunków lub specjalnie ciężkich warunków pracy np. elementów odlewanych (górna wartość δ). Ustalenie wartości całkowitego współczynnika bezpieczeństwa x z umożliwia określenie możliwie optymalnych wartości naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach zmiennych. 1.8 Wytrzymałość zmęczeniowa osi i wałów W obliczeniach wałów wg wzoru d 3 10Mz k go uwzględnia się wytrzymałość zmęczeniową w sposób przybliżony, przyjmując z tablic wartości naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach obustronnie zmiennych (k go ), wyznaczoną z zależności: k go = Z go x z współczynnika bezpieczeństwa przyjmuje się najczęściej w granicach x z = 3,5 4.. Dla wałów stalowych wartość Dla wałów pracujących w ciężkich warunkach są wymagane dokładniejsze obliczenia, uwzględniające szczegółowe wymiary wału oraz wpływ spiętrzenia naprężeń w miejscach karbów. Należy wówczas uwzględniać kształt i wielkość karbu (rys 1.5), stan powierzchni (chropowatość), wrażliwość materiału na działanie karbu, wzmocnienie powierzchni przez obróbkę cieplną i cieplno chemiczną oraz inne czynniki, decydujące o wytrzymałości zmęczeniowej. Ustalenie wpływu większości podanych czynników na wytrzymałość zmęczeniową jest możliwe dopiero po zaprojektowaniu wału, tzn. po ustaleniu jego kształtów, wymiarów, chropowatości powierzchni itp. 11

13 Ponieważ wały są narażone jednocześnie na zginanie i na skręcanie, obliczanie ich wymiarów z uwzględnieniem dokładniejszych obliczeń wytrzymałości zmęczeniowej powinno być wykonane w następujący sposób: - Obliczenie wału; - Zaprojektowanie wymiarów wału zgodnie z obliczeniami wytrzymałościowymi, z uwzględnieniem wymagań technologiczno konstrukcyjnych; - Sprawdzenie wartości naprężeń zginających σ g i skręcających τ s w przekrojach najbardziej obciążonych i osłabionych karbami. Do obliczania naprężeń w przekrojach osłabionych (rys 1.6d,e) należy przyjąć zmniejszone wartości wskaźników wytrzymałości przekroju W 1 : gdzie: - a = Rys.1.6 Rodzaje karbów w wałach. przy jednym rowku W x1 = W x a oraz W o1 = W o a przy dwóch rowkach W x1 = W x 2a oraz W o1 = W o 2a b t (d - t)2 2d ( b,t szerokość i głębokość rowka). - Obliczenie współczynników bezpieczeństwa osobno dla zginania i dla skręcania; x zg = Z go σ g ; x zs = Z so (lub Z sj ) τ s - Obliczenie współczynników β i ε - wg treści rozdziału 1.7 oraz ustalenie rzeczywistych współczynników bezpieczeństwa; gdzie: δ g = x zg ε β g oraz δ s = x zs ε β s - β g, β s współczynniki spiętrzenia naprężeń przy zginaniu i skręcaniu; - ε - współczynnik wielkości przedmiotu. - Obliczenie ogólnego współczynnika bezpieczeństwa wg wzoru: 12

14 δ = δ g δ s δ g 2 + δ s 2 W dokładnych obliczeniach wytrzymałości zmęczeniowej wału wartość δ = 1,4 2,0 uznawana jest za wartość wystarczającą do zapewnienia bezpiecznej konstrukcji. Jeżeli w wyniku obliczeń otrzyma się dla określonego przekroju δ < 1,4, należy powiększyć średnicę wału, zmniejszyć karb itd. Otrzymanie δ >> 2 oznacza, że kształt wału w danym przekroju jest zaprojektowany ze zbyt dużym współczynnikiem bezpieczeństwa i w miarę możliwości należy zmniejszyć jego średnicę. 13

15 2. Połączenia nitowe 2.1 Charakterystyka i rodzaje połączeń nitowych Połączenia nitowe nierozłączne pośrednie. Rys.2.1 Wykonanie połączenia nitowego: a) zamykanie nitu, b) połączenie nitowe 1 części łączone, 2 nit, 3 wspornik, 4 - zakuwnik Nitowanie na zimno i gorąco temperatura podgrzania nitu 700 C nitowanie maszynowe C nitowanie ręczne. Proces kończymy przy temperaturze 500 C. Na gorąco d 10 [mm] Na zimno d 8 [mm] Średnice otworów pod nity (d o ): d o = d + 1 nitowanie na gorąco d o = d + (0,1 0,2) nitowanie na zimno Wady połączeń nitowych: - bardzo ograniczone możliwości konstrukcyjne; - osłabiają przekroje zasadnicze ; - znaczna robocizna; - trudność uzyskania szczelności połączenia; - duże koszta nakładowe. Zalety: - łączymy materiały trudno spawalne; - przenoszą duże drgania; - tradycja; - wytrzymałość przy niskich temperaturach. Rodzaje połączeń nitowych: - mocne (konstrukcje stalowe, duże obciążenia); - szczelne (zbiorniki niskociśnieniowe); - mocno szczelne (zbiorniki wysokociśnieniowe); - nieznacznie obciążone (drobne konstrukcje). 14

16 Ze względów konstrukcyjnych połączenia nitowe dzielimy na zakładkowe i nakładkowe (jedno lub dwustronne). Szereg nitów szew nitowy(szwy jednorzędowe lub wielorzędowe). Rys.2.2 Połączenia nitowe: a) zakładkowe szew jednorzędowy, b), c) zakładkowe szew wielorzędowy, d) nakładkowe jednostronne szew jednorzędowy, e) nakładkowe dwustronne szew dwurzędowy Rodzaje nitów: - nity normalne d > 10 [mm]; - nity drobne d < 10 [mm]. a. nit mostowy NKz nit z łbem kulistym zwykłym b. nit kotłowy NKw nit z łbem kulistym wzmocnionym c. nit kryty NP nit z łbem płaskim d. nit półkryty NS nit z łbem soczewkowym Rys. 2.3 Nity normalne Nit z łbem kulistym zwykłym (NKz) we wszelkich konstrukcjach nie wymagających szczelności. NKw w konstrukcjach ciśnieniowych (w wzmocniony). NP, NS wykorzystywane są, gdy wymagana jest mniej lub więcej gładka powierzchnia. Nity drobne: - nity drążone; Rys. 2.4 Nit drążony 15

17 - nity rurkowe. a) b) c) d) Rys. 2.5 Nity rurkowe: a) bez kołnierza, b) z kołnierzem, c) z wywinięciem brzegów, d) półrurkowy Materiały na nity powinny być plastyczne stal miękka o zawartości C = 0,1 0,2 (St2N, St3N - odpowiednio St2S, St3S). Zalecane średnice nitów (wg PN ) wynoszą : 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; Średnice niezalecane: 3,5; 14; 18; 22; 27; 33[mm]. l = l 1 + l o l o = (1,3 1,8)d gdzie: l o naddatek na zakuwkę; l 1 łączna grubość łączonych części. Obliczoną długość zaokrąglić w górę do wartości znormalizowanych. Przy ustalaniu średnic nitów preferować średnice zalecane (PN 70/M 85952). Przykład oznaczenia nitu z łbem płaskim o średnicy d=19[mm] i długości l=55[mm] NIT NP 19 x 55 PN-70/M Układ sił i naprężeń w połączeniach nitowych Rys.2.6 Rozkład sił w połączeniu nitowym zamykanym na gorąco. Proces nitowania na gorąco kończony jest przy temp. nita > 500 C. Podczas stygnięcia nitu następuje jego skurcz wzdłużny. W trzonie powstają naprężenia rozciągające wywołujące silny docisk blach przez łeb i zakuwkę nitu. Jednocześnie powstaje między otworami w blachach a nitem niewielki luz na wskutek skurczu poprzecznego. Obciążamy złącze siły F(rys.2.6a). Między blachami powstanie siła tarcia T przenosząca całe obciążenie. W przypadku, gdy F > T wystąpi poślizg blach w ramach luzu poprzecznego (rys.2.6b). W tym przypadku obciążenie będzie częściowo przenoszone przez siły tarcia, a częściowo przez nit (nity), który będzie ścinany i narażony na naciski powierzchniowe. 16

18 Przy obliczeniach wytrzymałościowych połączeń nitowych realizowanych na gorąco przyjmujemy tzw. umowne dopuszczalne naprężenia ścinające (k n ) uwzględniają one wpływ sił tarcia. W obliczeniach wytrzymałościowych połączeń nitowych realizowanych na zimno do obliczeń przyjmujemy dopuszczalne naprężenie ścinające k t (siły tarcia są pomijane). Wartości naprężeń dopuszczalnych, stosowane przy obliczaniu połączeń nitowych (w MPa) Tablica 2.1 Nitowanie Materiał nitów na zimno na gorąco k t k o k n k o St3N (St3S) 75 średnio 110 średnio St4N (St4S) 85 2,5k t 125 2,5k n Uwagi: 1. Wartości k t przyjęto wg tbl.1 ( patrz załączniki ) 2. Wartości naprężeń dopuszczalnych na rozciąganie k r dla materiału blach przyjąć wg tbl.1 (załączniki). Połączenia nitowe mocne Rozróżniamy: - połączenia pasów blach (rozciąganie); - połączenia kształtowników w kratownicach (rozciąganie lub ściskanie); - połączenia blach z kształtownikami w blachownicach (momenty zginające, rozciąganie lub ściskanie). Obliczanie wytrzymałości połączeń nitowych mocnych: Rys.2.7 Wymiary połączeń nitowych i przekroje narażone na zniszczenie: a) szew zakładkowy, b) szew dwunakładkowy. Połączenia nitowe mogą ulec zniszczeniu w wyniku: - ścięcia nitu (IV); - owalizacji otworów nitowych lub nitów; - rozerwanie blachy w przekroju osłabionym (I I, II II, III III); - wyrwania nitów z blachy w wyniku ścięcia blachy (V); - zginanie blach w połączeniach zakładkowych i nakładkowych jednostronnych 17

19 - wyboczenie prętów ściskanych (kratownice); - oderwanie łba nitów (nitowanie poniżej temp. 500 C). W celu uproszczenia obliczeń zakładamy, że: - obciążenia rozkładają się równomiernie na wszystkie nity; - nity obliczamy na czyste ścinanie; - w połączeniach nitowanych na gorąco przyjmuję k n bez względu na rodzaj obciążenia. Połączenia nitowe obliczamy z dwóch warunków wytrzymałościowych: 1. Na ścinanie a) nit jednocięty b) nit dwucięty Rys. 2.8 a - b) Schemat do obliczania nita na ścinanie τ = F 2 k n lub k t πd o 4 m n [I] gdzie: kn dopuszczalne naprężenia ścinające; F - siła zewnętrzna; m liczba ścinanych przekrojów w jednym nicie; n liczba nitów (w połączeniach zakładkowych wszystkie nity, w połączeniach nakładkowych nity łączące jeden z pasów z nakładkami). 2. Na naciski powierzchniowe gmax= b a) nit jednocięty b) nit dwucięty Rys.2.9 a-b) Schemat do obliczania nita na naciski powierzchniowe p = F n g d o k o [II] 18

20 gdzie: g grubość blachy (dla nitów jednociętych grubość blachy cieńszej, a dla dwuciętych blachy grubszej); g d o przyjmuje się jako pole nacisku nitu na ściankę otworu. k o dopuszczalny nacisk powierzchniowy (wg tbl.2.1) Racjonalnym jest założenie, że połączenie nitowe ulegnie zniszczeniu w wyniku zniszczeniu nitów (koszt naprawy niższy). Wobec powyższego porównując oba warunki wytrzymałościowe zakładamy, że wytrzymałość nitów na ścinanie powinna być mniejsza niż wytrzymałość blach i nitów na naciski powierzchniowe. Warunek ten przyjmie postać. π d 2 o 4 m n k n n g d o k o [III] Wprowadzamy k o = 2,5k n (wg tbl. 2.1) i otrzymujemy warunek: d o g 3,2 m [IV] Dla nitów jednociętych m = 1, stąd warunek [IV] przyjmie postać d 3,2g, dla nitów dwuciętych m = 2 stąd d o 1,6g. Jeżeli zależność [IV] jest spełniona wówczas nity obliczamy z warunku na ścinanie. W praktyce przyjmujemy d = 2g. Dla tego warunku nity oblicza się: 1. Na ścinanie dla nitów jednociętych. 2. Na naciski powierzchniowe dla nitów dwuciętych (d o 1,6g). Gdy nie spełnimy zależności d 2g lub przyjmować będziemy k o różne od k o = 2,5 k n obowiązkowo należy sprawdzić warunek [III] lub obliczyć liczbę nitów (n) z warunków [I] i [II]. Elementy nitowane obliczamy z warunku na rozciąganie Rys σ r = σ r = F S k r S = b g d o g n 1 = g (b d o n 1 ) F g(b g - n 1 d o ) k r [V] 19

21 gdzie: b szerokość blachy [mm]; g grubość blachy [mm]; n 1 liczba nitów w przekroju; k r dla materiału blachy lub nakładek. W połączeniu (rys.2.10) najbardziej na zniszczenie narażony jest przekrój blachy I I, dla nakładek III III. Uwaga: dla blach przekrój I I obciążenie F; II II obciążenie 5/6F; III III 3/6F. Dla nakładek przekrój III III obciążenie F; II II 3/6F; I I na 1/6F. 2.3 Konstruowanie połączeń nitowych mocnych Rozstawienie nitów takie, które nie powoduje znacznego osłabienia blach. Spełnimy te warunki przyjmując zależności wymiarowe wg wytycznych. Rozmieszczenie nitów w połączeniach mocnych Podziałka: Wymiar Symbol wymiaru Tablica 2.2 Wartość wymiaru połączenie zakładkowe t (3 5)d połączenie nakładkowe (4 7)d Odległość rzędów nitów a (0,6 0,8)t lub (2 3)d Odległość skrajnych blach e (1,5 2,5)d nitów od krawędzi nakładek e 1 (1,5 2,5)d Odległość krawędzi ścięć od osi nitów e 2 (1,5 2)d Ponadto: - grubość nakładek jednostronnych: g n 1,1g - dla dwustronnych: g n 0,65g - w skrajnym rzędzie umieszczać tylko jeden nit; - szwy wielorzędowe max pięć rzędów lub pięć nitów w kierunku działania F; - każdy element min dwa nity; - naroża pasów i nakładek ścinamy ukośnie; - nie poleca się połączeń zakładkowych i nakładkowych jednostronnych dodatkowo są zginane. 2.4 Połączenia nitowe szczelne i mocno szczelne Połączenia szczelne zbiorniki otwarte, zbiorniki zamknięte, o niskich ciśnieniach, rurowe. Połączenia mocno szczelne zbiorniki ciśnieniowe oraz wielkie zbiorniki. W połączeniach nitowych szczelnych (do 5 mm) nitowanych na zimno wprowadzamy między blachy szczeliwo (uszczelki). Przy nitowaniu na gorąco zapewnienie szczelności połączeń nitowych mniejsze t i a, k n przyjmuję MPa. 20

22 Zwiększymy pewność szczelności przez doszczelnienie krawędzi blach i łbów nitów. Rys.2.11 Doszczelnianie szwu nitowego Kratownice układy kratowe w konstrukcjach budowlanych, w budowie suwnic, żurawi lub fragmenty konstrukcji nośnej. Pręty kratownic wykonujemy z kształtowników łączonych w węzłach za pomocą blach węzłowych. Rys.2.12 Przykłady połączeń kształtowników w węzłach kratownic Blachownice konstrukcja składająca się z pasów, środników i kątowników tworzą belki stosowane jako konstrukcje nośne. Nity specjalne: Rys.2.13 Przekroje blachownic: a) płaskiej, b) skrzynkowej 1. Nity kadłubowe, okrętowe (wzmocniony łeb stożkowy + stożkowy trzonek). 2. Nity drobne pełne 0,6 1,6 mm. 21

23 3. Nity drobne rurkowe. 4. Nity pasowe. 5. Nity rozwidlone. 6. Nity dwuczęściowe do tworzyw sztucznych lub drewna 7. Nity płytko otworowe. 8. Nity zamykane jednostronnie (miedź, mosiądz, monel lub stopy lekkie).(rys.2.15) Rys.2.14 Nity specjalne: a) pasowy, b) rozwidlony, c) dwuczęściowy, d) płytkootworowy Rys.2.15 Nitowanie z jednostronnym zamykaniem sposobem: a) Choberta, b) Brequeta, c) Junkersa, d) Hucka 22

24 3. Połączenia spajane 3.1 Charakterystyka połączeń spawanych Połączenia spawane powstają w wyniku nadtopienia brzegów topionych części i wprowadzenia stopionego materiału dodatkowego (spoiwa) w miejscu łączenia; materiały te po ostygnięciu tworzą spoinę wiążącą część w jedną całość. Połączenie to wykorzystuje zjawisko kohezji (spójność międzycząsteczkowa), w miejscu podziału powierzchnia ulega zanikowi połączenie nierozłączne - bezpośrednie. Zalety połączeń spawanych: - pozwalają na dowolne ustawienie łączonych ścianek, nie wprowadzając elementów pomocniczych; - nie osłabiają przekrojów otworami na nity; - nie wymagają dodatkowych zabiegów w celu uzyskania szczelności łączenia; - wymagają mniej robocizny, mniejszego wyposażenia, mniejsza powierzchnia warsztatu. Wady: - wysoka temperatura naprężenia, zmiany strukturalne i paczenie. Rys.3.1 Obszar wtopienia spoiny W zależności od źródła ciepła rozróżniamy spawanie: - gazowe coraz mniejszy zakres stosowania. Temperatura uzyskiwana C. Płomień uzyskujemy acetylen + tlen, w stosunku 1 1,2, g = 1,5 2 mm bez dodatkowego metalu. Wprowadzenie dodatkowego metalu: przedmioty grubsze + możliwość spawania metali różniących się składem chemicznym. - łukowe powstanie łuku przez zetknięcie biegunów na skutek wielkich oporów omowych występujących w miejscu styku dwóch biegunów. Miejsca te silnie się nagrzewają. Wywołuje to emisję elektronów polegającą na wypromieniowywaniu swobodnych elektronów z powierzchni metalu, które zderzają się z cząsteczkami i atomami powietrza, jonizują je, przy czym powietrze staje się przewodnikiem elektryczności. Zjonizowane cząsteczki z ładunkiem ujemnym poruszają się w kierunku anody bombardując i oddając zasób posiadanej energii, przy czym biegun rozgrzewa się bardzo silnie. Podobnie dzieje się z cząsteczkami z ładunkiem dodatnim, które bombardują katodę. Temperatura na biegunach zależy od rodzaju prądu (np. prąd zmienny 6000 C).Najczęściej stosowane ze względu na szybkie nagrzewanie się części, obejmuje mniejszą powierzchnię niż przy gazowym. 23

25 Rodzaje spawania łukowego: - elektrodą stapiającą się lub niestapiającą; - jedną lub dwiema elektrodami, w strumieniu argonu lub helu; - łukiem bezpośrednim lub pośrednim; - prądem zmiennym lub stałym; - łukiem otwartym z ochroną żużlową lub gazową; - z metalem dodatkowym lub bez; - ręczne, automatyczne lub półautomatyczne. Stosowane są bardziej nowoczesne rodzaje spawania: - spawanie atomowe; - spawanie plazmowe; - spawanie elektronowe; - spawanie laserowe; - spawanie gorącym powietrzem tworzyw termoplastycznych. Projektując konstrukcję spawaną należy przestrzegać następujące ogólne zasady: 1. Części konstrukcji spawanych staramy się wykonywać z profili znormalizowanych dążąc do zmniejszenia zastosowanych typowymiarów. 2. Wymiary powierzchni nie wymagających obróbki należy dobrać tak, aby części wykonać z profili znormalizowanych bez stosowania dodatkowej obróbki. 3. Należy dążyć do zmniejszenia ilości spoin oraz liczby części składowych. Promienie gięcia nie mogą być zbyt małe (rys.3.2). Rys Części wykonane z blach powinny mieć krawędzie prostoliniowe (rys.3.3). Dobierając kształt części nie należy naśladować kształtów części wykonanych inną technologią. Rys Należy unikać ostrych zakończeń części (rys.3.4). 24

26 Rys.3.4 Wzajemne położenie części spawanych nie powinno utrudniać spawania. 6. Suma momentów przekroju spoin względem środka ciężkości przekroju konstrukcji spawanej winna być jak najmniejsza. Osiągać to możemy poprzez stosowanie symetrycznego rozkładu spoin (rys.3.5a) bądź odpowiedniego doboru długości lub przekroju spoin (rys.3.5b); Rys Wzajemne położenie części spawanych nie powinno utrudniać spawania. Należy zapewnić widoczność miejsca spawania, swobodny dostęp elektrody (rys.3.6) oraz w miarę możliwości, dolną pozycję spawania (zapewniającą najwyższą jakość spoiny). Rys Projektując połączenie części profilowanych należy między innymi przeanalizować możliwe rodzaje wzajemnego ustawienia elementów zwracając uwagę na technologiczność przygotowania elementów do spawania oraz długości spoin połączenia. Typowe połączenie profili stosowanych w konstrukcji ram przedstawia rysunek

27 Rys Rodzaje spoin i ich oznaczenie Rozróżniamy: - spoiny nośne (mocne); - spoiny szczelne; - spoiny złączne (szczepne). Tablica 3.1 Rodzaje spin oraz ich umowne znaki. 26

28 27

29 Rys.3.8 Rodzaje szwów i połączeń spawanych: a, b, c) połączenia czołowe, d h) połączenia pachwinowe; rodzaje szwów: 1 poprzeczny, 2 skośny, 3 wzdłużny, 4 przerywany, 5 przerywany przestawny Obliczenia połączeń spawanych Obliczenia sprowadzamy do obliczeń wytrzymałości spoiny która to jest najsłabszym miejscem połączenia. Mniejsza wytrzymałość spoiny spowodowana jest - nieciągłością struktury; - naprężeniami spawalniczymi, które sumują się z naprężeniami od sił zewnętrznych. Naprężenia dopuszczalne: gdzie: k = z k k - naprężenia dopuszczalne dla spoiny (k r, k rj, k rc ) z współczynnik wytrzymałości spoiny (jakość spoiny) k naprężenia dopuszczalne dla materiału części łączonych (k r, k rj, k rc ) Tablica 3.2 Wyżej wymienione informacje wykorzystujemy do obliczeń przybliżonych. 28

30 Obliczenia dokładne współwarunkują z takimi czynnikami jak: rodzaj spoiny, wytrzymałość materiału, rodzaj obciążenia (statyczne, dynamiczne) oraz sposobu kontrolowania jakości spoiny. 3.3 Obliczanie spoin czołowych Rys. 3.9 W zależności od rodzaju obciążenia spoiny czołowe oblicza się: - na rozciąganie lub ściskanie (rys. 3.9a) σ r = F S k r lub σ c = F S k c - na ścinanie (rys. 3.9b) τ t = F S k t - na zginanie (rys. 3.9c) gdzie: F (M g ) siła (moment zginający), S przekrój obliczeniowy spoiny (S = a l), σ g = M g W x k g W x osiowy wskaźnik przekroju spoiny ( W x = l a2 6 b g2 6 ), k r (k c, k t, k g ) odpowiednie naprężenia dopuszczalne dla spoin. Wymiary spoin czołowych przyjmuje się równe przekrojowi geometrycznemu części spawanej o mniejszym przekroju, czyli wg rysunku 3.9 :a=g i b=l. Początek i koniec długości spoiny, czyli tzw. kratery, są najsłabszymi miejscami w spoinie, zatem uwzględniając długość dwóch kraterów, przyjmuje się l rz = b = l + 2a lub l = b 2a. W pełni można wykorzystać spoinę stosując wybieg i dobieg (podkładki) l=b. 3.4 Obliczanie spoin pachwinowych Spoiny pachwinowe obliczamy umownie na ścinanie w najmniejszym przekroju spoiny, dla obciążeń rozciągających, ściskających i ścinających stosujemy wzór: τ = F S k t 29

31 Rys a 15 zaokrąglamy w dół Rys.3.10 Obliczeniowa grubość spoiny Zalecenia: a = h cos 45 0,7h gdy h = g a = g cos 45 a = 0,7 g a) długość spoin nośnych b) przekroje nakładek Na krater przyjmuję 1,5a 10a l 60a przy l min = 40 mm - gdy tylko spoina pachwinowa g n 0,6g nakładki dwustronne oraz g n = 1,1g jednostronne - spoina czołowa g n = (0,3 0,5)g - nakładki dwustronne i g n = (0,7 1)g jednostronne Spoina przenosi moment zginający. τ = M g W x k t W x = a l2 6 3 a = 0,7h b2 6 15[mm] 30

32 Rys Długość obliczeniowa spoiny całkowita długość spoin przynoszących obciążenie. l rz = l + 3a Możemy wyeliminować kratery przeciągając szwy poza naroża na długości większej niż 2a. 3.5 Połączenia zgrzewane Rys Zgrzewanie oporowe: a) punktowe, b) liniowe, c) czołowe: 1 transformator, 2 elektrody, 3 części łączone Zgrzewanie spajanie materiału przez docisk z podgrzaniem miejsca łączonego lub bez podgrzania (dyfuzja i rekrystalizacja sąsiadujących ziaren metalu) Skuteczność zgrzewania zależy od: - ciśnienia; - temperatury; - czasu. Źródła ciepła: - zgrzewanie gazowe; - zgrzewanie elektryczne: a) iskrowe; b) oporowe. - zgrzewanie termitowe; - zgrzewanie tarciowe. Połączenie zgrzewane możemy uzyskać przez wywarcie dużego nacisku (inne metody: wybuchowe, ultradźwiękowe, zgniotowe). Materiały zgrzewane najlepiej, gdy mają jednakowy lub zbliżony skład chemiczny, np. stal węglowa ze stalą stopową lub narzędziową). Odpowiednie procesy to możliwość zgrzania różnych metali, tworzyw sztucznych, metali i niemetali. 3.6 Rodzaje i zastosowanie połączeń zgrzewanych 1. Zgrzewanie czołowe łączenie prętów, odkuwek. W zgrzeinach tych wykorzystywana jest cała powierzchnia styku. 2. Zgrzewanie punktowe cienkie blachy, blacha + kształtownik. 31

33 3. Zgrzewanie liniowe połączenia szczelne (rury ze szwem, pojemniki). 4. Zgrzewanie garbowe zgrzewanie oporowe zgrzewanie oporowe punktowe z uprzednim wytłoczeniem garbów, w miejscach gdzie mają utworzyć się punkty. Zaleca się przyjmować: Tablica 3.3 Zgrzeina punktowa Zaleca się przyjmować: Zgrzeina punktowa Rys t = 3d dwa elementy oraz t 60[mm] t = 4d trzy elementy oraz t 80[mm] e = 2d w kierunku działania obciążenia e = 1,5d w kierunku prostopadłym do działania obciążenia Rys Zgrzeina liniowa Rys.3.14 b 2g - 3 [mm] e 8g [cm] Według praktyków: d=1,2g+4[mm], dla g 3[mm] d=1,5g+5[mm], dla g>3[mm] t=3d dwa elementy t=4d trzy elementy e=2d e=1,5d w kierunku prostopadłym do obciążenia Uwaga: Unikamy zgrzewania elementów dla g2/g1>3 Zgrzewamy trzy elementy grubszy do środka. Zgrzeiny czołowe ich wymiary przyrównujemy wymiarom przekroju łączonych części. 3.7 Wytrzymałość połączeń zgrzewanych Obliczenia jak dla połączeń spawanych. Wartości naprężeń dopuszczalnych dla zgrzein czołowych wg wzoru: k = z k 32

34 z = (0,7 0,85), (śr. 0,8) przy zgrzewaniu oporowym z = (0,8 0,95), (śr. 0,9) przy zgrzewaniu iskrowym Zgrzeiny punktowe obliczenia z warunku na ścinanie (obciążenia jednakowe). z = (0,35 0,6) obciążenia statyczne, grubość blach do 3 mm (większe wartości przy mniejszych g).z 0,3 obciążenia zmienne t = 2d Uwaga: Rozciąganie z = 0,1 0,2 (takich rozwiązań należy unikać) Zgrzeiny garbowe i liniowe należy projektować tak, aby narażone były na ścinanie, z jak dla punktowych. 3.8 Połączenia lutowane Lutowanie łączenie metali pozostających w stanie stałym za pomocą roztopionego metalu (spoiwa) zwanego lutem. kalafonia przy lutowaniu miękkim. boraks przy lutowaniu twardym. Źródła ciepła : - lutownica; - lampa lutownicza; - palnik. Lut łączy się z materiałem łączonym dzięki zjawisku kohezji i nieznacznemu dyfundowaniu. Lut charakteryzuje się : - niską temperaturą topnienia; - dobrą zwilżalnością powierzchni; Temp. luty miękkie do 300 C Temp. luty twarde powyżej 550 C Przy lutowaniu twardym podgrzać materiał do ok. 500 C. Zastosowanie połączeń lutowanych: - do łączenia elementów ze stali, miedzi, cynku, brązu i metali szlachetnych. Musimy zapewnić dobre dopasowanie powierzchni łączonych części oraz ich czystość. W tym celu stosujemy topniki ich zadanie zabezpieczanie przed utlenianiem i zmniejszenie napięcia powierzchniowego lutu (większa zwilżalność). Rys

35 Lutowanie twarde łączenie blach, kształtowników, elementów, mechanizmów lub elementów narzędzi skrawających. Materiały miękkie: - salamiak; - woda lutownicza; - kalafonia lub pasty lutownicze. Luty miękkie stop cynku i ołowiu z dodatkiem antymonu, wybór lutu wg PN. Podstawowy mankament lutów miękkich niska wytrzymałość spoin. Zastosowanie słabo obciążone lub nieobciążone elementy spoina powinna przenosić naprężenia ścinające. Połączenia obciążone lutowanie miękkie w celu usztywnienia. Wytrzymałość połączeń lutowanych Wytrzymałość lutowiny jest większa niż wytrzymałość samego lutu (dyfuzja). Zalecenia: - grubość lutu - 0,1 0,2 [mm] luty miękkie; - 0,01 0,1 [mm] luty twarde; - konstruujemy połączenia tak, aby lutowina była narażona na ścinanie. Wytrzymałość połączeń lutowanych ustalę na podstawie Rt przy założeniu Xm=3 (obciążenia stałe) i Xm=5 (obciążenia zmienne). Możemy skonstruować połączenia lutowane gdzie wytrzymałość lutowiny przyrównam do wytrzymałości łączonych materiałów. gdzie: S - pole powierzchni lutowiny; S' kt' S kt Rodzaje lutów: - luty miękkie tt= C; - luty niskotopliwe - tt= C; - luty twarde łatwo topliwe tt= C; - trudno topliwe tt= C; - luty szlachetne - tt= C; 34

36 Lutowanie twarde optymalna grubość spoiny 0,003 0,05[mm]. Połączenia mogą być zakładowe, nakładkowe, kątowe. Lutospawanie jest w zasadzie lutowaniem twardym łączenie części metalowych powstające przy stopionym spoiwie i nie stopionych brzegów łączonych części. Nazwa wywodzi się z tego, że przygotowujemy tak jak do spawania, tj. na V, U, I, Y. Elektrodą będzie drut spawalniczy z mosiądzu lub brązu. Podobnie jak spawanie, ale bez nadtapiania brzegów. Zastosowanie materiały trudno spawalne żeliwo szare, brązy, stale wysoko węglowe, uniknięcie naprężeń i odkształceń spawalniczych. 3.9 Połączenia klejone Klejenie stosowane jest jako technologia samodzielna oraz jako część technologii kombinowane połączenie klejowo-gwintowe, klejowo-zgrzewane, klejowo-wciskowe. Klej możemy użyć jako środka uszczelniającego lub likwidującego nadmierne luzy w połączeniach. Proces klejenia metali polega na: - oczyszczeniu powierzchni metodami chemicznymi lub mechanicznymi; - dokładnym nałożeniu warstwy kleju (grubość ok. 0,1 mm) na powierzchnie klejone; - utwardzeniu skleiny w odpowiedniej temperaturze z zachowaniem właściwego nacisku. Zalety: - wykorzystanie pełnej wytrzymałości materiałów łączonych; - uzyskanie zestawu elementów o nienaruszonej powierzchni (bez otworów); - równomierne rozłożenie naprężeń na całej powierzchni złącza; - odporność połączeń na korozję; - zdolność tłumienia drgań itd. Wady: - możliwość rozwarstwienia połączenia pod wpływem obciążeń; - mała odporność klejów na zmiany temperatury; - długi czas utwardzania większości klejów; - spadek wytrzymałości połączenia z upływem czasu, spowodowany starzeniem się kleju itd. Rozróżniamy następujące kleje: - fenolowe BFW 41; - epoksydowe Epidian 100 i 101; - kauczukowe Butapren; 35

37 - winylowe P.O.W. Technologiczność konstrukcji elementów klejonych Wytrzymałość złączy klejowych zależy od: - rodzaju kleju; - rodzaju łączonych materiałów; - rodzaju przenoszonych obciążeń (przede wszystkim); - działanie kleju polega głównie na adhezji. Uzyskać dobre połączenie to dokładnie zwilżyć powierzchnie klejone tak, aby warstwa kleju była wolna od pęcherzy gazowych; powierzchnia przygotowana zgodnie z technologią dla danego kleju; - warstwa kleju do 0,1 [mm]; - do łączenia blach użyjemy złącz zakładkowych (zapewnimy wystąpienie ścinania); - obliczenia wytrzymałościowe jak dla lutowania; Klejenie na gorąco wytrzymałość na ścinanie od [MPa], czas utwardzania od 1,5 2 [h], naciski 0,08[MPa], temperatura od C. 36

38 4. Połączenia wciskowe Połączenie wciskowe powstanie przy montażu elementów o większym wymiarze zewnętrznym (czop) z częścią obejmującą (oprawę) o mniejszym wymiarze wewnętrznym. Rys. 4.1 Połączenia wciskowe: a) bezpośrednie, b) pośrednie D > D W W = d z D W W dodatnia różnica wymiarów wcisk ujemny luz W montowanych częściach powstaną odkształcenia sprężyste, które wywołują docisk na powierzchni styku. Wobec powyższego jest możliwe przenoszenie obciążeń wzdłużnych lub momentu skręcającego. Połączenia wciskowe: pośrednie i bezpośrednie zależnie od technologii: wtłaczane i skurczowe. Połączenie kombinowane polega na równoczesnym ogrzaniu oprawy i oziębieniu czopa. Często stosuje się też ogrzanie oprawy w połączeniach wtłaczanych, co umożliwia zastosowanie pras o mniejszej sile nacisku. Zalety połączeń wciskowych: - dokładna współosiowość; - brak elementów dodatkowych; - proste i tanie wykonanie; - duża obciążalność złącza (obciążenia zmienne i udarowe). Wady połączeń wciskowych: - znaczne obciążenia montażowe; - trudność uzyskania żądanego wcisku; - dodatkowe zabezpieczenia. W przypadku połączeń wciskowych, które są przewidywane do montażu, przed montażem używamy odpowiednich smarów (olej rzepakowy z dodatkiem talku lub smar grafitowy). Połączenia o bardzo dużym wcisku przewidziane do demontażu wyposażamy w kanały smarowe. 37

39 Rys. 4.2 Przykłady połączeń wciskowych 4.1 Obciążalność połączeń wciskowych Połączenie wciskowe może przenieść siłę poosiową (wzdłużną) lub moment skręcający. Zdolność do przeniesienia w/w obciążeń będzie zachowana, gdy: siła poosiowa F < T ( wywołanej dociskiem części) gdzie: F µ p π d l [ I ] µ - obliczeniowy współczynnik tarcia; p najmniejszy wymagany nacisk jednostkowy na powierzchnię styku czopa z oprawą S = π d l F T F µ p s Jeśli połączenie obciążone jest momentem skręcającym M s, wówczas wzór I przyjmuje postać: M s T d 2 M s 0,5 µ p π d 2 l [ II ] Na podstawie wzoru I i II możemy ustalić minimalny nacisk jednostkowy zapewniający pracę połączenia dla F lub M s. p F µ π d l [ III ] p 2M s µ π d 2 l [ IV ] Obliczanie wytrzymałości elementów połączeń wtłaczanych Rys. 4.3 Wtłaczanie tulei na wałek Wtłaczanie odkształcenia sprężyste, miarą ich jest wartość wcisku. 38

40 W = dz 1 D W2 ε = W - wcisk względny d ε - odkształcenie jednostkowe Odkształcenie jednostkowe jest także określane prawem Hooke a. ε = σ E σ max E E moduł Younga σ max E = W d W d σ max E W połączeniach wtłaczanych σ max zależy od p oraz od wymiarów średnic pierścieni części łączonych. Uwzględniając to wzór V przybiera postać. gdzie: C 1 W p max d + C 2 [ V ] E 1 E 2 p max maksymalne naciski dopuszczalne; E 1 i E 2 moduł Younga (E 1 czopa, E 2 oprawy). d średnica nominalna; C 1, C 2 współczynniki: υ 1 liczba Poissona dla czopa; υ 2 liczba Poissona dla oprawy. E = 2, [MPa] dla stali E = 0, dla żeliwa C 1 = υ 1 C 2 = υ 2 = 0,3 dla stali, = 0,25 dla żeliwa 1 współczynnik wydrążenia dla czopa; 2 współczynnik wydrążenia dla oprawy. 1 = d w1 d w1 d z1 d 2 = D w2 D z2 d D z2 39

41 Chcąc uzyskać minimalną wartość wcisku, przy którym połączenie przeniesie żądane obciążenie zastosujemy wzór: W p d C 1 + C 2 [ VI ] E 1 E 2 Do wzoru VI wstawiam żądane wartości nacisku p wyznaczone ze wzoru III i IV. Obliczanie połączeń wciskowych kończymy sprawdzeniem warunku V i VI, po ustaleniu pasowania i wartości W. F p µ π d l lub 2Ms p µ π d 2 l 4.2 Ustalanie nacisków dopuszczalnych Ustalenie p dokonujemy wg tabeli 4.1 Wartość p max wyznaczamy osobno dla czopa, osobno dla oprawy, przyjmując do obliczeń wartość mniejszą. Tablica 4.1 Wartość p max nie występują odkształcenia plastyczne lub zniszczenie części w wyniku naprężeń. Przed montowaniem części przy ustalaniu wartości w czasie, pomiaru należy uwzględnić chropowatość oraz fakt, że podczas wtłaczania wystąpi wygładzenie nierówności (zmniejszenie o 60% ich wysokości). Dobór pasowań Wcisk mierzony W, wynikający z pomiarów powinien wynosić: gdzie: W = Wmin + 1,2(R z1 + R z2 ) Wmin i W znane dobieram rodzaj pasowania Wmin > W R z1, R z2 - wysokość chropowatości powierzchni czopa i oprawy w µm; W - wcisk mierzony. W zależności od wymagań konstrukcyjnych dla połączeń wtłaczanych, połączenie możemy realizować wg ISO. H7/k6 lekko wciskowe; H7/m6 wciskowe; 40

42 H7/n6 mocno wciskowe; H7/r6 lekko wtłaczane; H7/s7 wtłaczane; H7/n7 mocno wtłaczane (połączenia skurczowe, obciążone znacznymi siłami obwodowymi lub wzdłużnymi, koła jezdne na osiach). W połączeniach skurczowych pominę: - obliczanie siły wtłaczania; - obliczanie wcisku mierzonego; 4.3 Obliczanie połączeń skurczowych Temperatura nagrzania oprawy d 2 = d[1 + α(t 2 + t 1 )] gdzie: t1 - temperatura otoczenia; t2 - temperatura nagrzania; α współczynnik rozszerzalności cieplnej; Względny przyrost cieplny średnicy nominalnej d wynosi: d 2 d d α(t 2 t 1 ) ε = = = α(t 2 t 1 ) I d d W połączeniach skurczowych wartość ε odpowiada wartości wcisku względnego Zatem po przekształceniu wzoru pierwszego otrzymam zależność: W ε =. d ε W t = + t = + α α d gdzie: W wartość Wmax wynika z przyjętego pasowania. 2 1 t 1 wzoru: Obliczanie siły do wtłoczenia wcisku mierzonego, temperaturę podgrzania oprawy ustalamy wg t 2 = 1,25W α d + t 1 gdzie: α - współczynnik rozszerzalności cieplnej, np. dla stali ; t 1 - temperatura otoczenia; t 2 - temperatura nagrzania. t 2 = - 1,25W + t α d 1 temperatura oziębienia czopa Mieszanina denaturatu lub acetonu z tzw. suchym lodem ok C, skroplone powietrze, tlen lub azot ok. 190 C. 41

43 5. Połączenia kształtowe 5.1 Charakterystyka i klasyfikacja połączeń kształtowych W połączeniach kształtowych łączenie części współpracujących oraz ustalanie ich wzajemnego położenia uzyskuje się przez odpowiednie ukształtowanie ich powierzchni (w połączeniach bezpośrednich) lub zastosowanie dodatkowych łączników (w połączeniach pośrednich). W połączeniach bezpośrednich na powierzchniach styku są wykonane występy i wgłębienia, które po połączeniu elementów spełniają funkcję łącznika. Rozróżniamy połączenia kształtowe: - wpustowe; - wielowypustowe; - kołkowe; - sworzniowe; - klinowe. Podstawowym zadaniem połączeń kształtowych jest przenoszenie obciążeń (siły wzdłużnej, poprzecznej lub momentu skręcającego) działających na łącznik. W zależności od rodzaju połączenia łączniki spełniają również dodatkowe zadania: - powodują skasowanie luzów; - dokładne osiowanie elementów połączenia; - umożliwiają przesuwanie elementów względem siebie lub zapewniają ścisłą powtarzalność położenia łączonych elementów w przypadku ich wielokrotnego montażu i demontażu. Części łączone mogą być nieruchome względem siebie (połączenie spoczynkowe) lub przesuwne wzdłuż osi (połączenie ruchome). 42