5.1 Połączenia gwintowe

5.0 Połączenia Połączenia służą o pzenoszenia obciążeń mięzy elementami konstukcyjnymi uniemożliwiając ich wzajemne pzemieszczenia. POŁĄCZENIA NIEROZŁĄCZNE ROZŁĄCZNE PLASTYCZNE - nitowe - zawijane - zaginane - oznitowywane TERMICZNE E - spawane - zgzewane - lutowane twae miękkie CHEMICZNE KSZTAŁTOWE SPRĘŻYSTE CIERNE - klejone - gwintowe - wpustowe - wypustowe - kołkowe - swozniowe Rys. 5.1. Ogólny poział połączeń. 5.1 Połączenia gwintowe - zatzaskowe - zapakowe - pieścieniowe - taczowe - gwintowe - wciskane wtłaczane skucz. ozpężne a) = D Nakętka Naketka Śuba uba = D b) c) 3 D 1 ) Rys. 5.. Pzykłay zaysów gwintów; a) tójkątny, b) tapezowy symetyczny, c) okągły, ) tapezowy niesymetyczny Połączenia gwintowe - połączenia ozłączne, kształtowe w któych siłę złącza pzenosi opowienio ukształtowany zays pzekoju osiowego (patz ys. 5.) w postaci kzywej pzestzennej (helisy) nawiniętej na walcu lub stożku ściętym. Śuba - element konstukcyjny z zaysem gwintu wykonanym na powiezchni zewnętznej walca lub stożka. Nakętka - element konstukcyjny z zaysem gwintu wykonanym na powiezchni wewnętznej otwou. Tabl. 5.1. Typowe ozwatości kluczy o elementów złącznych z łbami sześcio- lub czwookątnymi. Śen. gwintu 5 6 8 10 1 14 16 18 0 4 7 30 33 Rozwatość S 9 10 1 13 14 17 19 4 30 36 41 46 50 Śen. gwintu 36 39 4 45 48 5 56 60 64 68 7 76 80 85 90 95 Rozwatość S 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 10 130 135 5.1.1. Pasowania gwintów Znomalizowane pasowania gwintów metycznych pzestawiono w tablicy 5.b. 55

Postawy konstukcji maszyn pojektowanie Tabl. 5.. Najczęściej używane ozaje gwintów (a), oznaczenia znomalizowanych pasowań gwintów metycznych (PN-83/M-0113) (b). Nazwa gwintu a) b) Paamety w oznaczeniu Pzykła Metyczny Śenica zewn. M6 Metyczny obnozwojny Calowy (Whitwotha) Calowy obnozwojny Ruowy (zewnętzny) Ruowy (wewnętzny) Tapezowy symetyczny Tapezowy niesymetyczny Tapez. niesymetyczny 45 0 Okągły Stożkowy calowy (Biggsa) Stożkowy metyczny Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna Śenica pzelotu uy Śenica pzelotu uy Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna Śenica zewnętzna M80x3 3/4 W80x1/6 R3 G1/ T 4x5 Sx6 S45 0 48x8 R3x1/ StB1 StM6x1 Eisona Śenica zewn. E7 Eisona met. Śenica zewn. Em16 Do uek pancenych gwintu na 1 cal Liczba skoków P16 Do połączeń klosza z kopusem Śenica zewnętzna opawy oświetl. A84,5 Roweowy Śenica zewn. Rw9,5 Do zawoów o Śenica zewnętzna ętek Gz10,3 Lewy M1 LH Wielokotny pawy -kotny Sx6 Wielokotny lewy 3-kotny T48x16 LH Klasa gwintów 5.1.. Moment tacia na gwincie Dokłana Śenio okłana Moment niezbęny o pzemieszczenia nakętki (lub śuby) obciążonej siłą osiową : Gwinty zewnętzne Gwinty wewnętzne S N L S Zgub na 5g6g 3h4h 5h6h 6 6e 6f 4g 6g 8g 4h 6h 8h 7e6e 7g6g 9g8g 5h4h 7h6h 5G 4H 5H 6G 7G N 4H5H 5H 6H 7H 7G 8G L 6H 7H 8H Zalecane stosowane nie zalecane, S, N, L ługości skęcenia (kótkie, nomalne, ługie) 56

M µ tg( ρ ) = ; cos( α ) T = 0,5 ś tg( γ ± ρ ) p tg( γ) = ; π ś + D = 1 (5.1) gzie: p - skok linii śubowej gwintu, γ - kąt pochylenia linii śubowej, ρ - pozony kąt tacia, µ - współ. tacia mięzy śubą a nakętką (la połączeń ok. 0,1 0,), α - oboczy półkąt zaysu gwintu (obciążonej części zaysu gwintu, la gw. metycznych 30 0 ),, D 1 - śenica nominalna gwintu i śenica otwou w nakętce (ys. 5.), ± - (+) gy uch poosiowy śuby lub nakętki posiaa zwot pzeciwny o zwotu wektoa siły, (-) gy oba zwoty są zgone. Ganica samohamowności waunek zabezpieczający pze wystąpieniem uchu nakętki wzglęem śuby po wpływem obciążenia osiowego (M T 0). Okeślona jest następująco: γ ρ (5.) 5.1.3. Spawność pzekłani gwintowej Spawność pzekłani gwintowej nie zależy o śenic śuby i nakętki, jak pzestawiono we wzoze: tg( γ ) η = tg( γ ± ρ') Na ysunku 5.3 pzestawiono pogląowo wybane zastosowania gwintów. (5.3) Ganica samohamown Pasy η Ponośniki El. złączne 10 0 0 0 45 0 5.1.4. Minimalna ługość nakętki H = π ( γ 4 p D 1 ) z k Rys. 5.3. Spawność w typowych zastosowaniach gwintów w funkcji kąta pochylenia linii śubowej (5.4) gzie: obciążenie osiowe złącza, z - kotność (zwojność) gwintu, k - powiezchniowe naciski opuszczalne słabszego z mateiałów złącza gwintowego (patz tab. 5.4),, D 1 57

Postawy konstukcji maszyn pojektowanie śenice wg ys. 5.. Dla elementów złącznych z gwintem metycznym zwykłym, wykonanych ze stali, pzyjmuje się: H 0,8. Tabl 5.3. Powiezchniowe naciski opuszczalne la połączeń gwintowych. Połączenia, k [MPa] Mateiał Spoczynkowe (elem. złączne) Półuchowe (zako pouszane) Ruchowe (pzekłanie) Stal St5, St6, St7 3 40 7 11 13,5 Staliwo 15L 5L 5 30 16 0 8 10 Zl100 1 15 8 10 4 5 Żeliwo Zl00 16 0 10 13 5 6,5 Zl300 0 5 13 16 6,5 8 Mosiąze, miękkie 4 8 15 19 7,5 9,5 bązy, spiże twae 3 40 7 11 13,5 Stopy miękkie 6 8 - - lekkie twae 1 16 - - 5.1.5. Obliczenia wytzymałościowe Klasa wytzymałości mechanicznej śub Pzykła oznaczenia śuby: śuba z łbem 6-kt. M1x40-6.8 Wielkość gwintu metycznego zwykłego Długość śuby (bez łba) Klasa wytzymałości: - R m 600 MPa, - R e /R m = 0,8 W użyciu są następujące klasy wg PN-8/M-8054.03 (w nawiasach poano opowiaające im mateiały stalowe): 3.6 (St3); 4.6 (St4); 4.8; 5.6 (35); 5.8 (St5); 6.6, 6.8 (45); 8.8 (30H); 10.9 (40H); 1.9 (40HMF). 1. Złącza skęcane swobonie (obciążenie tylko siłą osiową) W pzekoju śuby ziałają napężenia wywołane tylko obciążeniem oboczym. Stą śenica zenia śuby: 4 3 = (5.5) π k gzie: k - napężenia opuszczalne na ozywanie lub ściskanie, statyczne lub zmęczeniowe. Na ysunku 5.4 pzestawiono nośność zenia śub na ozciąganie z gwintem metycznym zwykłym wykonanych w stosowanych klasach wytzymałości mechanicznej pzy za-łożeniu współczynnika bezpieczeństwa =,0. Umożliwia on szybkie oszacowanie śenicy gwintu la założonego obciążenia. 10000 Obciążenie, kn 1.9 10.9 8.8 1000 100 58 6.8 5.8 6.6 4.8 3.6 4.6 5.6 Rys. 5.4. Watości opuszczalnego

START 3 (wz. 5.5.), R e (z klasy wytzymałości śuby), x e (symbol gwintu) z PN-83/M-0013 STOP Rys. 5.5. Algoytm obliczeń złączy skęcanych swobonie.. Złącza skęcane po obciążeniem (obciążenie siłą osiową i momentem skęcającym M s ) W zeniu śuby istnieje złożony stan napężenia opisany następująco: σz = σ + 3 τ 4 σ = k π 3 16 Ms τs = 3 π 3 s 1,1 k (5.6) gzie: k napężenia opuszczalne statyczne lub zmęczeniowe, na ozciąganie lub ściskanie, k s napężenia opuszczalne statyczne lub zmęczeniowe, na skęcanie, 3 śenica zenia gwintu (może być wyznaczona wg wzoów z tabl. 3.6). Dla złącza obciążonego siłą osiową i wywołanym pzez nią momentem tacia na gwincie, siłę obciążenia można wyznaczyć z zależności: 0,79 π 3 k (5.7) ( γ + ) 18 ś tg ρ 1+ 3 3 59

Postawy konstukcji maszyn pojektowanie gzie: oznaczenia śenic jak na ysunku 5.. Wyniki obliczeń wg wzou (5.7) pzestawiono na ysunku 5.6 la współczynnika bezpieczeństwa =,0. 10000 Obciążenie, kn 1.9 10.9 8.8 1000 6.8 5.8 6.6 100 4.8 10 Śenica nominalna gwintu metycznego zwykłego, mm 1 6 8 10 1 16 0 4 30 36 4 48 56 64 7 80 3.6 4.6 5.6 Rys. 5.6. Watości opuszczalnego obciążenia połączenia gwintowego obciążonego siłą osiową ozciągającą i momentem tacia, la óżnych śenic nominalnych gwintu i klas wytzymałości mechanicznej Uwaga: Śuby (nakętki) ściskane należy spawzić na wyboczenie! START 3 (wz. 5.6 -nie II), R e (z klasy wytzymałości śuby), x e (symbol gwintu) z PN-83/M-0013 n+1 > n σ, τ (wz. 5.6 -nie II i III) M s, R es (tabl. 3.3) Nie σ z k,c (wz. 5.6 -nie I) Tak STOP Rys. 5.7. Algoytm obliczeń złączy skęcanych po obciążeniem 3. Złącza z napięciem wstępnym (obciążenie siłą osiową i napięciem wstępnym) Poczas montażu wpowaza się zazwyczaj o złącza napięcie wstępne powoujące powstanie napężeń oatkowych, oientacyjnie: σ 40 o [MPa] [ mm] (5.8) Napężenia te mogą być niebezpieczne la śub o małej śenicy. Stą zaleca się sto- 60

sować o obliczenia śenicy zenia śuby w pzypakach ujętych w pkt. 3 i 4a, następujące wzoy na śenicę zenia: 0 - la 60 mm: 3 1,15 + 5 [mm] (5.9) w k 0 - la > 60 mm: 3 1,5 [mm] (5.9a) w k gzie: w - współczynnik okłaności (jakości) wykonania gwintów w złączu: w = 0,5 - gwint wykonany ęcznie, w = 1,0 - gwint wykonany maszynowo; 0 - obliczeniowa siła obciążająca zeń jenej śuby [N], k napężenia opuszczalne na ozciąganie lub ściskanie [MPa]. W pzypaku złączy jakościowych: szczelnych w któych nie opuszcza się o wystąpienia pzecieków pomięzy łączonymi elementami, bezluzowych gy nie opuszcza się o wystąpienia luzu pomięzy łączonymi elementami, watość siły obciążającej śubę wyznacza się następująco: 0 = + z z (5.10) gzie: - obciążenie użyteczne (obocze) całego złącza, z ilość śub w złączu, z - obciążenie esztkowe pojeynczej śuby, la połączeń zwykłych pzyjmuje się: = 0, z. (5.10a) z Dla złączy szczelnych okeśla się watość obciążenia esztkowego oaz obciążenia wstępnego złącza uwzglęniając poatności elementów złącza oaz waunek szczelności. Paktyczny waunek szczelności złącza: Fk p z = (1,5,0) z (5.10b) p - maksymalna watość ciśnienia w zbioniku lub uociągu, F k czynna powiezchnia uszczelnienia. W pzypaku połączeń bezluzowych, waunek baku luzu pomięzy łączonymi elementami okeśla się jako: m - współczynnik pewności, m = 1,0 1,5. z = ( m 1 ) z (5.10c) Śenicę zenia śuby, la złącza szczelnego, można wstępne oszacować na posta- 61

Postawy konstukcji maszyn pojektowanie wie wzou: 3n 4 F p n π D t n = (5.11) π D k z t gzie: F czynna powiezchnia pokywy lub pzelotu uociągu, n - stosunek poziałki ozstawienia z śub np. na śenicy D t o śenicy nominalnej gwintu. Pzyjmuje się: la ciśnienia: p 1 MPa n = 5 6, p = 1 10 MPa n = 4 5, p = 10 15 MPa n = 3 4. Obciążenie śuby w złączach gwintowych z napięciem wstępnym oblicza się z następujących wzoów: 0 = w + β z w = z + ( 1 β) 1 β = ck 1 + cs 1 n l ki = ck i= 1 E ki Fki 1 1 m lsi = cs Es i= 1 Fsi z (5.1) gzie: w - napięcie wstępne jenej śuby, β - współczynnik poatności złącza, c k - sztywność zastępcza kołnieza (uszczelki) złącza pzypaająca na jeną śubę (ys. 5.7), c s - sztywność zastępcza śuby, l ki, l si - gubość lub ługość i-tego elementu kołnieza lub śuby, E s, E ki - mouł spężystości wzłużnej mateiału śuby lub mateiału i-tego elementu kołnieza (la mateiałów uszczelnień - patz tab. 11.1), F ki, F si - powiezchnia i-tego elementu kołnieza lub pzekoju śuby. 0 a) b) Siła w śubie 45 k3 s3 L s3 w z α β Wyłużenie L k3 L L k k1 s1 s k1 k L s s1 L Rys. 5.8. Połączenie z napięciem wstępnym, a) - stan obciążenia i okształcenia, b) - sposób obliczania powiezchni elementów kołnieza 6

Śenicę zenia śuby (pzyjętą wstępnie ze wzou 5.11) należy spawzić wg wzoów (5.9 lub 5.9a). START = A p A, p 3n (wz. 5.11) R e (z klasy wytzymałości śuby), x e 3,n+1 > 3 Nie n (symbol gwintu), 3n c s (wz. 5.1 -nie V) c k (wz. 5.1 -nie IV) β (wz. 5.1 -nie III) z (wz. 5.11) w (wz. 5.1 -nie II) 0 (wz. 5.1 -nie I) χ = 0 0 + 3 3n Tak STOP w w Z (wz. 3.10) 3 (wz. 5.15) z PN-83/M-0013 E s, l si, si, (ys. 5.8) E ki, l ki, ki (ys. 5.8) Z waunku szczelności, F ki x z Z c, Z j (tabl. 3.) A - pow. czynna pokywy, β - wsp. sztywności złącza, c k - sztywność kołnieza, c s - sztywność śuby, n - śen. nominalna gwintu, 3 - spawzająca watość śen. zenia gwintu, 3n - nominalna śen. zenia gwintu, 3n - wstępnie pzyjęta śen. zenia gwintu, ki, si, F ki, l ki, l si paamety geometyczne złącza, E s, E ki mouły Younga, χ - wsp. stałości obciążenia śuby, p - maks. ciśnienie, 0 - maks. siła w jenej śu- bie, - maks. ziałająca na pokywę, w - siła zacisku wstępnego w jenej śubie, z - siła zacisku esztkowego, Z c, Z j - ganice wytzymałości zmęczeniowej, x z - zmęczeniowy wsp. bezpieczeństwa. Rys. 5.9. Algoytm obliczeń złączy z napięciem wstępnym (szczelnych) W celu wywołania w śubie siły napięcia wstępnego za pomocą klucza ynamometycznego należy wyznaczyć moment okęcenia nakętki lub śuby: ( + S) µ w M = M T + (5.13) 4 63

Postawy konstukcji maszyn pojektowanie gzie: M T - moment tacia na gwincie nakętki obciążonej siłą osiową w (wz. 5.1), µ - współczynnik tacia mięzy nakętką lub łbem śuby a łączonym elementem, śenica nominalna gwintu, S ozwatość klucza. 4. Złącze obciążone stycznie o powiezchni (bez siły osiowej w śubie lub siłą osiową napięcia wstępnego) Wyznaczenie obciążenia ziałającego na pojeynczą śubę P i α i P Mi PMi z = 4 L Rys. 5.10. Paamety geometyczne w złączu obciążonym stycznie momentem skęcającym i siłą Skłaowa obciążenia pojeynczej śuby o siły P: gzie: z - ilość śub w złączu. P P = z (5.14) Skłaowe obciążenia o momentu skęcającego M S (wg ys. 5.10, MS = P L ) można wyznaczyć z ukłau ównań: Mi Mi = i i z M S = i 1 = const. z Mi Mi i = = i i= 1 i (5.15) gzie: Mi - i-ta skłaowa o momentu M S obciążająca śubę oaloną o i o śoka ciężkości zespołu śub w złączu. Siła wypakowa obciążająca pojeynczą siłę (maksymalna jej watość zazwyczaj występuje w śubach położonych najbliżej postej wyznaczającej kieunek obciążenia P): PM P Mi = + + cos( α) (5.16) P Mi gzie: α - kąt mięzy skłaowymi: P i Mi. Waunki wytzymałościowe o wyznaczenia śenicy śuby najbaziej obciążonej Ze wzglęu na konieczność uniknięcia pomyłek poczas montażu złącza wszystkie śuby pzyjmuje się jenakowe i o pzekoju czynnym ównym pzekojowi śuby najbaziej 64

obciążonej. Rozóżnia się wa pzypaki ozwiązań konstukcyjnych tych złączy. a) Śuby pasowane (pasowanie pzylgowe mięzy powiezchniami centującymi H7/h6). Powiezchnie otwoów i pzekój śuby muszą spełnić waunki: σ τ t PM = l n 4 PM = π m k k t (5.17) gzie: - pasowana śenica śuby, l n - najmniejsza gubość lub suma gubości elementów łączonych, któych powiezchnie otwoów pzenoszą obciążenie o siły PM, m - ilość pzekojów ścinanych, k - opuszczalne naciski powiezchniowe spoczynkowe najsłabszego mateiału, k t - napężenia opuszczalne na ścinanie mateiału śuby. Stą watości poszukiwanych paametów: 4 π m k PM t PM ; ln = (5.18) π m k t k b) Śuby luźne (obciążenie pzenoszone pzez siłę tacia mięzy łączonymi elementami) Siła napięcia wstępnego pojeynczej śuby wywoływanej momentem M (wg wzou 5.13) uzyskanym z klucza ynamometycznego lub specjalnego napinacza hyaulicznego (zaanie konstukcyjne pkt. 11.). PM W (5.19) µ Stą śenica zenia śuby (pzy założeniu ównomienego ozłożenia nacisków mięzy łączonymi elementami): 3 4 w (5.0) π k gzie: k statyczne napężenia opuszczalnie mateiału śuby zgonego z jej klasą wytzymałości mechanicznej. Z wykesów pzestawionych na ysunku 5.4 można obać wielkość gwintu metycznego zwykłego w funkcji klasy wytzymałości mechanicznej śuby. 65

Postawy konstukcji maszyn pojektowanie START P (wz. 5.14) P, z Mi (wz. 5.15) M s, i PM (wz. 5.16) α min Nie Śuby luźne? Tak (wz. 5.17) l n, m, k t, k w (wz. 5.18) - siła zacisku wstępnego M (symbol gwintu) 3 (wz. 5.19) µ, R e (z klasy wytzymałości śuby), x e STOP M (symbol gwintu) z PN-83/M-0013 M T (wz. 5.1) µ σ, α, 1, (z PN-83/M-0013) n+1 > σ, τ (wz. 5.5 -nie II i III) k s (z klasy wytzymałości śuby) Nie - moment okęcenia klucza ynamometycznego σ z k (wz. 5.5 -nie I) Tak M (wz. 5.13) STOP Rys. 5.11. Algoytm obliczeń śub obciążonych stycznie o powiezchni złącza. Piśmiennictwo [1] Dietich M. i inni: Postawy Konstukcji Maszyn, t., PWN, Waszawa 1988, [] PN/M-0013: Gwinty metyczne ogólnego pzeznaczenia..., PKNMiJ, [3] PN/M-0046: Śenice otwoów pzejściowych la śub i wkętów, PKNMiJ, [4] PN/M-0048: Rozwatości kluczy i wymiay po klucz, PKNMiJ, [5] PN-83/M-0113: Gwinty metyczne o śenicach 1 o 600 mm. Toleancje, PKNMiJ, [6] PN/M-8054.03: Własności mechaniczne śub i wkętów, PKNMiJ, 66

[7] PN/M-8054.03: Własności mechaniczne śub i wkętów, PKNMiJ, [8] PN/M-8054.04: Własności mechaniczne śub i wkętów ociskowych, PKNMiJ, [9] PN/M-8054.09: Własności mechaniczne nakętek, PKNMiJ, [10] PN/M-85061: Śuby funamentowe, PKNMiJ, [11] PN/M-8063: Gwinty metyczne. Wymiay wyjść i pocięć..., PKNMiJ, [1] PN/M-8070 8515: Śuby..., Wkęty..., Nakętki..., Pokłaki..., PKNMiJ, 67