5.3 Erővel záró kötések

ENERGETIKAI MÉRNÖK SZAK

SZERKEZETTAN

5.3 Erővel záró kötések Az erővel záró kötésekben az elemeket olyan mértékben szorítják össze, hogy a felfekvő felületükön ébredő súrlódás elmozdulásukat megakadályozza. Teherbírásukat az összeszorító erő (a felületi nyomás) és a súrlódási tényező (tapadó súrlódás) határozza meg. A szorító erőt rendszerint ékhatás vagy rugalmas előfeszítés hozza létre. A gépészeti gyakorlatban számos változatukat használják. 5.3.1. Ékkötések Az ékkötésekben az ékhatást használják ki az elemek összeszorítására: az éket bekényszerítik az összeerősítendő elemek felületei közé, amelyek, rendszerint rugalmas alakváltozásuk hatására, létrehozzák a szorító erőt. Az éket benyomó Fa erő és a felületre merőleges Fr szorító erő közötti kapcsolat a 35. ábra szerint a következőképpen írható fel: , Fa = Fr tg(α + ρ1 ) + Fr tg ρ 2 ,

35. ábra Ékre egyensúlya

ható

erők

ahol ρ1 a lejtős felületen, ρ2 az alsó vízszintes felületen ébredő súrlódás félkúpszöge, a α lejtő hajlásszöge (ékszög). Az ék kihúzásához szükséges erő: Fa ki = Fr tg(α − ρ1 ) + Fr tg ρ 2 . Az ékkötés önzáró, ha az ék kihúzásához erőt kell kifejteni:

Faki ≥ 0 , α ≤ ρ1 + ρ 2

Bár sok területen előfordul ékkötés, azt leggyakrabban talán tengely-agy kötések létrehozására használják, ahol a tengelycsapot és a rá szerelt agyat beütött ék szorítja össze és rögzíti. Amikor az ék részére a tengelyben hornyot alakítanak ki, az ék reteszként is működhet, és a nyomatékot részben alakkal zárással viszi át. A tengely-agy kötések kialakítására az alábbi éktípusokat használják: − nyerges ék, − fészkes ék, − lapos ék, − íves ék, − tangenciális ék. Egyes éktípusok készülnek orros kivitelben is, ami megkönnyíti a kötés oldását. A 36. ábra bemutatja a gyakrabban használt ékkötéseket. Az ékkötések előnye, hogy tengelyirányban is rögzítik az agyat, annak megtámasztásáról nem kell külön gondoskodni. Hátránya viszont, hogy a beütött ék radiális irányban kismértékben eltolja az agyat, ami kiegyensúlyozatlanságot okoz, rezgéseket gerjeszt, ezért ez a kötés csak kisebb fordulatszámú tengelyeknél használható. Az ékkötést ugyanúgy méretezik, mint a reteszkötést, ahol az ék oldalfelületén 36. ábra. Ékkötések. a - fészkes, b - hornyos, c - orros hornyos, emegengedett felületi nyomás orros nyerges, f - lapos, g - orros lapos ék értékét a kötés (az ék) kialakításától függően választják ki.

BME Gépészmérnöki Kar Gépszerkezettani Intézet

29


SZERKEZETTAN

5.3.2. Csavarkötések A csavarkötések talán a leggyakrabban használt kötések, amely a gépészet minden területén előfordulnak. Ezek is az ékhatás élvén működnek: a csavar felület lényegében egy hengerre felcsavart ék felületnek tekinthető, ahol a szorító hatást a csavar és az anya egymáshoz viszonyított elfordításával hozzák létre. A csavarok különböző szabványosított menet profillal készülnek. Használnak éles menetet (métervagy Whitworth menetet), trapéz, fűrész vagy zsinór menetet. A metrikus és a trapézmenet profilját a 37. ábra mutatja be. A kötőcsavarok rendszerint métermenettel (normál vagy finommenettel) készülnek (de az USA és az angolszász országok gyakran Whitworth menetű kötőcsavarokat használnak). A Whitworth csőmenetet minden országban használják. Trapéz és fűrészmenetet elsősorban mozgató csavarorsókon (pl. emelők, sajtolók, asztalmozgatások) alakítanak ki. A zsinór menetet főleg erősen szennyezett környezetben használják (pl. vasúti kocsik összeerősítésére). A metrikus menet profilja 60o -os csúcsszögű háromszög. A Whitworth menet profil szintén háromszög, melynek csúcsszöge 55o. A trapéz menet profilszöge 30o. Méreteik szabványosak, ezért a rajzokon a menetek 37. ábra a - metrikus és b - trapéz menet profil megadásához elegendő csupán a menet jelét, külső átmérőjét és esetleg menetemelkedését megadni. A normál métermenetű csavarnál csak az átmérőt kell előírni (pl. a 12 mm külső átmérőjű csavarnál: M12), az ahhoz tartozó jellemző méretek a szabványban megtalálhatók. Finom méter menet emelkedése kisebb, mint a normál meneté, ezért a rajzon a menetemelkedést is fel kell tüntetni (pl. ha a 12 mm külső átmérőjű metrikus menetű csavar emelkedése 1 mm: M12x1). A kötőcsavarok anyaga általában acél. Az acél csavaranyagok jelölésékor rendszerint csak azok szilárdságát és folyáshatárát írják elő, egyszerűen két számmal, amelyeket ponttal választanak el. Az első szám a névleges szakító szilárdságot (a szakító szilárdság századrészét), a második a folyáshatárt (a folyáshatár és a szakító szilárdság hányadosának tízszeresét) jelenti. Pl. a 8.8 csavar anyagának névleges szakító szilárdsága 800 N/mm2, folyáshatára 640 N/mm2. Az acél anya anyagánál csak a szilárdságot adják meg (pl. 6, ami 600 N/mm2 szakító szilárdságú anyagot jelent). Ritkán különleges célra használnak más anyagból, pl. színesfémből, alumíniumból vagy műanyagból készült csavarokat is. A csavarokat, nagy tömegben, rúdból hidegalakítással készítik: a fejet zömítéssel, a menetet mángorlással alakítják ki csavargyártó célgépeken. Kis mennyiségben készülnek csavarok forgácsolással is, ezek szilárdsága azonban kisebb, mint a hidegen alakított csavaroké. Az acél csavarokat szükség esetén korrózió ellen védő bevonattal látják el (barnítják, foszfátozzák, horganyozzák, kadmiumozzák, rezezik, krómozzák, ónozzák). Ritkán korrózióálló acélból is készítenek kötőcsavarokat. A csavarok kialakítása rendkívül változatos. Vannak − fejes csavarok (hatlapfejű, négylapfejű, hengeres-fejű, süllyesztett-fejű, lencsefejű, belső kulcsnyílású csavarok) − tőcsavarok, − hernyócsavarok − különleges csavarok: lemezcsavarok, menetnyomó csavarok, facsavarok stb. Néhány gyakrabban használt csavar típus a 38 és 39. ábrán látható. Az anyák is sokféle változatban készülnek: pl. hatlapú, négylapú, koronás, hornyos, zárt (40. ábra), szárnyas, hengeres anya, betétanya, lemezanya. A különleges anyák közé tartoznak a meneteken kedvezőbb terhelés eloszlást lehetővé tevő anyák: az alászúrt anya, a húzott anya, a beszúrt menetű anya. Az anya vagy a csavarfej alá gyakran alátétet tesznek, amely védi az alatta levő felületet a sérüléstől, és esetleg bizonyos mértékig akadályozza a csavarkötés lelazulását. Használnak sima, rugós, fogas stb. alátéteket.


30


SZERKEZETTAN

a

c

b

d

f e 38. ábra Fontosabb fejes csavarok. a - Hatlapfejű, b - hengeres fejű, c - belső kulcsnyílású, d - süllyesztett fejű, e- lencsefejű, f - négylapfejű csavar Miután nagyon sokféle csavart fordul elő a gyakorlatban, a kötések a b kialakítása igen változatos. Példaként különböző csavarokkal készült csavarkötéseket mutat a 41. ábra. c d Nagyon fontos a csavarkötés lelazulás elleni védelme: a csavar e f c biztosítás. Egyszerűbb b a esetekben erre a célra rugós 40. ábra. a – hatlapú anya, 39. ábra a - tőcsavar, b vagy fogas alátéteket b – koronás anyák, c – zárt anya, hernyó csavarok, c használnak, de d – négylapú anya, e – hornyolt gyengített szárkeresztmetszetű hatékonyabban akadályozza anya, f – homlok furatú anya csavarok a csavarkötés lazulását az anyába épített poliamid betét, a rugós csavarfej vagy a menetre felvitt megfelelő ragasztó. A legmegbízhatóbb csavarbiztosítás alakkal zárással érhető el, pl. biztosító lemezzel, huzallal, sasszeggel.

41. ábra Csavarkötés a – hatlapfejű csavarral és anyával, b – hatlapfejű csavarral, c – tőcsavarral és anyával, d – gyengített szárú tőcsavarral és két anyával

A csavarkötésben az erővel zárást a csavarerő hozza létre. A terheletlen csavarkötést a csavar meghúzásakor rugalmasan előfeszítik. Az FV előfeszítő erő nagyságát gyakran a meghúzási nyomatékkal állítják be. A csavar meghúzásakor a meneten és a felfekvő felületen ébredő ellenállást kell legyőzni. A menet ellenállás csavaró nyomaték igénye az M M = FV tg(α + ρ ′) d 2 , a felfekvő 2

felület

súrlódási

nyomatéka

az

M A = FV µ

dA 2

összefüggéssel

határozható

meg,

ahol:

α = artg ( P / d 2π ) a menetemelkedés szöge, P- az emelkedés, d2 - a menet középátmérője, µM a látszólagos menetsúrlódás fél kúpszöge, µM – a menet súrlódási tényező, ß- a cos β menet profilszög fele, µA - a felfekvő felületen a súrlódási tényező, dA- a felfekvő felület középátmérője. A csavar meghúzás nyomatéka: M = M A + M G . ρ' = ar ctg


31


SZERKEZETTAN

A csavar előfeszítő erő nagysága a meghúzási nyomaték mellett a csavar méreteitől és a csavarkötés súrlódási viszonyaitól függ. A meneten és a felfekvő felületen megjelenő súrlódás tényező nagyságát a felületek állapota és a kenésállapot határozza meg: µM≅µA=0,08…0,14 (0,2). A csavar meghúzásakor a kialakuló előfeszítő erő nagysága csak bizonyos hibával állítható be, mert nem ismert a pontos meghúzási nyomaték és súrlódási tényező. A meghúzási nyomaték mérhető nyomatékmérő kulccsal, vagy az előfeszítő erő nagysága beállítható a csavar megnyújtásával (az anya elfordulás mérésével, a csavar megnyúlás mérésével), illetve a megfolyás érzékelésével. A csavar előfeszítését a csavar és közrefogott elemek – meghúzás során kialakuló – rugalmas alakváltozása hozza létre (rugalmas előfeszítés). Az előfeszített csavar és a közrefogott elemek párhuzamos rugórendszerként modellezhetők, és megrajzolható erőhatás ábrájuk, amely alakváltozásuk és terhelésük közötti kapcsolatot mutatja be (42. ábra). A külső terhelés hatására az elemeket terhelő erőrendszer átalakul attól függően, hogy hol és milyen irányban hat a külső terhelés. Ez a változás jól követhető az erőhatás ábrán, amelyből 42. ábra Csavar erőhatásábra megállapítható a csavar és a közrefogott elemek üzemi terhelése, annak időbeli változása, sőt az is, hogy üzem közben a kötés lelazulhat-e. Az FV előfeszítő erő a csavarban húzófeszültséget, a meghúzási nyomatéknak a menet ellenállásból eredő része csavaró feszültséget ébreszt, (amelyeket a magátmérővel, vagy a magátmérő és a középátmérő átlagértékével meghatározott keresztmetszettel, illetve keresztmetszeti tényezővel számolnak), a belőlük számított egyenértékű feszültség határozza meg meghúzáskor a csavar mértékadó igénybevételét, amely nem haladhatja meg a csavaranyag folyáshatárának 90%-át. F

a

F

F

b

F

43. ábra Keresztirányban terhelt csavarkötések a – illesztett szárú csavarral, b – tehermentesítő csővel

Előfordul, hogy a csavarkötés külső terhelése, vagy annak egy része keresztirányban (a csavarra merőlegesen) hat. Ezt a terhelést a kötés vagy súrlódással, vagy alakkal zárással viheti át. Az alakkal zárás esetén illesztett szárú csavar, tehermentesítő cső (43. ábra) vagy illesztő szeg veszi fel a keresztirányú terhelést (bennük nyíró igénybevétel ébred). A nem illesztett csavart és különösen annak menetes szakaszát nyíró erő nem terhelheti. Ilyenkor akkora csavar előfeszítést kell létrehozni, amely biztosítja, hogy az érintkező felületeken ébredő súrlódás biztonsággal átvigye a keresztirányú terhelést.

5.3.3. Sajtolt és zsugorkötések Erővel záró kötés úgy is kialakítható, hogy az elemeket szilárd illesztéssel (pl. H7/s6, H8/t7), vagyis túlfedéssel szerelik össze. Ilyenkor az összeszerelés vagy egymásba sajtolással, vagy tágítással illetve zsugorítással (melegítéssel, mélyhűtéssel, esetleg olajnyomással) végezhető el. A szerelés után, a túlfedés okozta rugalmas előfeszítés miatt, az érintkező felületeket rugóerő szorítja össze (felületi nyomás alakul ki), amely súrlódással terhelés (erő és/vagy nyomaték) átvitelére képes. Az átvihető erő/nyomaték a súrlódási (tapadási) tényezőtől és a felületi nyomástól függ. A felületi nyomás nagyságát (a kialakítható túlfedés mértékét) a tengely vagy az agy szilárdsága korlátozza (túl nagy túlfedés az agyat eltöri, vagy maradó alakváltozással kitágítja, ami csökkenti a felületi nyomást). Egy d átmérőjű tengely és lt hosszú agy között kialakított zsugorkötéssel átvihető nyomaték:

M t = pµ dπ lt d . A p nyomás létrehozásához szükséges túlfedés: Z = pd(K 1 + K 2 ) , ahol a K1 és K2 2


32


SZERKEZETTAN

az agy da külső, a tengely d külső és di belső átmérőjétől, valamint a tengely és az agy jellemzőitől (E, ν) függő rugalmassági tényezők: K1 =

1 E1

 1 + Q12 +ν 1  ,  2 1 Q − 1  

K2 =

1 E2

1 + Q22  −ν 2  , ahol  2 1 − Q 2 

Q1 =

d d , Q2 = i . da d

A p felületi nyomás által okozott feszültség nem haladhatja meg a folyáshatárt az agyban:

3 + Q14 2p < ReH 2 . σ e1 = p < ReH 1 , illetve a tengelyben: σ e 2 = 2 1 − Q1 1 − Q22 A kötés méretezésekor azt az illesztést határozzák meg, amelynél a minimális túlfedés elegendő a nyomaték (erő) átviteléhez, és maximális túlfedése nem idéz elő az agyban (vagy a tengelyben) törést vagy maradó alakváltozást. Sajtolással szerelt kötéseknél a felület elkenődéséből eredő fedés csökkenést is figyelembe kell venni. 5.3.4. Szorítókötések Felhasított vagy osztott agyakat a tengelyre felerősítéskor csavarokkal szorítják össze. Ebben az esetben is a nyomaték átviteléhez szükséges felületi nyomás a fenti zsugorkötésnél használt

M t = pµ dπ lt d összefüggésből határozható meg, és abból számítható a szorító erő létrehozásához 2 szükséges FV csavar előfeszítő erő, ha ismert a csavarok i száma: Szimmetrikus csavar elhelyezés esetén: F1V = pdlt = 2 M t . Amennyiben a csavarok egy oldalon helyezkednek el (felhasított agy) a i dµ i csavar előfeszítő erő számításakor a csavar helyét is figyelembe kell venni. Az agy teherbírását a csavarerők által okozott hajlító feszültségek határozzák meg. 5.3.5. Kúpos kötések A nyomaték átviteléhez szükséges szorító erő (felületi nyomás) kúpos tengelyvégen is létrehozható az agy tengelyirányú feltolásával (44. ábra). A szükséges radiális szorító erő a súrlódással átvihető nyomaték zsugorkötésnél már ismertetett összefüggéséből meghatározható: F = pd mFπ l = 2 M , amely létrehozáshoz az agyat µ d mF

α

44. ábra Kúpos kötés számított

Z

túlfedéssel:

Fax = Ftg ( + ρ ) ( ahol ρ = arctgµ ) erővel kell felszorítani a kúpra. 2 A kötés méretezése a továbbiakban a zsugorkötéseknél használt összefüggések segítségével történhet: a szükséges nyomás ismeretében számítható a tengelyben és az agyban ébredő feszültség, valamint az agy és tengely együttes alakváltozása (ami megegyezik a 2 Z = pd(K 1 + K 2 ) , K 1 = 1 1 + Q1 + ν 1  , 2 E 1

Q1 =

1 − Q1



K2 =

 1 1 + Q22 −ν 2   2 E 2 1 − Q 2 

d Z d , Q2 = i ). Az alakváltozásból számítható az agy ∆l = tengelyirányú eltolásának α da d 2tg 2

mértéke. A tengelycsapon kifejtett radiális szorító erő nagysága viszonylag pontosan beállítható az agy tengelyirányú eltolásának mérésével. 5.3.6. Kúpos szorító hüvelyes kötések A gyakorlatban gyakran használnak nyomatékkötések létrehozására különböző kialakítású kúpos szorító hüvelyeket, amelyek a kúpos kötés elvén működnek, és alkalmasak hengeres tengelyvégen


33


SZERKEZETTAN

erővel záró nyomatékkötés létrehozására. 45. ábra bemutat néhány korszerű szorító hüvelyes és kúpos gyűrűs kötést. Ezek számítására rendszerint nincs szükség, a gyártó cég a katalógusából kiválasztható az adott nyomaték és tengelyirányú erő átviteléhez szükséges méretű szorító hüvely.

45. ábra Tengely-agy kötés különböző kúpos gyűrűs elemekkel


34

5.3 Erővel záró kötések

Recommend Documents