szegecskötések peremezések szegkötések reteszkötések bordástengely kötések fogastengely kötések poligontengely kötések

ENERGETIKAI MÉRNÖK SZAK

SZERKEZETTAN

4. GÉPELEMEK ÉS SZERKEZETEK A gépészeti tervezés során arra törekszenek: a termékekkel szemben támasztott követelményeket a lehető legteljesebb mértékben kielégítsék úgy, hogy a megvalósult szerkezetek minél optimálisabb legyenek. A tervezés koncepció fázisában kidolgozott elemi és részfunkciók teljesítésére kikeresik a legalkalmasabb megoldásokat. Az egyes funkciók ellátására már nagyon sok megoldást (gépelemet és szerkezeti egységet) kidolgoztak, amelyek a műszaki gyakorlatban nagyon jól beváltak. Ezek közé tartoznak: − kötések és kötőelemek, amelyek feladata a gépalkatrészek állandó vagy ideiglenes összekapcsolása, vezetése, az erők, nyomatékok átadása stb. − rugók, amelyek erők felvételére vagy létrehozására, eltolódások, elmozdulások kompenzálására, rezgések, lengések csillapítására stb. szolgálnak, − tengelyek, amelyek feladata a forgó alkatrészek megfogása, erők, nyomatékok felvétele, továbbítása, − sikló- és gördülőcsapágyak, amelyek a tengelyek vezetésére, megtámasztására, a csapágyerők felvételére szolgálnak, − tengelykapcsolók két tengely, vagy egy tengely és egy rajta levő alkatrész, összekötésére, nyomatékok átvitelére, helyzethibák kiegyenlítésére, nyomaték lökések csökkentésére stb. szolgálnak, − hajtások, amelyek továbbítják a teljesítményt a hajtó géptől (motortól) a hajtott géphez (munkagéphez), miközben annak jellemzőit (pl. a nyomatékot és a szögsebességet) átalakítják a kívánalmaknak megfelelően. − csővezetékek és csőszerelvények, amelyek feladata az anyagok tárolása, anyagáramok vezetése, irányítása, − tömítések, amelyek anyagáram megakadályozására, a szennyeződés elleni védelemre szolgálnak. A fontosabb gépelemeket részletesebben a következő fejezetek ismertetik. A tervezés során célszerű először közülük kiválasztani a feladat ellátására legalkalmasabbakat, amelyek nagy része ma már kereskedelmi forgalomban, széles méret és típus választékban, rendelkezésre áll, onnan beszerezhető. Csak akkor érdemes új elemet tervezni és legyártatni, ha a kész elemek valami miatt nem felelnek meg a követelményeknek. 5. KÖTÉSEK, KÖTŐELEMEK A gépalkatrészek állandó vagy ideiglenes összekapcsolására, az erők és nyomatékok átadására nagyon sokféle kötést, kötőelemet használnak, amelyeket hatásmechanizmusuk szerint csoportosítva a 3. táblázat foglal össze: 3. táblázat Kötések csoportosítása Anyaggal záró kötések hegesztés forrasztás ragasztás beágyazás és kiöntés

Alakkal záró kötések szegecskötések peremezések szegkötések reteszkötések bordástengely kötések fogastengely kötések poligontengely kötések

Erővel záró kötések ékkötések (részben alakkal zárók lehetnek) csavarkötések zsugorkötések kúpos kötések kúpos gyűrűs kötések szorítókötések

A kötések oldhatóságuk alapján is csoportosíthatók: − (roncsolás nélkül) nem oldható kötések: az anyaggal záró kötések, a peremezés és a szegecskötés − oldható kötések: az alakkal záró kötések (a szegecskötés és a peremezés kivételével), és az erővel záró kötések

BME Gépészmérnöki Kar Gépszerkezettani Intézet

18


SZERKEZETTAN

Az oldható kötések közül feltételesen oldható a zsugorkötés, mert oldás után az eredeti állapot az újra kötés után már tökéletesen nem állítható helyre. 5.1. Anyaggal záró kötések Az anyaggal záró kötések két alkatrész között olyan folyamatos anyagréteget hoznak létre, amely mind a két alkatrészhez erősen kötődik, és alkalmas erők és elmozdulások átvitelére. A kötő anyagréteg olvasztással, fizikai vagy kémiai kikeményítéssel egyaránt kialakítható. A kötés szilárdságát adhéziós vagy kohéziós erők határozzák meg. 5.1.1. Hegesztés A hegesztés során a két (elsősorban fémből vagy műanyagból készült) elemet csatlakozó felületük környezetében megolvasztják, esetleg külső anyagot adnak hozzá (hegesztő huzalt, hegesztőpálcát olvasztanak bele). A lehűléskor megszilárduló anyag az elemek között erős kohéziós kötést alakít ki. Csak azonos anyagok között jön létre megbízható hegesztett kötés. A hegesztés előnyei: − Az elemek gyorsan, kis sorozatban is gazdaságosan összeerősíthetők. − Könnyű szerkezetek is előállíthatók, mert csak oda építenek be anyagot, ahol az a teherbírás vagy a merevség miatt szükséges. − Elkészült, vagy meghibásodott szerkezetek hegesztéssel javíthatók. − Nincs szükség öntőmintára. − Különböző eljárással készült (pl. öntött, hajlított), elemek is összeerősíthetők. − Nagyméretű szerkezetek is előállíthatók (daruk, hidak, tornyok, tartályok). − Szereléskor a hegesztés a helyszínen is elvégezhető. Hátrányai: − Csökken a szilárdság az összeerősítés helyén (a varrat környezetében). − Belső feszültségek alakulnak ki. − A varrat környezetében szövetszerkezet változások lépnek fel. − Nő a korrózió és a ridegtörés veszélye. − A szerkezet elhúzódik, vetemedik. A gépészeti gyakorlatban általában a következő hegesztési eljárásokat használják: − Ömlesztő hegesztések (villamos ív, gázláng, lézersugár, elektronsugár, plazmasugár, villamos ellenállás hegesztés) alkalmazásakor a két elemet a hegesztési varrat környezetében megolvasztják, és a közöttük levő teret, rendszerint a hegesztő huzalt beleolvasztva, anyaggal feltöltik. − Sajtoló hegesztések (villamos ellenállás pont vagy vonalhegesztés, dudorhegesztés, ultrahang, diffúziós, dörzshegesztés stb.), ahol a két elemet egymáshoz szorítják, megolvasztják, majd hagyják kihűlni. A kötés a hő és nyomás együttes hatására alakul ki. A hegesztés alatt a felhevült fémet védeni kell az oxidációtól, hogy megakadályozzák a kötés szilárdságát erősen gyengítő oxidrétegek és zárványok kialakulását. Ennek érdekében a hegesztés során a varrat környezetét megolvadt salakkal fedik be, védőgázzal zárják ki az oxigént, vagy redukáló gázlángot használnak. A hegesztett kötés erőssége a varrat tulajdonságaitól függ, amiket nagymértékben meghatároz az összeerősítendő elemek anyaga. Jól csak az azonos anyagok hegeszthetők, de azok is csak akkor, ha a varrat környezetében nem keletkezik jelentős szövetszerkezet változás. A szövetszerkezet változás miatt ugyanis ridegebb lesz a szerkezet, terheléstorlódás alakul ki, növekszik a korrózió veszélye. A hegesztett gépszerkezetek a leggyakrabban acélból készülnek. Az acél a hegesztés környezetének gyors lehűlése miatt a varrat környékén beedződhet, a benne lévő szennyező anyagok zárványokat alakíthatnak ki, ezért csak akkor hegeszthető jól az acél, ha − kicsi a széntartalma (<0,22%), − kevés benne a szennyező anyag,


19


SZERKEZETTAN

− kevés benne az ötvöző anyag (a szénegyenérték <0,4%.) A mikro-ötvözésű finomszemcsés acélok, valamint az erősen ötvözött acélok közül az ausztenites és a ferrites szövetszerkezetű acélok, hegeszthetők. A nagyobb széntartalmú acélok előmelegített állapotban hegeszthetők, illetve a szövetszerkezet kedvezőtlen megváltozása esetleg utólagos hőkezeléssel kompenzálható. Az alumínium és a magnézium ötvözetek hegesztése gyors oxidációjuk miatt lényegesen nehezebb, mint az acéloké, ezért jó eredmény csak védőgáz alatti hegesztéssel érhető el. A vörösréz és a rézötvözetek közül a sárgarezek és a bronzok jól hegeszthetők, ha kicsi a szennyező anyag tartalmuk. A nikkel ötvözetek szintén hegeszthetők, de króm tartalmuk nehezíti a hegesztést. Egyre gyakrabban használnak hegesztett műanyag szerkezeteket. A hőre lágyuló műanyagok közül jól hegeszthető a PVC, PE, PMMA, pl. meleglevegővel, fűtő elemmel, nagyfrekvenciás eljárással. Az összeerősített elemek között hegesztési varrat alakul ki. Az összehegesztendő elemek méretétől (vastagságától) és kialakításától függően különböző varrat típusokat használnak: Ömlesztő hegesztésekhez (főleg a villamos ívhegesztésekhez) tompavarratokat (egymáshoz közel egy síkban összeillesztett elemek összekötésére) és sarokvarratokat (egymáshoz merőlegesen vagy ferdén illesztett elemek összeerősítésére. Vastagabb elemek hegesztésekor a varratok helyét szabványban előírt méretűre és alakúra előmunkálják. A tompa varrat lehet: I, V, Y, K, U kettős V és kettős U stb. varrat (16. ábra). A sarok varrat homorú, lapos vagy domború varrat, illetve kettős sarok varrat (17. ábra). Perem varrat I-varrat 17. ábra a - domború, b - lapos, c homorú sarok varrat

V-varrat Fél V-varrat Y-varrat Fél Y varrat U-varrat Fél U varrat

16. ábra Gyakori tompavarratok

18. ábra Hegesztett csapágyház

Fokozottabb igénybevételek esetén a nem kettős varratokat ( I, V, Y, U) a lemez másik oldalán is meg kell hegeszteni (gyökhegesztés). A varratok méretét és alakját a rajzokon a szabvány előírásai szerint tüntetik fel, amint azt, pl. a 18. ábra, mutatja. A varrat megadása tartalmazza a varrat jelét, vastagságát (gyökméretét), hosszát és esetleg a varrat minőségét, a hegesztési eljárást, és hegesztési varrat helyzetét. A gyakorlati tapasztalatok szerint a megfelelő varrat minőség elérése érdekében célszerű betartani az alábbi szabályokat: 1. Ne legyen hegesztési varrat a legnagyobb igénybevétel helyén (pl. hajlított tartó húzott oldalán). 2. Kevés legyen a hegesztési varrat (mert kisebb a vetemedés, kevesebb a szövetszerkezet változás, olcsóbb a technológia stb.). 3. Varratok találkozását kerülni (mert beégés, terheléstorlódás keletkezik). 4. Kicsi legyen a csatlakozásnál a keresztmetszet eltérés, a merevség változás (mert egyenlőtlen a melegedés és terheléstorlódás alakul ki).


20


5. 6. 7. 8.

SZERKEZETTAN

Kedvező a varratforma választása (elsősorban tompa varrat, homorú sarokvarrat). Elegendő hely álljon rendelkezésre a varrathoz hozzáféréshez. Kis vetemedés érdekében szakaszos varrat készítés. Gazdaságos kialakítás: csak ott és annyit hegeszteni, ahol és amennyit kell.

A hegesztett kötésekben ébredő igénybevételek a szilárdságtanban tanultak alapján számíthatók, ahol az igénybevett varrat keresztmetszet jellemzői az a varrat gyökméret (ami tompa varratnál a lemezvastagság, sarok varratnál a varratba rajzolható háromszög magassága), és az lw mértékadó varrathossz ismeretében határozható meg. Pl. a varrat keresztmetszet: Aw= alw, a keresztmetszeti tényező, ha a hajlítás tengelye a varrat hossz közepén megy át és rá merőleges: K w =

l w2 a . 6

Húzó vagy nyomó feszültség: σ w = F/Aw , a hajlító feszültség: σ w = M/K w , a nyíró feszültség:

τ w = F/Aw . Hajlított tartó hegesztési varratában gyakran egyszerre ébred hajlító és nyíró feszültség, amelyből egyenértékű feszültséget kell számítani az ismert, illetve a szabványban előírt módszerekkel. A varratban megengedett feszültség és a számított feszültség hányadosa a biztonsági tényező. A varratban megengedett feszültség függ a varrat jóságától (az ellenőrzés mértékétől, a hegesztő, képzettségétől, a varrat megengedett hibáitól). Különös gondossággal kell méretezni az ismételt igénybevételnek kitett varratokat, mert jelentős a varrat feszültség gyűjtő hatása. Ennek csökkentése érdekében, pl. a varrat felületét simára munkálják, a szerkezetet belső feszültségét hőkezeléssel csökkentik (feszültségmentesítés). Az ömlesztő hegesztéseket gyakran használják egyedi vagy kis sorozatban készülő gépházak, hajtóműházak, állványok, tartók, tartályok, daruk, hidak, és sokféle nagyméretű acélszerkezet készítésére. A sajtoló hegesztések közül a dörzshegesztést forgástest alakú elemek (pl. menetes szegek, csapok) felerősítésére használják. Itt a csapokat neki szorítják az ellenfelületnek, nagy sebességgel megforgatják, és a keletkező súrlódási hő olvasztja meg a felületeket. A ponthegesztésnél, a dudorhegesztésnél és a vonalhegesztésnél villamos árammal olvasztják meg az érintkezési pontokban az egymáshoz szorított lemez felületeket (ellenállás hegesztés). Ezek az eljárások főleg vékony lemezek, pl. gépjármű karosszéria elemek, összehegesztésére alkalmasak, és könnyen automatizálhatók. A 19. ábra egyszerű ponthegesztett szerkezetet mutat, a 20. ábra pedig a dudorhegesztést szemlélteti.

19. ábra Ponthegesztett kötés

20. ábra Dudorhegesztés kötéshez előkészített elemek

Műanyagok esetében a hegesztést elsősorban lemezek vagy csövek összeerősítésére használják. Az alkatrészeket forró gázzal (pl. levegővel), hősugárzóval, ultrahanggal, vagy nagyfrekvenciás árammal hevítik fel, és gyakran külső anyag (hozaganyag) bevitele nélkül hegesztik össze. 5.1.2 Forrasztás A forrasztással főleg fém alkatrészeket erősítenek össze. Az összeerősítendő elemeket felmelegítik, és megolvasztott idegen anyagot, forraszt, juttatnak a felületek közé, amely lehűlés után megdermed, és összeköti az elemeket. Miután itt csak a forrasz olvad meg, adhéziós kötés alakul ki, vagyis a kötés


21


SZERKEZETTAN

szilárdsága a forrasz anyag szilárdságától valamint a forrasz és a felület közötti kötés szilárdságtól függ. Előnyei a hegesztéssel szemben: különböző fémek is összeerősíthetők, kicsi a vetemedés, nincs jelentős szövetszerkezet változás, kisebb a terheléstorlódás, nehezen hozzáférhető helyeken is készíthető forrasztott kötés stb. Hátrány: kisebb a szilárdság, fenn áll a korrózió veszélye, ha nagy a fémek között az elektrokémiai potenciálkülönbség, drága a forrasz anyag stb. A forrasztás nagyon sokféle eljárással elvégezhető: pl. − olvadt forraszba merítéssel, − pákával melegítve az elemeket, és megolvasztva a forraszt, − lánggal, − villamos ívvel, − lézer sugárral, − villamos indukcióval, − villamos ellenállással, − kemencében stb. A forrasztás hőmérsékletétől (illetve a forrasz olvadáspontjától) függően alapvetően két forrasztást különböztetnek meg: lágy forrasztást és kemény forrasztást. A lágy forrasztást (450 oC hőmérséklet alatt) elsősorban kis szilárdságú kötések kialakítására használják. Főleg hőcserélők (pl. gépjárműhűtők) és réz csővezetékek kötéseit készítik forrasztással, ahol elsősorban a hatékony tömítés a fő követelmény. Villamos vezetékek kötéseit is gyakran lágy forrasztással készítik, ahol annak jó villamos vezetőképességét hasznosítják. A lágy forraszok elsősorban ón és ólom alapú ötvözetek; de ritkán más, kis olvadáspontú fémötvözeteket is használnak. Lágy forrasztással csak átlapolt kötések alakíthatók ki, ahol, fontos a megfelelő kapilláris hatás, ami feltölti a lemezek közötti rést a lágy forrasszal. Ehhez jól forrasztható anyagot, tiszta (zsír-, oxid- és szennyeződésmentes) felületeket, és megfelelő vastagságú rést kell biztosítani. Szűk résbe nem kúszik be a forrasz anyag, nagy rés estén pedig nem elegendő a kapilláris hatás a rés teljes kitöltéséhez, vastag a forrasztó réteg, ezért annak szilárdsága kicsi. Forrasztás előtt a felületeket rendszerint un. folyató anyaggal maratják le. Lágy forrasztással készült edény fenekek átlapolt forrasztott kötéseinek kialakítására mutat néhány példát a 21. ábra. Előnyös, ha a kötést úgy alakítják ki, hogy a terhelést részben alakkal zárás (pl. az ábra jobb oldalán látható peremezés, visszahajlítás) vegye fel. A kemény forrasztás lényegesen nagyobb szilárdságú kötés kialakítására alkalmas, minta a lágy forrasztás, és gyakran hegesztés helyett is keményforrasztást használnak, ha az valami miatt előnyösebb. Nem csak átlapolt, hanem tompán illesztett keményforrasztott kötések és készíthetők.

21. ábra Lágy forrasztással rögzített edény fenekek

22. ábra. Kemény forrasztással rögzített csapok a-véglapon, b - csapon, c - csapon és peremen

A keményforraszok főleg réz és ezüst alapú ötvözetek, de ritkábban használnak kisebb szilárdságú alumínium alapú és nagyobb szilárdságú nikkel alapú keményforraszokat is. A finommechanikai szerkezetekben gyakran rögzítik a csapokat keményforrasztással, pl. a 22. ábrán látható módon. A lágyforrasztással készült kötések szilárdsága nagyon kicsi, ezért mechanikai igénybevétel felvételére nem alkalmasak. Ha mégis van terhelés, akkor a kötést csak nyíró igénybevétel terelheti. Lehetőleg a keményforrasztott kötést is csak nyíró erő terhelje, bár az kismértékű húzófeszültség felvételére is alkalmas. Az átlapolt kötésben ébredő nyírófeszültség: τ =

F , ahol F a nyíróerő, A a A

kötés felülete. Más kötésekben az igénybevétel a már korábban ismertetett módszerekkel számítható.


22


SZERKEZETTAN

A kötésben megengedett feszültségek nagysága a forrasz anyagától és az igénybevétel jellegétől függően rendkívül széles tartományban változik. Kemény forraszokban megengedett nyírófeszültség 15-90 MPa, a lágyforraszokban 2-3 MPa. Az átlapolt kötésekben a széleken, a merevség változása és az ellenkező irányú alakváltozás miatt, terheléstorlódás alakul ki. Ha az elemekben azonos irányú az alakváltozás, a kötés egyirányú, ha ellentétes, a kötés ellenirányú. Törekedni kell a merevség különbség csökkentésére, hogy kisebb legyen a terheléstorlódás. 5.1.3 Ragasztás A ragasztáskor az elemeket a közéjük bejuttatott anyag, a ragasztó réteg köti össze. Ragasztással bármilyen szilárd anyag összeerősíthető, amelyhez tapad a ragasztó, azzal megfelelően erős adhéziós kapcsolatot alakít ki. A ragasztott kötés előnyös, mert − kevés helyet igényel − egyenletesebben oszlik el a kötésben a feszültség, mint a hegesztett vagy forrasztott átlapolt kötésben, − jól tömít − korrózióálló, − nem változnak meg az összeerősített elemek tulajdonságai. Hátránya a kisebb szilárdság, amely (a környezeti hatásokra) az idő függvényében fokozatosan csökkenhet. A ragasztó anyagokat két fő csoportba osztják: 1. Fizikai hatással kötő ragasztók: − Oldószeres ragasztók − Olvadó ragasztók 2. Kémiai hatással kötő ragasztók: − Polimerizációs ragasztók (azonos molekulákból óriás molekulák képződnek, miközben a ragasztó megszilárdul) − Poliaddiciós ragasztók (különböző anyag molekulái egyesülnek, miközben a ragasztó megszilárdul) − Polikondenzációs ragasztók (a kötés során különböző molekulák egyesülnek, miközben molekula részek válnak le, amelyek elpárolognak) A ragasztókat megkülönböztetik a létrehozott kötések szilárdsága alapján is: A kis szilárdságú (τ<5 N/mm2), ragasztókat zárt téri berendezések: finommechanikai, elektronikai, elemek, modellek, ékszerek ragasztására használják. A közepes szilárdságú (τ =5-10 N/mm2) ragasztók mérsékelt környezeti hatások között üzemelő gépipari és járműipari elemek összeerősítésére alkalmasak. A nagy szilárdságú (τ >10 N/mm2) ragasztók az erős környezeti hatásoknak (víz, oldószer, olaj stb.) kitett jármű, hajó, repülő szerkezetek és tartályok összeerősítésére terjedtek el. Ragasztással elsősorban átlapolt kötéseket készítenek. Erős kötés létrehozása érdekében, ragasztás előtt, az összekötendő felületeket gondosan meg kell tisztítani, majd oxidmentesíteni, zsírtalanítani, és optimális mértékben érdesíteni (pl. csiszolóvászonnal, drótkefével, homok fúvással, sörétezéssel). Vannak hidegen és vannak melegen kikeményedő ragasztók, de olyanok is, amelyek hidegen és melegen egyaránt megkötnek. Ilyenkor a kötésidő jelentősen csökkenthető a hőmérséklet emelésével. A ragasztott kötés erőssége jelentős mértékben függ kialakításától. Lehetőleg nagy felületű átlapolt kötést alakítsanak ki, amelyben csak nyíró igénybevétel keletkezik. Kerüljék a húzó és lehámozó igénybevételeket. Gyakran szegecseléssel, ponthegesztéssel vagy peremezéssel védik a kötés szélét a lehámlás megindulásától. Jellegzetes ragasztott kötések kialakítására a 23. ábra mutat példákat. A ragasztott kötés szilárdsága jelentősen függ a technológiától, a kikeményedés hőmérsékletétől, a felületi érdességtől, a ragasztó réteg vastagságától, a felület előkészítéstől, a hőmérséklettől, az igénybevétel időtartamától, (öregedés) stb.


23


SZERKEZETTAN

5.1.4 Beágyazás és kiöntés Kis szilárdságú, olcsóbb anyagból készült elemek nagyobb igénybevételnek kitett helyeire gyakran nagyobb szilárdságú elemeket (perselyeket, betétanyákat, erősítő elemeket) építenek be, rendszerint öntéskor (pl. műanyagba, kerámiába vagy üvegbe fémbetéteket). Az erősítő betétek utólag is beépíthetők megfelelően kialakított fészekbe helyezés után kiöntéssel. A kiöntéshez rendszerint kis olvadáspontú fémet (pl. ólom), hőre lágyuló műanyagot, gyantát, gittet, cementet, bitument stb. használnak. 5.2. Alakkal záró kötések Az alakkal záró kötéseknél a kötés szilárdságát a kötőelem kialakítása és anyaga (alakszilárdsága) határozza meg. Nagyon sok változatuk van, amelyek általában oldható és újra helyreállítható kötések. A szegecskötés és a peremezés ugyanakkor – roncsolás nélkül – oldhatatlan kötés.

23. ábra. Ragasztott kötések kialakítása

5.2.1. Szegecskötések Ennél a kötésnél az elemeket, az erre a célra készült kötőelemekkel, a szegecsekkel erősítik össze, amelyeket maradó alakváltozással rögzítenek. A szegecs az egyik összeerősítendő elemből is kiképezhető, de az esetek legnagyobb részében különálló szegecseket használnak. Ilyenkor átlapolt kötéseket készítenek, ahol az egymásra helyezett lemezszerű elemeket átfúrják, a furatokba egyik végükön fejjel ellátott szegecseket helyeznek, és azok maradó alakváltozásával az elemeket egymáshoz erősítik. Régebben a szegecskötést szélesebb körben használták, de az utóbbi évtizedekben sok területről a hegesztés kiszorította. A nem hegeszthető elemek összeerősítésére azonban változatlanul használják. A szegecsek kialakítása rendkívül változatos. Vannak: − tömör és üreges (cső) szegecsek, − félgömbfejű, lencsefejű, süllyesztett fejű, lapos fejű szegecsek, − acél, alumínium, réz, sárgaréz stb. szegecsek, − egy oldalról szerelhető szegecsek (húzó szegecsek, vakszegecsek, robbanó szegecsek). A 24. ábra bemutatja a gyakorlatban, szélesebb körben használt szegecs típusokat. A helyesen kialakított szegecskötésekben a szegecs igénybevétele főleg nyírás, ritkán húzás, a palástfelületen pedig felületi nyomás. Sem a feszültségek, sem a palástnyomás nem haladhatja meg a megengedett értéket, különben a kötés kilazul, tönkremegy. A d átmérőjű szegecs igénybevétele, az azt terhelő F nyíróerő ismeretében, a következőképpen számítható: a szegecsszár keresztmetszetében ébredő nyírófeszültség:

p=

τ=

4F , a palástnyomás: d 2πi

F , ahol s a szegecsszár terhelt hossza (pl. a lemez vastagsága), i a nyírt keresztmetszetek sd

száma.

24. ábra Csőszegecs és különböző kialakítású tömör szegecsek


24

25. ábra Egynyírású (fenn) és kétnyírású (lenn) szegecskötés


SZERKEZETTAN

Egynyírású szegecsnél i=1, kétnyírású szegecsnél i=2 (25. ábra). A megengedett igénybevételek nagysága a szegecs illetve a közrefogott elemek anyagától, valamint a terhelés módjától függ. Amennyiben több, azonos keresztmetszetű, szegecs veszi fel a terhelést, fontos a legjobban igénybevett szegecs kiválasztása, mert a szilárdsági ellenőrzést arra kell elvégezni. Hajlított szegecselt tartó szegecskötésének méretezésekor, pl. a hajlítás tengelyétől legtávolabbi szegecs veszi fel a legnagyobb terhelést. Ilyenkor rendszerint olyan számítási modellt választanak, amely a tartót tökéletesen merevnek tekinti, és így a szegecseknek a hajlító nyomatékból eredő terhelése a hajlítás tengelyétől mért távolságukkal arányos. Amennyiben a hajlító nyomaték mellett a tartót nyíróerő is terheli, a hajlításból és nyírásból eredő szegecs erőket vektoriálisan összegezni kell. Ha a szegecs terhelése már ismert, szilárdsági ellenőrző számítása elvégezhető, pl. a fejezet végén található 3. és 4. példa szerint. 5.2.2. Szeg- és csapszegkötések A szeg és csapszegkötések oldható kötések, amelyek feladata lehet az egymásba illesztett alkatrészek összekötése, rögzítése, menesztése, megfogása, központosítása, biztosítása, helyzetbe állítása stb. A szegkötésekhez az összeszerelt alkatrészek furatába (amit gyakran szereléskor készítenek) szorosan illeszkedő szeget ütnek be, ezért a szegkötések általában elmozdulást nem engednek meg. A szegek kialakítása szabványos. Használnak: − hengeres és kúpos szegeket (esetleg kihúzó menettel), − felhasított rugózó szegeket, − illesztő szegeket, − hasított szegeket. stb. A szegek anyaga rendszerint acél, amelynek minősége a kötéssel szemben támasztott követelményektől függ. Lehet normalizált, nemesített vagy betétedzett szerkezeti acél, rugóacél stb. A gyakrabban használt szegek kialakítását a 26. ábra mutatja be, alkalmazásukra pedig a 28. ábra mutat néhány példát.

26. ábra Szabványos szegek

27. ábra Szabványos csapszegek

A csapszegkötések a fentiekkel ellentétben elmozdulást megengedő kötések, gyakorlatilag csuklós kapcsolatok, egyszerű csapágyazások, mert a csapszeg az egyik elemben mindig lazán illeszkedik. A csapszegek kialakítása szintén szabványos. Az elterjedtebb csapszeg típusok: − sima hengeres csapszeg, − hengeres csapszeg sasszeg furattal, − fejes csapszeg, − menetes csapos csapszeg. Kiesés ellen a csapszegeket sasszeggel, rugós rögzítő gyűrűkkel (pl. Seeger gyűrű), anyával stb. biztosítják. A csapszegek anyaga általában szerkezeti acél, de különleges esetekben használnak nagyszilárdságú nemesített vagy edzett csapszegeket is (pl. dugattyú csapszeg a belsőégésű motorban). A csapszegek gyakrabban használt változatait a 27. ábra, néhány csapszegkötést pedig a 29.ábra mutat be. A szegek és a csapszegek átadják a terhelést a két elem között, miközben bennük nyíró és hajlító igénybevétel, illeszkedő felületeiken pedig palástnyomás ébred. A sorosan illesztett szegekben


25


SZERKEZETTAN

28. ábra Szegkötések

29. ábra Csapszegkötések

keletkező hajlító feszültség a nyíráshoz képest gyakran elhanyagolható, ha a terhelés szimmetrikus. A csapszegekben ébredő hajlító nyomaték a laza illesztés miatt jelentős, ezért a csapszegeket mindig hajlításra kell méretezni. A szegek illeszkedő felületein keletkező palástnyomás értékét is ellenőrizni kell. Az igénybevételek az ismert módszerekkel számíthatók, és összehasonlíthatók a megengedett értékekkel. A későbbiekben bemutatatásra gyakorló feladatok 5. és 6. példájában követhető a szeg és csapszegkötés méretezésének menete. 5.2.3 Reteszkötések A reteszkötések feladata két egymásba illesztett elem vezetése, közöttük erők, nyomatékok átadása. A reteszeket főleg tengely és a rászerelt agy közötti nyomaték átadására használják, de más kötésekben is előfordulhatnak. A nyomatékkötés kialakításához a tengelyben is és az agyban is hornyot alakítanak ki, és abba helyezik a reteszt. A reteszek kialakítását és méreteit szabvány írja elő a tengelyátmérőtől függően. Alapvetően három retesztípust használnak: − fészkesreteszt, − siklóreteszt, − íves reteszt. A 30. ábra bemutatja a gyakrabban használt reteszek kialakítását. A 31. ábrán szíjtárcsa reteszkötése látható. Miután a retesz nem vesz fel tengelyirányú erőt, az agyat a tengelyen axiális irányban meg kell fogni.

E

30. ábra A-B fészkes reteszek, C-D sikló reteszek, E - íves retesz A fészkes reteszt a kedvező erőátadás érdekében a tengely és az agy horonyban szorosan illesztik (P9/h9). Gyakran szerelt reteszkötéseknél kevésbé szoros illesztést választanak: a tengelyben J9/h9, az agyban N9/h9 az előírt illesztés. Ebben az esetben kisebb a kötés teherbírása. A siklóreteszt lazán kell illeszteni: a tengelyhoronyban a javasolt illesztés H8/h9, az agy horonyban D10/h9, hogy az agyat a tengelyen, szükség esetén, eltolhassák. A siklóreteszt a tengely horonyban az elmozdulás megakadályozása érdekében csavarral rögzítik. A reteszek anyaga általában húzott reteszacél (E295, E335). A reteszkötés átadja a nyomatékot a tengely és az agy között, miközben a reteszt p felületi nyomás és τ nyírófeszültség terheli. Az igénybevételek a következőképpen számíthatók: a felületi nyomás, p =

2M F F , a nyírófeszültség τ = , ahol F = a reteszt terhelő erő, h-a retesz d blt ik (h − t1 )l t ik

magassága, t1 -a horony mélysége a tengelyben, lt - a retesz terhelt szakasza, i - a reteszek száma (legfeljebb 2), k=1, ha i=1, k=0,75, ha i=2, d - a tengelyátmérő.


26


SZERKEZETTAN

A retesz hosszát az agy hossza korlátozza. Amennyiben egy retesz nem elegendő a nyomaték átviteléhez, kettő is beépíthető, de több nem, mert a gyártási hibák és rugalmas alakváltozások miatt terhelésük nem egyenletes. A reteszek teherbírását rendszerint a felületi nyomás korlátozza, amelynek értéke a tengely és az agy anyagától, és a terhelés változás jellegétől függ (fészkes reteszre acél esetén pmeg=40-120 MPa, siklóreteszre pmeg=20-60 MPa).

31. ábra Szíjtárcsa felerősítése fészkes retesszel

32. ábra Bordás tengely

5.2.4. Bordástengely kötés Amennyiben a reteszkötés teherbírása nem elegendő, a nyomaték átvitelére gyakran bordástengelyt választanak, amelyen a kerület mentén egyenletes osztásban bordákat helyezkednek el (32. ábra). A bordástengelyek méreteit és alakját szabvány írja elő. Alapvetően három változatban készülnek, amelyek főleg a bordák számában és méretében térnek el egymástól: van könnyű, közepes és nehéz sorozatú bordástengely. Az agyat a bordástengelyen rendszerint a borda tövénél a belső henger központosítja, de a nagyobb méretű, nehéz sorozatú bordástengelyeknél a növelt teherbírás érdekében a központosítás a bordák oldalfelületén történik. A bordástengely kötés előállítása sokkal költségesebb, mint a reteszkötésé, mert nagyon pontosan kell a bordákat elkészíteni a tengelyen és az agyban egyaránt. Ugyanakkor lényegesen nagyobb nyomaték átvitelére alkalmasak, mint a reteszkötések, ezért előszeretettel alakítják ki azokat nagy terhelésű hajtómű tengelyeken, kardántengelyeken, váltómű tengelyeken. A bordástengelyek teherbírását a felületi nyomás korlátozza: p = F , ahol F = 2M a bordákat hlt ik dk terhelő erő, M - a terhelő nyomaték, dk - a borda középhez tatozó tengelyátmérő, h - a borda magassága, lt - a borda terhelt hossza, i a bordák száma. A terhelés eloszlási tényező: k=0,75 belső központosításnál, k=0,9 bordán központosításnál. 5.2.5 Fogastengely kötés Bordástengely kötés mellett használnak fogastengely kötést, amely előnyösebb lehet, mint a bordástengely kötés, mert a fogazat lefejtő marással pontosabban, egyszerűbben és olcsóbban elkészíthető, mint a bordázat. Rendszerint evolvens bordafogazatot vagy Kerb fogazatot használnak (33. ábra). A fogazott tengelyek mérete és kialakítása is szabványos. A fogastengely kötés teherbírását is a fogfelületen kialakuló felületi nyomás korlátozza, ami hasonló módon számítható, mint a bordástengely kötésnél: F , ahol: 2M a fogazatot terhelő kerületi p= F= hlt zk dk erő, M - a terhelő nyomaték, dk - a fogmagasság


27

33. ábra Fogastengely profilok: fenn - Kerb fogazat, alul - evolvens fogazat


SZERKEZETTAN

középéhez tatozó tengelyátmérő, h - a fog magassága, lt - a fog terhelt hossza, i a fogak száma. A terhelés egyenetlenség tényező: k=0,75 evolvens fogazatnál, k=0,5 Kerb fogazatnál. 5.2.6. Poligontengely kötés A bordástengely kötés és a fogastengely kötés teherbírását jelentős mértékben csökkenti a bordák, illetve a fogak feszültséggyűjtő hatása. A hajlított tengely alaktényezője közelítőleg a bordás tengelynél α k = 4,2, az evolvens fogazatú tengelynél α k = 2,9, Kerb fogazatú tengelynél α k = 3,5, ezért erősen változó nyomatékok átvitelére (pl. hengermű tengelyeken) előnyösebben használható a poligontengely kötés, amelynek alaktényezője sokkal kedvezőbb ( α k = 1,2-1,3), vagyis feszültséggyűjtő hatása lényegesen kisebb. A szabványos poligontengely profilja ívelt oldalú, szabályos három- vagy négyszög (38. ábra). Ezek a formák célgépen nagy pontossággal gazdaságosan elkészíthetők. P3G profilt mindig szoros illesztéssel készítik, de a P4C alkalmas eltolható agyakhoz is, amikor az illesztés, természetesen, laza.

34. ábra Poligon tengely profilok: a P3G, b - P4C


A poligon tengely teherbírását is a felületi nyomás korlátozza. A nyomás a profil mentén még ideális esetben sem oszlik el egyenletesen, ezért annak pontos számítása nagyon bonyolult. A szakirodalomban megtalálhatók azok a közelítő összefüggések, amelyek az egyes profilokkal átvihető nyomaték meghatározására szolgálnak.

28

szegecskötések peremezések szegkötések reteszkötések bordástengely kötések fogastengely kötések poligontengely kötések

Recommend Documents