Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování. KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti. Přednáška 5

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti Přednáška 5

Šrouby a šroubové spoje For want of a nail the shoe is lost; For want of a shoe the horse is lost; And, for want of a horse the rider is lost. GEORGE HERBERT

Obsah Šrouby a šroubové spoje

• Rozdělení šroubů. • Příklady užití šroubových spojů. • Tvary závitů a jejich rozměry. • Výroba závitů. • Pohybové šrouby. • Silové poměry na šroubu se čtvercovým závitem. • Tření u pohybových šroubů. • Účinnost pohybových šroubů. • Pevnostní výpočet pohybových šroubů. • Materiál a pevnost šroubů. • Druhy šroubů. • Matice. Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Šrouby Šrouby se používají buď k rozebíratelnému spojení strojních součástí (šrouby spojovací a upevňovací) nebo k přeměně otáčivého pohybu na posuvný (šrouby pohybové). Strojní součásti je možné také spojit pomocí závitových spojů, kdy je závit vytvořen přímo na spojovaných součástech. Šrouby spojovací a upevňovací

Šrouby pohybové

Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Příklady užití spojovacích a upevňovacích šroubů


Příklady užití pohybových šroubů


Tvary závitů a jejich rozměry Funkční část šroubu tvoří závit, který vznikne pohybem tvořícího profilu daného tvaru po šroubovici. Závit může být vnější (šroub) nebo vnitřní (matice). Podle počtu tvořících profilů se rozlišují závity jednochodé a vícechodé. Metrický závit M, MJ

Jedno-, dvou- a tříchodý závit

Závity pohybových šroubů

čtvercový

lichoběžníkový


Metrický závit


Lichoběžníkový rovnoramenný závit


Porovnání závitů metrického a unified V USA a ve Velké Británii se používá závit unified (UN), který má obdobný profil jako závit metrický. Jeho rozměry se však udávají v palcích. Podobně jako metrický závit, který existuje ve dvou provedeních M a MJ, závit unified má také dva profily označované jako UN a UNR. Profily MJ a UNR mají zaoblené dno závitu, což vede ke snížení koncentrace napětí a prodloužení únavového života. Metrický závit může být buď s hrubou nebo jemnou roztečí, závit unified s roztečí C (coarse-pitch), F (fine-pitch) a EF (extra-fine pitch). Označování závitů Metrický M12 × 1,75 rozteč v mm velký průměr v mm

Lícování závitů Bol ts 1A 2A 3A

Inc h seri es

Nuts 1B 2B 3B

Metric seri es Bo lts Nuts 8g 7H 6g 6H 8h 5H

Výběr z tabulky metrických závitů

Unified 5/8 in-18 UNRF počet závitů na palec velký průměr v palcích Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Výroba závitů třískovým obráběním Závity se vyrábějí buď řezáním nebo frézováním. Řezání závitů na soustruhu se používá při výrobě přesných závitů. Pro řezání závitů malých průměrů se používají závitníky a závitové čelisti. Závitové hlavy se používají u závitořezů. V sériové a hromadné výrobě se závity zpravidla frézují. Dosahované stupně přesnosti se pohybují v rozmezí 6 ÷ 8, drsnost Ra je 3,2. Velmi přesné závity (IT 4, 5; Ra 3,2) se dokončují broušením. Frézování závitů hřebenovou frézou

Frézování závitů kotoučovou frézou

Sada závitníků a závitových čelistí


Výroba závitů tvářením Tváření závitů je nejproduktivnější výrobní technologie, která má oproti výrobě závitů třískovým obráběním mnoho předností. Výrobní časy jsou podstatně kratší (rychlost válcování je až 90 m/min zatímco rychlost řezání je 10 m/min), přičemž tvářený závit má výhodnější průběh vláken, což vede ke zvýšení statické i únavové pevnosti závitu. Tlakem při tváření se navíc zvyšuje odolnost závitu při otěru. radiální válcování závitu

řezaný závit

tvářený závit


Pohybové šrouby Pohybové šrouby slouží k přeměně otáčivého pohybu na posuvný a k přeměně kroutícího momentu v osovou sílu. Tyto šrouby mají čtvercový nebo lichoběžníkový (rovnoramenný či nerovnoramenný) závit a jsou zpravidla několikachodé. Šroubový zvedák

Lineární pohon

Úhel stoupání tg λ =

p πd m


Silové poměry na šroubu se čtvercovým závitem Zvedání břemene

Spouštění břemene x

μN y

∑ F = P − N sin λ − μN cos λ = 0 ∑ F = F + μN sin λ − N cos λ = 0 x

R

y

PR =

F (sin λ + μcos λ ) cos λ − μsin λ

PR =

T R = PR

F (l + πμd m ) πd m − μl

d m Fd m l + πμd m = 2 2 πd m − μl

μN

∑ F = − P − N sin λ + μN cos λ = 0 ∑ F = F − μN sin λ − N cos λ = 0 x

L

y

PL =

F (μcos λ − sin λ ) cos λ + μsin λ

PL =

TL =

F (πμd m − l ) πd m + μl

Fd m Fd m πμd m − l = 2 2 πd m + μl


Tření u pohybových šroubů Za určitých okolností, kdy úhel stoupání λ je velký nebo součinitel tření μ je malý, může se šroub působením síly F samovolně roztočit. V těchto případech je kroutící moment TL záporný nebo roven nule. Říkáme, že šroub není samosvorný.

U lichoběžníkového závitu není síla F kolmá k profilu závitu, nýbrž je skloněná pod úhlem α. To vede ke zvýšení třecí síly. TR =

Fd m lcosα + πμd m 2 πd m cos α − μl

TL =

Fd m πμd m − l cos α 2 πd m cos α + μl

Podmínka samosvornosti

Fd m πμd m − l TL = >0 2 πd m + μl

μ > tg λ cosα

πμd m > l μ > tg λ

Experimentální práce ukázaly, že hodnota součinitele tření μ závisí zejména na použitém mazivu. Pro ocelový šroub a bronzovou matici je asi 0,1 až 0,15.

Třecí moment mezi hlavicí a vřetenem TC =

FμC d C 2 Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Účinnost pohybových šroubů Účinnost η je definována jako poměr práce odevzdávané soustavou Wout k práci soustavě přiváděné Win. Práce je rovna součinu kroutícího momentu a pootočení. Pro jednu otáčku šroubu platí: W out = Fl, Win = 2π T

η=

Účinnost šroubu s lichoběžníkovým závitem

Wout Fl = Win 2 πT

ηR =

ηR =

l πd m cos α − μl πd m lcosα + πμd m

cos α − μtg λ cosα + μcotg λ

Pro čtvercový závit, kdy α = 0 je účinnost funkcí pouze geometrie závitu a součinitele tření.

ηR =

1 − μtg λ 1 + μcotg λ

Podstatného zvýšení účinnosti lze dosáhnout použitím kuličkového šroubu. Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Pevnostní výpočet pohybových šroubů Napjatost v pohybových šroubech počítáme tak, že pohybový šroub modelujeme pomocí prutu. Pohybový šroub je namáhán silou F na tah či tlak a momentem T na krut. Delší šrouby mohou být namáhané také na vzpěr. Tlak v závitech mezi šroubem a maticí nesmí překročit přípustnou hodnotu. Průřez pro výpočet napětí (tensile-stress area)

π ⎛ d + d2 ⎞ At = ⎜ 1 ⎟ 4⎝ 2 ⎠

2

pro metrický závit d 1 = d − 1,226869 p Normálové napětí v tahu či tlaku

Smykové napětí v krutu

Tlak v závitech

p=

τk =

σ=

F At

TR 16TR = Wk π d33

4F ≤ pD 2 2 π(d − D1 )i

d 2 = d − 0,649519 p

Redukované napětí (podmínka max τ)

σ red = σ 2 + 4 τ 2k ≤ σ D Pro ocelový šroub a bronzovou (ocelovou) matici se hodnota dovoleného tlaku pD pohybuje mezi 5 až 15 (4 až 12) MPa v závislosti na rychlosti otáčení. Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Šroubový zvedák


Lineární pohon


Materiál a pevnost šroubů Normalizované šrouby a matice jsou vyráběny nejčastěji z konstrukčních, ušlechtilých a nízkolegovaných ocelí. Rozhodujícím parametrem pro výběr šroubu je minimální mez kluzu Rel (lower yield stress) nebo smluvní mez kluzu Rp0,2 (proof stress) definovaná ISO, SAE nebo ASTM. Mechanické vlastnosti šroubů dle ISO 898-1 (výběr)

Značky pevnostních tříd 10.9 10×(Rel/Rm) 1/100 Rm v MPa (1000 MPa)

Označování šroubů dle ISO

Stanovení dovoleného napětí

σD =

R el nebo R p0,2 k


Druhy šroubů Šroub se šestihrannou hlavou (ISO 4014)

1 2

Závrtný šroub

3

Místa koncentrace napětí: 1 Přechod válcové části šroubu do hlavy (četnost poruchy 15 %) 2 Výběh závitu (četnost poruchy 20 %) 3 Závit šroubu v místě prvního nosného závitu matice (četnost poruchy 65 %) Délka závitu v mm

Závrtný šroub prochází horní součástí s vůlí, do spodní součásti je zašroubován. 2d + 6 L ≤ 125 d ≤ 48 Hloubka zavrtání šroubu do oceli je 2d + 12 125 < L ≤ 200 obvykle 1d. L > 200 2d + 25 Přednáška 5 - Šrouby a šroubové spoje

Matice Zatížení není rovnoměrně rozloženo na všechny závity matice, nýbrž první závity přenášejí přibližně třetinu osové síly. To vede k plastické deformaci, a proto matice nikdy nesmí být po demontáži opětovně použita. Šestihranné matice

Doporučené kombinace materiálů

Materiál matic dle ISO 898-2

Materiál ocelových matic je podle mechanických vlastností rozdělen do devíti pevnostních tříd 04, 05, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12. Číslo třídy odpovídá 1/100 smluvní meze kluzu Rp0,2. Třídy 04 a 05 mají sníženou únosnost.

Označování matic dle ISO


Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování. KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti. Přednáška 5

Recommend Documents